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1、WorldFIP現(xiàn)場總線技術(shù)及其在變電站綜合自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 摘要:本文在介紹WorldFIP現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上,介紹了WorldFIP現(xiàn)場總線在RCS-9700變電站綜合自動化系統(tǒng)中典型應(yīng)用,并對一些技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞 變電站綜合自動化 現(xiàn)場總線 WorldFIP 關(guān)鍵詞:變電站綜合自動化 現(xiàn)場總線 WorldFIP 0 引言 隨著計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,變電站綜合自動化水平不斷提高。大量智能設(shè)備的應(yīng)用,在實(shí)現(xiàn)變電站無人值守或少人值守的同時,也
2、對變電站的通信系統(tǒng)提出了更高的要求,尋求一種高速、實(shí)時、可靠的通信方式,已成為變電站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展的核心問題之一。 現(xiàn)場總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信、完成測量控制任務(wù)的系統(tǒng)1,這種系統(tǒng)具有良好的開放性和設(shè)備間的互操作性,在變電站綜合自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前IEC國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線共有八種,本文介紹其中的WorldFIP現(xiàn)場總線技術(shù)及其在變電站綜合自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。 1 WorldFIP現(xiàn)場總線技術(shù) 1.1 背景 WorldFIP現(xiàn)場總線是一種源于法國標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線,其本身是歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)EN501
3、78的組成部分之一,同時也是IEC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線之一(IEC61158),在能源、交通、運(yùn)輸、自動化等工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,我國的廣東嶺澳核電站、上海地鐵、軍糧城電廠等大型引進(jìn)項目中使用了這種現(xiàn)場總線,歐洲核子研究中心耗資數(shù)十億美元的世界上能量最高的大型強(qiáng)子對撞機(jī)也選定WorldFIP作為工程標(biāo)準(zhǔn)總線之一。 1.2 WorldFIP現(xiàn)場總線的特點(diǎn) 1.2.1 通信速率高,通信距離長 WorldFIP現(xiàn)場總線采用曼徹斯特編碼方式,以工業(yè)屏蔽雙絞線或光纖作為傳輸介質(zhì),由于其中雙絞線方式具有31.25kbps、1Mbps及2.5Mbps三種標(biāo)準(zhǔn)速率,在三種標(biāo)準(zhǔn)速率下的最大通信距離分別為5km、1
4、km和500m, 通過網(wǎng)絡(luò)中繼器,總線可分別擴(kuò)展到20km、5km和2km。 1.2.2 通信效率高 現(xiàn)場總線的傳輸效率與傳輸報文的長度有很大關(guān)系,一般來說單幀報文長度越長,現(xiàn)場總線的傳輸效率越高。WorldFIP現(xiàn)場總線最長支持128字節(jié)變量報文或256字節(jié)消息報文,根據(jù)計算,其最大通信效率能達(dá)到88.99%,相比某些短報文的現(xiàn)場總線如CAN,其最大通信效率最多只能達(dá)到57.658%2。 1.2.3 通信實(shí)時性強(qiáng) WorldFIP現(xiàn)場總線對傳輸介質(zhì)的調(diào)度使用方式類似于令牌網(wǎng),各通信站的數(shù)據(jù)可以在預(yù)先確定的時間內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。由于這種方式不存在介質(zhì)使用碰撞問題,因而非常適合于對于傳輸時間具有嚴(yán)
5、格要求的場合,如各種分散式控制系統(tǒng)、分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。 1.2.4 誤碼率低 WorldFIP現(xiàn)場總線報文自帶CRC校驗功能,數(shù)據(jù)校驗功能由通信控制器完成,報文不可檢錯概率小,據(jù)統(tǒng)計采用1Mbps速率,其誤碼在20年中不會超過一幀。 1.2.5 介質(zhì)冗余 介質(zhì)冗余功能是WorldFIP現(xiàn)場總線的特色之一。通信控制器連接兩路獨(dú)立的傳輸介質(zhì),在雙介質(zhì)運(yùn)行時,兩路介質(zhì)相互熱備用。當(dāng)某一介質(zhì)發(fā)生斷線、短路等故障而造成通信中斷時,通信控制器會自動將通信數(shù)據(jù)無縫切換到另一條無故障介質(zhì)上,并能保證數(shù)據(jù)的完整性及正確性,不需要應(yīng)用程序的干預(yù),極大地增強(qiáng)了通信可靠性。 1.2.6 抗電磁干擾性強(qiáng) World
