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摘要:本文介绍了自动化领域的计算机局域网——现场总线的概念，对现场总线技术在电力自动化中的应用作了介绍，供大家参考。
关键词:现场总线；电力自动化；应用
O．前言
随着电力自动化技术的发展，特别是综合自动化技术的发展，简化电力自动化系统的设计．大量减少施工改造的工作量，减少自动化设备屏柜数量已作为设计的发展方向。结合这一趋势及自动化设备水平可靠性的提高，以单位间隔为对象，分布式设计，分散安装的电力自动化系统应運而生。其特点是将控制模块直接安装在现场开关柜．其框图如图1所示。
该系统将控制 模块安装在现场间隔与传统集中组屏RTU方式相比，大量节约了二次信号电缆及组屏工作，大大减少中控室的面积和工程的工作量，特别适合于用地紧张的城内变电站及旧站改造。从这类电力自动化的要求出发，面向对象的lTO监控模块应当具备以下几点：
(I)对“遥测”的处理是交流采样的，在开关柜上安装电量变送器是不现实的。
（2)本身带有遥信接点并具SOE功能。
(3)具有1—3个对象的遥控输出接点，以完成对一个对象l线路)的控制。
（4)模块的工作电压可直接采用DC220V，以方便在开关柜中选用电源。
（5)模块应具有很好的可靠性和高抗干扰性。
(6)模块之间具备数据通信功能。
1．几种典型现场总线
1．1 是由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，起初它是为汽车的检测和控制而设计的，后来逐步发展到用于其它工业部门。CAN是目前唯一被批准为国际标准的现场总线，它有如下基本特点：
(1)CAN协议遵循ISO／OSI模型，采用了其中的物理层、链路层与应用层的三层结构。 、
（2)cAN的通信速率为5Kbps／t0km，1Mbps／40m，节点数可达llO个，传输介质可以是双绞线、光纤等。
(3)CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低。并且，当cAN节点发生严重错误时，CAN具有自动关闭节点的功能，自动切断与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，所以，具有较强的抗干扰能力。
(4)CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发送和接收数据，可实现全分布式多机系统，且无主从之分。
(5)cAN采用非破坏性的总线仲裁技术。
(6)cAN不能支持防爆区。
1．2 LONWORKS LONWORKS是局部操作网络，LON是Localoperating network的简称．它是美国Echelon公司于1991年3月推出的技术和产品．其主要特点为：
（1)LONWORKS采用LONTALK通讯协议。该协议遵循ISO／OSI参考模型，它提供了OSI所定义的全部7层服务，在所有现场总线中，这是独一无二的特色。
(2)通信速率为78Kbps／2700m，1．25Mbps／130m，节点数32000个，传输介质可为双绞线，同轴电缆，光纤，电源线等。
（3)LONWORKS的核心是Neuron($h～经元)芯片，内含3个8位CPU。第一个CPU为介质访问控制处理器，处理LONTALK协议的第一层和第二层。第二个CPU为网络处理器。实现L0NTALK的第3层到第6层的功能：第3个CPU为应用处理器，实现LONTALK的第七层协议，执行由用户编的代码及用户的代码所调用的操作系统服务。Neumn芯片的编程语言为Neumn C，是从ANSI C中派生出来的。LONWORKS提供一套开发平台，L0N BUILDER和Node Builder．价格为10—30万。
(4)Lonworks可以构成总线型、星型、环型和混合型等典型的网络结构，能实现网络拓扑结构的自由组合，可以通过网关实现不同现场总线的互联。
（5)Lontalk协议的介质访问协议对CSMA作了改进，采用一种称作PredictiveP-Persistent CSMA的新协议。
(6)Lonworks能支持防爆区。
1．3 HART HART(Highway Addressable Remotetransdueer)是美国的Rosemount公司1986年研制的一种通讯协议．它具有如下特点：
(1)HART协议参照ISO／OSI模型，其通讯模型由物理层、数据链路层和应用层构成。
(2)HART支持模拟信号和数字信号在同一线路上同时存在。可实现与其它模拟设备混合使用，其通讯速率为：在4 20mADC模拟信号上叠加FSK数字信号时为1200bps，用屏蔽双绞线单台设备距离可达3000m；而多台互连距离可达l 500m。
