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)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)細節(jié)進行了探討。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)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(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國際標準現(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準的現(xiàn)場總線，其本身是歐洲現(xiàn)場總線標準EN501

3、78的組成部分之一，同時也是IEC標準現(xiàn)場總線之一（IEC61158），在能源、交通、運輸、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子對撞機也選定WorldFIP作為工程標準總線之一。 1.2 WorldFIP現(xiàn)場總線的特點 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三種標準速率，在三種標準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到57.658%2。 1.2.3 通信實時性強 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

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立的傳輸介質(zhì)，在雙介質(zhì)運行時，兩路介質(zhì)相互熱備用。當某一介質(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)，極大地增強了通信可靠性。 1.2.6 抗電磁干擾性強 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。在實際應(yīng)用中通常被用于傳輸實時狀態(tài)及控制信息，如控制現(xiàn)場I/O實時狀態(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?！傲钆啤钡膫鬟f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、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)，保護管理機，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)，采用兩路獨立的驅(qū)動器和通信電纜，以熱備用方式運行。按照間隔分別配置獨立的網(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)采取熱備用方式運行，這種方式保證當主網(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 通信實現(xiàn) 在通信實現(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)的實時性，采用了變量機制和消息機制相結(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對點、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)鎖信息的實時性和一致性，同時這種間隔層聯(lián)鎖功能的實現(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行水平。而諸如遙控操作、遠方修改定值等遠方操作信息，則采用點對點的通信方式。 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： （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）,實際應(yīng)用中當間隔層中有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 1、陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：清華大學出版社,19982、孫雅明，毛鵬，王兆峰，苗友忠，楊慶早，李旺，王憲勤. 基于現(xiàn)場總線強實時性控制信息傳遞的研究和仿真. 電