6、FIP現(xiàn)場總線采用曼徹斯特編碼方式并利用磁性變壓器隔離,具有良好的抗電磁干擾能力,根據(jù)測試,在EMC III級干擾條件下,能保證正常通信。 1.3 WorldFIP 現(xiàn)場總線的傳輸機(jī)制 WorldFIP現(xiàn)場總線定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層通信協(xié)議,結(jié)構(gòu)相對簡單。在數(shù)據(jù)鏈路層WorldFIP協(xié)議提供了變量及消息兩種傳輸機(jī)制。 變量是指周期性地在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包,每一個變量有一個唯一的16位數(shù)據(jù)標(biāo)識,這種周期性報文根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間周期性地在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中通常被用于傳輸實(shí)時狀態(tài)及控制信息,如控制現(xiàn)場I/O實(shí)時狀態(tài)、各種現(xiàn)場遙測值等。
7、 消息主要用于傳輸一些諸如配置信息、診斷信息及事件信息等非周期性數(shù)據(jù),消息只有在應(yīng)用程序提出傳輸申請后一次性地在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。 WorldFIP的傳輸模式稱為“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”(PRODUCER-CONSUMER)模式,簡單地說生產(chǎn)者指的是變量或消息報文的發(fā)送者,消費(fèi)者指的是報文的接收者。一個變量或消息只能有一個生產(chǎn)者,但可以有一個或多個消費(fèi)者。 在WorldFIP現(xiàn)場總線中,對傳輸介質(zhì)的訪問控制類似于“令牌”網(wǎng),“令牌”是對介質(zhì)的訪問權(quán),“令牌”按照預(yù)先確定的時間在多個通信子站之間傳遞。“令牌”的傳遞過程由通信控制器自動完成,不需要應(yīng)用程序的干預(yù)。變量的生產(chǎn)者可以按照固定的時間間隔將變量在網(wǎng)絡(luò)
8、上廣播,變量的消費(fèi)者則同時接收變量內(nèi)容。在變量中有一個字節(jié)的控制信息,其中一位為消息發(fā)送請求,當(dāng)該通信站有消息需要發(fā)送時,則該置控制位有效,向總線申請消息發(fā)送。在固定的時間窗內(nèi)當(dāng)所有通信子站生產(chǎn)的變量數(shù)據(jù)被發(fā)送后,“令牌”被傳遞給提出發(fā)送消息請求的通信子站,此時得到“令牌”的通信子站將消息在網(wǎng)絡(luò)上廣播。這種介質(zhì)訪問控制方式使得變量與消息的傳輸相對獨(dú)立,非周期消息的傳輸不影響周期變量的傳輸,因此WorldFIP非常適合于對于傳輸時間具有嚴(yán)格要求的場合,同時也使得某些突發(fā)數(shù)據(jù)能夠盡快在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。 2 WorldFIP現(xiàn)場總線技術(shù)在變電站綜合自動化系統(tǒng)
9、中的應(yīng)用 2.1 RCS-9700變電站綜合自動化系統(tǒng)簡介 目前變電站綜合自動化系統(tǒng)已經(jīng)由集中組屏式向分散式轉(zhuǎn)變3,大量變電站均采用無人值守方式,各種智能設(shè)備通過通信網(wǎng)絡(luò)相互連接,網(wǎng)絡(luò)通信量隨著智能設(shè)備數(shù)量的增加而不斷增大,同時還要求綜自系統(tǒng)對各種事件的響應(yīng)時間盡可能短,這就對綜自系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的通信速率提出了更高的要求。另外目前大部分保護(hù)測控單元等智能設(shè)備在開關(guān)柜就地安裝,因此要求設(shè)備具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。 WorldFIP現(xiàn)場總線具有通信速度快、通信距離遠(yuǎn)、介質(zhì)冗余以及良好的抗電磁干擾能力,成為變電站綜合自動化系統(tǒng)中一種十分理想的通信方式。在RCS-9700系統(tǒng)中,我們選用了WorldF
10、IP現(xiàn)場總線并采用2.5Mbps速率,單段最大通信距離為500m。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 該系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上分為三層:變電站層、通信層、間隔層。間隔層主要由保護(hù)單元、測控單元等組成,通信方式采用WorldFIP現(xiàn)場總線;通信層包括WorldFIP網(wǎng)關(guān),保護(hù)管理機(jī),規(guī)約轉(zhuǎn)換器等組成;變電站層包括本地后臺服務(wù)器,保護(hù)工程師站,五防系統(tǒng)等構(gòu)成,通信采用100M工業(yè)以太網(wǎng)。 2.2 WorldFIP現(xiàn)場總線在RCS-9700系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn) 2.2.1 WorldFIP總線系統(tǒng)的構(gòu)成 在整個系統(tǒng)中,使用WorldFIP現(xiàn)場總線的主要有各電壓等級的測控裝置以及網(wǎng)
