現場總線技術在變電站自動化系統中的典型應用

變電站自動化系統正朝著分散化、網絡化的方向發展。變電站的環境特殊，需要一種可靠、實時性強、容易操作的通信網將上層的管理網和前端的測控網連接起來。主要用于低層設備通信的現場總線完全可以適用于這種場合。運用現場總線代替傳統的串行通信，不僅能從根本上改善變電站自動化系統的性能，而且使系統可靠、靈活、易于擴展。文中介紹了現場總線概念、特點和現場總線在變電站自動化系統中的優越性以及幾種典型的現場總線的介紹。

【關鍵詞】 變電站自動化 現場總線 FCS DCS 網絡節點 IED設備 高速數據通信網

0 引言
　　變電站自動化系統是在計算機技術和網絡通信技術技術基礎上發展起來的。縱觀變電站自動化系統發展的歷程，大致可分為三個階段: 90年代初期開始出現“集中式”結構的變電站自動化產品; 90年代中期“分層分布式”系統走向市場; 目前則是“分散分布式”系統的天下[1~3] 。但是目前無論是國內還是國外的分散分布式變電站自動化系統，其各部件之間絕大部分采用串行通信方式（RS232, RS485, RS422總線等）[4] 。串行通信傳輸速率慢，易受干擾，通信距離受限制而且通信方式不靈活，故無法滿足大量實時數據傳輸的要求。
　　現場總線既是一個開放的通信網絡，又是一種全分布的控制系統，它作為智能設備（IED）的聯系紐帶，把掛在總線上作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及控管一體化的綜合自動化功能[5] 。應用網絡方式，特別是現場總線技術來解決變電站自動化系統的通信問題已成為發展的趨勢。

1 現場總線的概念
　　現場總線 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國際上發展形成的 ,用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎 ,溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡 ,而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術 ,已經受到世界范圍的關注 ,成為自動化技術發展的熱點 ,并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。電力系統作為歷來自動化程度最高的生產部門當然的成為了應用現場總線的前沿陣地，尤其是在變電站自動化系統中應用更為廣泛和深入。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現場總線技術與產品的開發。現場總線設備的工作環境處于過程設備的底層 ,作為工廠設備級基礎通訊網絡 ,要求具有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點 ; 具有一定的時間確定性和較高的實時性要求 ; 還具有網絡負載穩定 ,多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點 ,現場總線系統從網絡結構到通訊技術 ,都具有不同上層高速數據通信網的特色。一般把現場總線系統稱為第五代控制系統 ,也稱作FCS——現場總線控制系統。人們一般把 50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作第一代 ,把 4~ 20mA等電動模擬信號控制系統稱為第二代 ,把數字計算機集中式控制系統稱為第三代 ,而把 70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統 ,一方面 ,突破了DSC系統采用通信專用網絡的局限 ,采用了基于公開化、標準化的解決方案 ,克服了封閉系統所造成的缺陷; 另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構,變成了新型全分布式結構,把控制功能徹底下放到現場。可以說 ,開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。

2 現場總線的技術特點
　　a、系統的開放性。開放系統是指通信協議公開,各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換,現場總線開發者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性,強調對標準的共識與遵從。一個開放系統,它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的,開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。
　　b、互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通,可實行點對點,一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。
　　c、現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成,僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設備的運行狀態。
　　d、系統結構的高度分散性。由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系,簡化了系統結構,提高了可靠性。
　　e、對現場環境的適應性。工作在現場設備前端,作為工廠網絡底層的現場總線,是專為在現串行通信傳輸速率慢，易受干擾，通信距離受限制而且通信方式不靈活，故無法滿足大量實時數據傳輸的要求。
　　現場總線既是一個開放的通信網絡，又是一種全分布的控制系統，它作為智能設備（IED）的聯系紐帶，把掛在總線上作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及控管一體化的綜合自動化功能[5] 。應用網絡方式，特別是現場總線技術來解決變電站自動化系統的通信問題已成為發展的趨勢。
　　1 現場總線的概念
　　現場總線 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國際上發展形成的 ,用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎 ,溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡 ,而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術 ,已經受到世界范圍的關注 ,成為自動化技術發展的熱點 ,并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。電力系統作為歷來自動化程度最高的生產部門當然的成為了應用現場總線的前沿陣地，尤其是在變電站自動化系統中應用更為廣泛和深入。國際