现场总线技术及其在变电站综合自动化系统中的应用

摘 要 本文在介绍WorldFIP现场总线的基础上，介绍了WorldFIP现场总线在RCS-9700变电站综合自动化系统中典型应用，并对一些技术细节进行了探讨。
　　
　　关键词 变电站综合自动化 现场总线 WorldFIP
　　
　　0 引言
　　
　　随着计算机技术和通信技术的发展，变电站综合自动化水平不断提高。大量智能设备的应用，在实现变电站无人值守或少人值守的同时，也对变电站的通信系统提出了更高的要求，寻求一种高速、实时、可靠的通信方式，已成为变电站综合自动化系统发展的核心问题之一。
　　
　　现场总线是指在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信、完成测量控制任务的系统[1]，这种系统具有良好的开放性和设备间的互操作性，在变电站综合自动化系统中具有广泛的应用前景。目前IEC国际标准现场总线共有八种，本文介绍其中的WorldFIP现场总线技术及其在变电站综合自动化系统中的应用。
　　
　　
　　
　　1 WorldFIP现场总线技术
　　
　　1.1 背景
　　
　　WorldFIP现场总线是一种源于法国标准的现场总线，其本身是欧洲现场总线标准EN50178的组成部分之一，同时也是IEC标准现场总线之一（IEC61158），在能源、交通、运输、自动化等工业领域中得到了广泛的应用，我国的广东岭澳核电站、上海地铁、军粮城电厂等大型引进项目中使用了这种现场总线，欧洲核子研究中心耗资数十亿美元的世界上能量最高的大型强子对撞机也选定WorldFIP作为工程标准总线之一。
　　
　　1.2 WorldFIP现场总线的特点
　　
　　1.2.1 通信速率高，通信距离长
　　
　　WorldFIP现场总线采用曼彻斯特编码方式,以工业屏蔽双绞线或光纤作为传输介质，由于其中双绞线方式具有31.25kbps、1Mbps及2.5Mbps三种标准速率，在三种标准速率下的最大通信距离分别为5km、1km和500m, 通过网络中继器,总线可分别扩展到20km、5km和2km。
　　

1.2.2 通信效率高
　　
　　现场总线的传输效率与传输报文的长度有很大关系，一般来说单帧报文长度越长，现场总线的传输效率越高。WorldFIP现场总线最长支持128字节变量报文或256字节消息报文，根据计算，其最大通信效率能达到88.99%,相比某些短报文的现场总线如CAN,其最大通信效率最多只能达到57.658%[2]。
　　
　　1.2.3 通信实时性强
　　
　　WorldFIP现场总线对传输介质的调度使用方式类似于令牌网，各通信站的数据可以在预先确定的时间内在网络上传输。由于这种方式不存在介质使用碰撞问题,因而非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合，如各种分散式控制系统、分散式数据采集系统等。
　　
　　1.2.4 误码率低
　　
　　WorldFIP现场总线报文自带CRC校验功能，数据校验功能由通信控制器完成，报文不可检错概率小，据统计采用1Mbps速率，其误码在20年中不会超过一帧。
　　
　　1.2.5 介质冗余
　　
　　介质冗余功能是WorldFIP现场总线的特色之一。通信控制器连接两路独立的传输介质，在双介质运行时，两路介质相互热备用。当某一介质发生断线、短路等故障而造成通信中断时，通信控制器会自动将通信数据无缝切换到另一条无故障介质上，并能保证数据的完整性及正确性，不需要应用程序的干预，极大地增强了通信可靠性。
　　
　　1.2.6 抗电磁干扰性强
　　
　　WorldFIP现场总线采用曼彻斯特编码方式并利用磁性变压器隔离，具有良好的抗电磁干扰能力,根据测试,在EMC III级干扰条件下，能保证正常通信。
　　
　　1.3 WorldFIP 现场总线的传输机制
　　
　　 WorldFIP现场总线定义了物理层、数据链路层和应用层三层通信协议，结构相对简单。在数据链路层WorldFIP协议提供了变量及消息两种传输机制。
　　
　　变量是指周期性地在网络上传输的数据包，每一个变量有一个唯一的16位数据标识，这种周期性报文根据预先设定的时间周期性地在网络上传输。在实际应用中通常被用于传输实时状态及控制信息，如控制现场I/O实时状态、各种现场遥测值等。
　　
　　消息主要用于传输一些诸如配置信息、诊断信息及事件信息等非周期性数据，消息只有在应用程序提出传输申请后一次性地在网络上传输。
　　
　　WorldFIP的传输模式称为“生产者-消费者”（PRODUCER-CONSUMER）模式，简单地说生产者指的是变量或消息报文的发送者，消费者指的是报文的接收者。一个变量或消息只能有一个生产者，但可以有一个或多个消费者。
　　
　　在WorldFIP现场总线中，对传输介质的访问控制类似于“令牌”网，“令牌”是对介质的访问权，“令牌”按照预先确定的时间在多个通信子站之间传递。“令牌”的传递过程由通信控制器自动完成，不需要应用程序的干预。变量的生产者可以按照固定的时间间隔将变量在网络上广播，变量的消费者则同时接收变量内容。在变量中有一个字节的控制信息，其中一位为消息发送请求，当该通信站有消息需要发送时，则该置控制位有效，向总线申请消息发送。在固定的时间窗内当所有通信子站生产的变量数据被发送后，“令牌”被传递给提出发送消息请求的通信子站，此时得到“令牌”的通信子站将消息在网络上广播。这种介质访问控制方式使得变量与消息的传输相对独立，非周期消息的传输不影响周期变量的传输，因此WorldFIP非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合，同时也使得某些突发数据能够尽快在网络上传输。