11、關(guān)設(shè)備等。測控裝置將實(shí)時采集的各種測量數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備,并由網(wǎng)關(guān)設(shè)備向變電站層轉(zhuǎn)發(fā),同時接受來自變電站層的各種操作數(shù)據(jù)。為保證系統(tǒng)的可靠性,整個間隔層采用了介質(zhì)冗余結(jié)構(gòu),采用兩路獨(dú)立的驅(qū)動器和通信電纜,以熱備用方式運(yùn)行。按照間隔分別配置獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)設(shè)備,如圖1所示分為220kV、110 kV、10kV三個間隔,這樣做可以減少間隔之間的相互影響,同時可以提高整個網(wǎng)絡(luò)的通信速率。為可靠起見,對于每個間隔的網(wǎng)關(guān)設(shè)備,也采用了冗余雙網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu),兩個網(wǎng)關(guān)采取熱備用方式運(yùn)行,這種方式保證當(dāng)主網(wǎng)關(guān)單元發(fā)生故障時,間隔層與變電站層通信能夠保持正常。 2.2.2 通信實(shí)現(xiàn) 在通信實(shí)現(xiàn)上,考慮到大型變電站綜合自動化
12、系統(tǒng)的需求,為保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時性,采用了變量機(jī)制和消息機(jī)制相結(jié)合的傳輸方式。對于系統(tǒng)的四遙數(shù)據(jù)(遙測,遙信,遙控,遙調(diào))、SOE、聯(lián)鎖數(shù)據(jù)等對時性要求高的數(shù)據(jù)類型采用變量機(jī)制傳送,此類數(shù)據(jù)按照一定周期向網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送,并由網(wǎng)關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)換成快速以太網(wǎng)向變電站層發(fā)送;對于某些突發(fā)性報文,例如網(wǎng)絡(luò)診斷信息,配置信息等報文則采用了消息機(jī)制,這樣既能保證現(xiàn)場遙測值及遙信值等周期性數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r上送,也使得事件信息、診斷信息等能夠及時上送。 2.2.3 數(shù)據(jù)尋址 WorldFIP現(xiàn)場總線的變量和消息可以配置成點(diǎn)對點(diǎn)、多播和廣播等多種數(shù)據(jù)尋址方式,靈活使用幾種模式將有利于提高總線利用率,降低通信站的CPU開銷。
13、在RCS-9700系統(tǒng)中,各種測量(遙信遙測等)、SOE等信息,采用多播方式。多播對象是兩個網(wǎng)關(guān)設(shè)備,由于測控裝置沒有劃分在多播對象組內(nèi),此類被測控裝置接受到的多播信息在WorldFIP協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層被過濾掉,不需要應(yīng)用程序的干預(yù),減少了測控裝置的軟件開銷;而對于間隔層聯(lián)鎖信息,則采用全網(wǎng)廣播方式。聯(lián)鎖信息包括各個開關(guān)狀態(tài),電流電壓測量值等信息,測控裝置將聯(lián)鎖信息在網(wǎng)絡(luò)上廣播,間隔內(nèi)所有測控裝置同時接收到,并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)作出邏輯判斷,確定閉鎖某些遙控操作。采用廣播方式既減少了網(wǎng)絡(luò)的通信量,又可以保證聯(lián)鎖信息的實(shí)時性和一致性,同時這種間隔層聯(lián)鎖功能的實(shí)現(xiàn)不需要網(wǎng)關(guān)或變電站層的參與,因而可以
14、大大提高變電站的安全運(yùn)行水平。而諸如遙控操作、遠(yuǎn)方修改定值等遠(yuǎn)方操作信息,則采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。 3 結(jié)論 在變電站綜合自動化系統(tǒng)間隔層采用WorldFIP現(xiàn)場總線具有以下優(yōu)點(diǎn): (1)數(shù)據(jù)可以在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場高速長距離傳輸(2.5Mbps,500m),實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)間隔層中有64個測控裝置時,所有裝置發(fā)送一次數(shù)據(jù)的總時間小于30ms; (2)通過介質(zhì)冗余和網(wǎng)關(guān)雙機(jī)熱備用等多種方式,保證了系統(tǒng)的可靠性; (3)所有測控裝置都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)主動上送功能; (4)高速總線使得間隔層聯(lián)鎖得以實(shí)現(xiàn),聯(lián)鎖數(shù)據(jù)在間隔層內(nèi)完成,不需要網(wǎng)關(guān)等設(shè)備的干預(yù),因而聯(lián)鎖功能實(shí)時可靠; (5)良好的抗電磁干擾性能,適合變電站等電磁干擾強(qiáng)的工業(yè)環(huán)境。 目前RCS-9700變電站綜合自動化系統(tǒng)已在數(shù)十個220kV及以上變電站中投入使用,實(shí)踐證明,采用WorldFIP現(xiàn)場總線與以往采用異步串行模式相比,整個系統(tǒng)的性能得到了極大的提高。 參考文獻(xiàn) 1、陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京:清華大學(xué)出版社,19982、孫雅明,毛鵬,王兆峰,苗友忠,楊慶早,李旺,王憲勤. 基于現(xiàn)場總線強(qiáng)實(shí)時性控制信息傳遞的研究和仿真. 電
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