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0 引言

    隨著國民經濟和電力工業的飛速發展，對電力系統自動化和信息化水平的要求也越來越高。電力系統由發電、輸電、變電、配電和用戶等五個部分組成。目前，電力綜合自動化綜合應用現代電子技術、通信技術、計算機技術、網絡技術和圖形技術等與系統設備相結合，將電力系統在正常和事故情況下的監測、保護、控制和供電企業的工作管理有機融合在一起。

1 變電站綜合自動化

    變電站系統作為電網的重要基本環節，自動化水平的高低直接影響著電網安全穩定運行水平，變電站綜合自動化系統得到了迅猛的發展和推廣應用，成為衡量電力企業自動化水平的重要依據。變電站的電氣設備通常分為一次設備和二次設備，一次設備示指有不同電壓的配電裝置和電力變壓器。二次設備是在一次設備基礎上建立起來的輔助電氣設備，包括：繼電保護及自動裝置、儀器儀表及測量控制、當地監控和遠動四大模塊。二次設備是對一次設備進行監視、測量和控制，并保證變電站電氣設備安全、可靠和經濟地運行。變電站自動化系統是電網調度自動化的重要組成部分，又是一個獨立系統，采集并記錄大量的設備工況數據為變電站設備維修提供可靠數據。

    1.1 變電站結構形式

    目前變電站綜合自動化系統中有三種結構形式：集中式、集中分布式和分散分布式。分散分布式結構是變電站綜合自動化發展的趨勢。分散分布式結構如圖1所示，從邏輯上將變電站自動化系統劃分為兩層，即變電站層(站級測控單元)和間隔層(間隔單元)。也可分為三層，即變電站層、通信層和間隔層。該系統的主要特點是按照變電站的元件，斷路器間隔進行設計。將變電站一個斷路器間隔所需要的全部數據采集、保護和控制等功能集中由一個或幾個智能化的測控單元完成。測控單元可直接放在斷路器柜上或安裝在斷路器間隔附近，相互之間用光纜或特殊通信電纜連接。這種系統代表了現代變電站自動化技術發展的趨勢，大幅度地減少了連接電纜，減少了電纜傳送信息的電磁干擾，且具有很高的可靠性，比較好的實現了部分故障不相互影響，方便維護和擴展。

圖1 分散分布式變電站綜合自動化系統框圖

    1.2 RTU單元

    分散分布式結構中的測控單元，又叫做遠動裝置（RTU，Remote Terminal Unit），是變電站實現電力參數、設備運行情況測量和監控的設備。RTU廣泛應用于自動化監控系統，承擔各種遠動信息的“上傳下達”工作，是變電站實現遠方數據采集與監控的重要設備，也是實現變電站，實現電力系統全面的自動化的關鍵。

    RTU從現場采集回來的數據，控制中心發出的監控信號之間的數據通信，也是變電站自動化系統的不能忽略的一個環節。數據通信不僅實現綜合自動化系統內各子系統或各功能塊間的信息互換，還完成變電站和整個電力系統的通信任務。變電站自動化數據通信必須具有：可靠性，抗干擾能力強、任一節點（測控單元、RTU等）損壞不能影響整個控制網絡；開放性，兼容其他外部設備，適合不同通信介質及規約要求；實時性，實時傳遞信息。

    1.3 通信機制

    現時計算機技術，多媒體技術，網絡技術，現場總線技術飛速發展，可以全面提高數據通信的性能。現時有兩種通信機制：POLLING通信機制及CSMA/CD通信機制。POLLING拓撲結構可以是星型網也可以是總線網，以485為代表。CSMA/CD拓撲結構一般為總線網，以LonWorks為代表。

2 現場總線概述

    現場總線，是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。電力系統綜合自動化過程中，現場總線的應用起著重要的作用。目前存在著大約四十余種現場總線，最常用的是西門子公司的ProfiBus，Echelon公司的LonWorks，德國BOSCH公司CAN等等。

    基于變電站自身的特點，選用的現場總線應該具有拓撲靈活，布線方便，通信可靠，實時性好，糾錯能力強等特點。LonWorks總線是其中一種功能強大的現場總線。

3 LonWorks在變電站中的應用

    3.1 LonWorks總線

    LonWorks是由美國Echelon公司開發的一種完整的、全開放和可互操作的、目前已十分成熟的分布式控制網絡技術的總稱。由于LonWorks控制網絡技術具有高可靠性、開放性和低成本，眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網絡方案中采用LonWorks技術全世界已有2500多家公司利用LonWorks技術生產各種各樣的LonWorks產品，以滿足現代化樓宇、工廠、交通運輸系統、城市基礎設施(水、電、氣等)、家庭等環境自動化系統的分布式控制網絡要求。