2 WorldFIP现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用
　　
　　2.1 RCS-9700变电站综合自动化系统简介
　　
　　目前变电站综合自动化系统已经由集中组屏式向分散式转变[3]，大量变电站均采用无人值守方式，各种智能设备通过通信网络相互连接，网络通信量随着智能设备数量的增加而不断增大，同时还要求综自系统对各种事件的响应时间尽可能短，这就对综自系统通信网络的通信速率提出了更高的要求。另外目前大部分保护测控单元等智能设备在开关柜就地安装，因此要求设备具有较强的抗电磁干扰能力。
　　
　　WorldFIP现场总线具有通信速度快、通信距离远、介质冗余以及良好的抗电磁干扰能力，成为变电站综合自动化系统中一种十分理想的通信方式。在RCS-9700系统中，我们选用了WorldFIP现场总线并采用2.5Mbps速率，单段最大通信距离为500m。系统的结构如图1所示。
　　
　　该系统从整体结构上分为三层：变电站层、通信层、间隔层。间隔层主要由保护单元、测控单元等组成，通信方式采用WorldFIP现场总线；通信层包括WorldFIP网关，保护管理机，规约转换器等组成；变电站层包括本地后台服务器，保护工程师站，五防系统等构成，通信采用100M工业以太网。
　　
　　2.2 WorldFIP现场总线在RCS-9700系统中的实现
　　
　　2.2.1 WorldFIP总线系统的构成
　　
　　在整个系统中，使用WorldFIP现场总线的主要有各电压等级的测控装置以及网关设备等。测控装置将实时采集的各种测量数据发送到网关设备，并由网关设备向变电站层转发，同时接受来自变电站层的各种操作数据。为保证系统的可靠性，整个间隔层采用了介质冗余结构，采用两路独立的驱动器和通信电缆，以热备用方式运行。按照间隔分别配置独立的网关设备，如图1所示分为220kV、110 kV、10kV三个间隔，这样做可以减少间隔之间的相互影响，同时可以提高整个网络的通信速率。为可靠起见，对于每个间隔的网关设备，也采用了冗余双网关结构，两个网关采取热备用方式运行，这种方式保证当主网关单元发生故障时，间隔层与变电站层通信能够保持正常。
　　
　　2.2.2 通信实现
　　
　　在通信实现上，考虑到大型变电站综合自动化系统的需求，为保证网络数据的实时性，采用了变量机制和消息机制相结合的传输方式。对于系统的四遥数据（遥测，遥信，遥控，遥调）、SOE、联锁数据等对时性要求高的数据类型采用变量机制传送，此类数据按照一定周期向网关设备发送，并由网关设备转换成快速以太网向变电站层发送；对于某些突发性报文，例如网络诊断信息,配置信息等报文则采用了消息机制，这样既能保证现场遥测值及遥信值等周期性数据能够实时上送，也使得事件信息、诊断信息等能够及时上送。

2.2.3 数据寻址
　　
　　WorldFIP现场总线的变量和消息可以配置成点对点、多播和广播等多种数据寻址方式，灵活使用几种模式将有利于提高总线利用率，降低通信站的CPU开销。在RCS-9700系统中，各种测量（遥信遥测等）、SOE等信息，采用多播方式。多播对象是两个网关设备，由于测控装置没有划分在多播对象组内，此类被测控装置接受到的多播信息在WorldFIP协议的数据链路层被过滤掉，不需要应用程序的干预，减少了测控装置的软件开销；而对于间隔层联锁信息，则采用全网广播方式。联锁信息包括各个开关状态，电流电压测量值等信息，测控装置将联锁信息在网络上广播，间隔内所有测控装置同时接收到，并根据接收到的数据作出逻辑判断，确定闭锁某些遥控操作。采用广播方式既减少了网络的通信量，又可以保证联锁信息的实时性和一致性，同时这种间隔层联锁功能的实现不需要网关或变电站层的参与，因而可以大大提高变电站的安全运行水平。而诸如遥控操作、远方修改定值等远方操作信息，则采用点对点的通信方式。
3 结论
　　
　　在变电站综合自动化系统间隔层采用WorldFIP现场总线具有以下优点：
　　
　　（1）数据可以在恶劣的工业现场高速长距离传输（2.5Mbps,500m）,实际应用中当间隔层中有64个测控装置时，所有装置发送一次数据的总时间小于30ms；
　　
　　（2）通过介质冗余和网关双机热备用等多种方式,保证了系统的可靠性；
　　
　　（3）所有测控装置都可以实现数据主动上送功能；
　　
　　（4）高速总线使得间隔层联锁得以实现,联锁数据在间隔层内完成，不需要网关等设备的干预，因而联锁功能实时可靠；
　　
　　（5）良好的抗电磁干扰性能，适合变电站等电磁干扰强的工业环境。
　　
　　目前RCS-9700变电站综合自动化系统已在数十个220kV及以上变电站中投入使用，实践证明，采用WorldFIP现场总线与以往采用异步串行模式相比，整个系统的性能得到了极大的提高。