(3)HART支持点对点、主从应答方式和多点广播方式，通讯模式为“问答式”或“广播式”。
(4)HART能利用总线供电．可满足本安防爆要求。
1-4 PROFIBUS PROFIBUS(Process Fieldbus)是1987年德国联邦科技部按照ISO／OSI参考模型制订的现场总线德国国家标准，于1991年正式成为德国现场总线国家标准(DIN19245)：并于1998年又成为欧洲的标准fEN50170)。它具有如下特点：
（1）PROFIBUS的组成：
（1)PROFIBUS—FMS(Fieldbus MessageSpecification现场总线报文规范)。此部分是完成控制器和现场器件之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此，它考虑的是系统功能而不是系统响应时间，适应于完成中等传输速度进行较大数据交换的循环和非循环通讯任务。
2)PROFIBUS—DP(Decentralized Pe-riphery分散型外围设备)是一种优化的通讯模块，适用于自动控制系统和外围设备之间的通信，对时间要求苛刻的场合。
3)PROFIBUS—PA(Process Automa-tion过程自动化1，应用于过程自动化，实现了IECI158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。
(2)PROFIBUS遵循ISO／OSI模型．其通信模型由三层构成：物理层，数据链路层和应用层。
(3)PROFIBUS的通信速率为：
1)PROFIBUS-FMS：使用RS485时，为9．6k500k波特，距离1．6km 4．8km，最多可接122个节点l使用VSK(频移键控)时，最多32个节点，距离可达5km，介质可为双绞线或光缆。
2)PROFIBUS～DP：RS-485双绞线或光缆，为9．6K一12M 波特l最大距离：12M 波特时为100ml1．5M 波特时为200m，可用中继器加大距离，最大站数126。
3)PROFIBUS-PA通信速率为31．25kbps，最大距离为≤1．9km，其每一段上可连接的仪表台数≤32台，但决定于所接人总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流，只要馈人总线的电源不超过规定的最大电压值和电流值，就可以保证在危险区域中运行的本质安全性。
(4)总线存取协议：三种系列的PROFIBUS均使用单一的总线存取协议，数据链路层采用混合介质存取方式，即主站问按令牌方式，主站和从站问按主从方式工作。
(5)三种系列的PROFIBUS很容易集成在一起，DP和FMS使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议。因而这两套系统可在同一根电线上同时操作lPA和DP之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。
(6)安全性：PROFIBUS PA采用总线供电，支持安防爆要求。
1．5 FF FF(Fieldbus Foundmion)是国际公认的唯一不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现場总线标准，无专利许可要求，供任何人使用，具有如下特点：
（1)FF遵照ISO／OSI模型，其通信模型由四层构成，即物理层、数据链路层、应用层及用户层，在OSI模型基础之外增加了一层用户层1。
（2)通信速率：FF定义两种速率的总线，低速总线H1，波特率为：31．25kbps，传输距离为0．2～1．9km(取决于介质)}高速总线H2，其波特率为1．OMbps／750m或2．5Mbps／500m。传输介质可为双绞线，同轴电缆，光纤或无线电。
(3)拓扑结构：H1：支持总线型或树型；H2支持总线型。
(4)介质访问：采用容令牌和查询通信方式为一体的技术，在一个网络中可以有几个站。初始化时，仅容许一个站处于讲工作状态，讲工作状态传来后，主站查询从站，并且特殊的帧结构把讲工作状态送给另一个主站。
（5)安全性：低速总线H1采用本安型总线供电，满足本安防爆要一水 。
2．现场总线在电力自动化中的应用