    LonWorks的核心是神經元芯片和LonTalk協議。神經元芯片是實現LonTalk協議的硬件基礎，也是實現LonWorks網絡的關鍵。

    現時現場總線在變電站綜合自動化的應用主要是遠控單元的改造、網絡的結構和通信方面。LonWoks相比其他現場總線，特別與傳統的控制方案DCS和PLC相比，有著明顯的優勢：

    （1）一對多的結構。LonWorks技術可使工程的接線簡單，工程施工周期縮短，安裝費用大大降低，維護量減少。并且新增設備不需要重新鋪設電纜，大大節省人力、物力和財力。

    （2）全數字信號。傳統的控制技術中信號的傳輸為1-5V或4-20mA，LonWorks技術中信號的傳輸是全數字的，并且采用的可靠的LonTalk協議，使得數據傳輸可靠、快速，抗干擾能力強。

    （3）LonWorks具有開放性和較好的互可操作性。用戶可以選擇不同廠商的各種產品，并可把它們集成在一起，構成所需要的控制功能的控制方案。

    3.2 LonWorks在RTU上的應用
   
    傳統的RTU將各種電氣參數通過各自的變送器轉換為統一標準的電信號，實現YC遙測、開關接點直接進入RTU的開關量通道完成YX遙信，RTU送出的開關接點信號接入電站控制回路并完成YK遙控。
   
    基于LonWorks現場總線的RTU系統如圖2所示。要實現分層分散結構方式，必須引入現場總線。LonWorks的神經元芯片Neuronchip具有3個CPU，可以實現流水線處理；11個I/O口靈活配置后能夠與外圍設備接口等。利用神經元芯片改造后的RTU除了能夠完成原有的遙測、遙信及遙控功能外，還完成對現場信息、參數數據的打包、流量處理、出錯處理等，使RTU成為LonWorks節點，接入在LonWorks的網絡上，實現遠程和分散式的監測與控制。

圖2基于LonWorks現場總線的RTU

    3.3 LonWoks通信網絡在變電站綜合自動化中的應用

    變電站的通信網絡結構有三種：星形、環形和總線形。星形結構導致中央站點的出現，成為可靠性的瓶頸，一旦出現損壞，全網癱瘓。環形結構會因為其中一個節點的故障導致數據通路斷開。總線網具有擴展靈活，簡單可靠的優點，特別適合在可靠性要求高的變電站通信網絡中。LonWoks總線適合各種網絡結構，目前應用最多也是總線形，LonWorks在國外大型樓宇自動化系統的應用已經檢驗了LonWorks強大的擴展性能。

    變電站綜合自動化系統通信網絡還包括通信介質的選用。常見的介質是光纖和雙絞線通信電纜。光纖有非常好的抗干擾能力，但屬于點對點方式的通信媒介，浪費而且安裝維護比較復雜；雙絞線則可以根據通信網絡結構靈活擴展。LonWorks現場總線的LonTalk協議定義了多種通信介質，包括雙絞線、電力線、射頻、紅外線、同軸電纜和光纖等，最常用的是雙絞線。雙絞線的使用可以降低變電站綜合自動化布線的成本。

    LonTalk協議提供了信息管理功能，定義4種基本類型的報文服務：確認、請求／響應、非確認重復以及非確認；支持優先級可預測P-堅持 CSMA/CD的沖突算法；支持證實服務。LonWorks現場總線支持變電站通信機制CSMA/CD，LonTalk 協議采用優先級可預測 P-堅持 CSMA/CD，使得網絡即便在過載的情況下，仍可以達到最大的通信量。可以有效地防止由于信號參數過多導致網絡塞車，出現信號、參數丟失的現象，大大提高通信網絡的數據傳輸可靠性能。

4 小結

    變電站綜合自動化的步伐在不斷地向前邁進。變電站綜合自動化的水平比將隨著現場總線技術、計算機技術，網絡技術的發展而提高。現場總線在綜合自動化系統的應用越來越普遍，特別是LonWorks分布式控制網絡技術，達到了真正的分散控制。提高了控制的靈活性，降低了系統自身不穩定帶來的風險。LonWoks現場總線靈活的網絡結構、功能強大的神經元芯片以及LonTalk協議大大提高控制和通信的可靠性，和變電站綜合自動化系統的結合越來越緊密。

參考文獻

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