某35KV变电站电力自动化进行的一次改造，其中35KV变电站的间隔层通讯网络全部采用现场总线技术。四方华能电网控制系统有限公司CSC2000综合变电站自动化系统是国内率先采用LonWorks现场总线的系统。四方公司在国际上率先将LonWorks现场总线技术应用于变电站综合自动化系统，并将基于微处理器的间隔层设备直接并人LonWorks现场总线，以其高可靠的性能和大容量高速度的通信能力，大大提高了通信系统的信息吞吐和数据处理能力，从而解决了应用低速串口通信采样数据时经常产生的瓶颈现象。LonWorks现场总线网络具有很强的抗干扰、抗震动性，适用于较大的温度范围，适合于变电站较恶劣的工业环境。其传输速率已远远满足变电站综合自动化系统对信息传输速度的要求。站内网络通讯采用以太网与LonWorks现场总线相结合的形式．站控层采用以太网．间隔层采用LonWorks现场总线，信息通过间隔层的测控单元上传到主干网上。这种方案实际上将嵌入式以太网与L0nworks现场总线技术相结合，可发挥各自的优势。采用现场总线方式后与传统的DCS系统相比有以下明显好处：
(1)节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等．也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线。
(2)节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单．由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。
(3)节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力。并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行。
(4)用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
(5)提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。
3．结语
在变电站中采用现场总线后可实现真正的分层、分布式结构．进一步提高了整个系统的可靠性，使系统具有很大的灵活性和可扩展性，符合国际上变电站综合自动化系统的发展趋势，因此现场总线在电厂、变电站和电力系统中有非常广阔的应用前景。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词:现场总线；电力自动化；应用
O．前言
随着电力自动化技术的发展，特别是综合自动化技术的发展，简化电力自动化系统的设计．大量减少施工改造的工作量，减少自动化设备屏柜数量已作为设计的发展方向。结合这一趋势及自动化设备水平可靠性的提高，以单位间隔为对象，分布式设计，分散安装的电力自动化系统应運而生。其特点是将控制模块直接安装在现场开关柜．其框图如图1所示。
该系统将控制 模块安装在现场间隔与传统集中组屏RTU方式相比，大量节约了二次信号电缆及组屏工作，大大减少中控室的面积和工程的工作量，特别适合于用地紧张的城内变电站及旧站改造。从这类电力自动化的要求出发，面向对象的lTO监控模块应当具备以下几点：
(I)对“遥测”的处理是交流采样的，在开关柜上安装电量变送器是不现实的。
（2)本身带有遥信接点并具SOE功能。
(3)具有1—3个对象的遥控输出接点，以完成对一个对象l线路)的控制。
（4)模块的工作电压可直接采用DC220V，以方便在开关柜中选用电源。
（5)模块应具有很好的可靠性和高抗干扰性。
(6)模块之间具备数据通信功能。
1．几种典型现场总线
1．1 是由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，起初它是为汽车的检测和控制而设计的，后来逐步发展到用于其它工业部门。CAN是目前唯一被批准为国际标准的现场总线，它有如下基本特点：
(1)CAN协议遵循ISO／OSI模型，采用了其中的物理层、链路层与应用层的三层结构。 、
（2)cAN的通信速率为5Kbps／t0km，1Mbps／40m，节点数可达llO个，传输介质可以是双绞线、光纤等。
(3)CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低。并且，当cAN节点发生严重错误时，CAN具有自动关闭节点的功能，自动切断与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，所以，具有较强的抗干扰能力。
(4)CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发送和接收数据，可实现全分布式多机系统，且无主从之分。
(5)cAN采用非破坏性的总线仲裁技术。
(6)cAN不能支持防爆区。
1．2 LONWORKS LONWORKS是局部操作网络，LON是Localoperating network的简称．它是美国Echelon公司于1991年3月推出的技术和产品．其主要特点为：
（1)LONWORKS采用LONTALK通讯协议。该协议遵循ISO／OSI参考模型，它提供了OSI所定义的全部7层服务，在所有现场总线中，这是独一无二的特色。
(2)通信速率为78Kbps／2700m，1．25Mbps／130m，节点数32000个，传输介质可为双绞线，同轴电缆，光纤，电源线等。
（3)LONWORKS的核心是Neuron($h～经元)芯片，内含3个8位CPU。第一个CPU为介质访问控制处理器，处理LONTALK协议的第一层和第二层。第二个CPU为网络处理器。实现L0NTALK的第3层到第6层的功能：第3个CPU为应用处理器，实现LONTALK的第七层协议，执行由用户编的代码及用户的代码所调用的操作系统服务。Neumn芯片的编程语言为Neumn C，是从ANSI C中派生出来的。LONWORKS提供一套开发平台，L0N BUILDER和Node Builder．价格为10—30万。
(4)Lonworks可以构成总线型、星型、环型和混合型等典型的网络结构，能实现网络拓扑结构的自由组合，可以通过网关实现不同现场总线的互联。
（5)Lontalk协议的介质访问协议对CSMA作了改进，采用一种称作PredictiveP-Persistent CSMA的新协议。
(6)Lonworks能支持防爆区。
1．3 HART HART(Highway Addressable Remotetransdueer)是美国的Rosemount公司1986年研制的一种通讯协议．它具有如下特点：
(1)HART协议参照ISO／OSI模型，其通讯模型由物理层、数据链路层和应用层构成。
(2)HART支持模拟信号和数字信号在同一线路上同时存在。可实现与其它模拟设备混合使用，其通讯速率为：在4 20mADC模拟信号上叠加FSK数字信号时为1200bps，用屏蔽双绞线单台设备距离可达3000m；而多台互连距离可达l 500m。
(3)HART支持点对点、主从应答方式和多点广播方式，通讯模式为“问答式”或“广播式”。
(4)HART能利用总线供电．可满足本安防爆要求。
1-4 PROFIBUS PROFIBUS(Process Fieldbus)是1987年德国联邦科技部按照ISO／OSI参考模型制订的现场总线德国国家标准，于1991年正式成为德国现场总线国家标准(DIN19245)：并于1998年又成为欧洲的标准fEN50170)。它具有如下特点：
（1）PROFIBUS的组成：
（1)PROFIBUS—FMS(Fieldbus MessageSpecification现场总线报文规范)。此部分是完成控制器和现场器件之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此，它考虑的是系统功能而不是系统响应时间，适应于完成中等传输速度进行较大数据交换的循环和非循环通讯任务。
2)PROFIBUS—DP(Decentralized Pe-riphery分散型外围设备)是一种优化的通讯模块，适用于自动控制系统和外围设备之间的通信，对时间要求苛刻的场合。
3)PROFIBUS—PA(Process Automa-tion过程自动化1，应用于过程自动化，实现了IECI158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。
(2)PROFIBUS遵循ISO／OSI模型．其通信模型由三层构成：物理层，数据链路层和应用层。
(3)PROFIBUS的通信速率为：
1)PROFIBUS-FMS：使用RS485时，为9．6k500k波特，距离1．6km 4．8km，最多可接122个节点l使用VSK(频移键控)时，最多32个节点，距离可达5km，介质可为双绞线或光缆。
2)PROFIBUS～DP：RS-485双绞线或光缆，为9．6K一12M 波特l最大距离：12M 波特时为100ml1．5M 波特时为200m，可用中继器加大距离，最大站数126。
3)PROFIBUS-PA通信速率为31．25kbps，最大距离为≤1．9km，其每一段上可连接的仪表台数≤32台，但决定于所接人总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流，只要馈人总线的电源不超过规定的最大电压值和电流值，就可以保证在危险区域中运行的本质安全性。
(4)总线存取协议：三种系列的PROFIBUS均使用单一的总线存取协议，数据链路层采用混合介质存取方式，即主站问按令牌方式，主站和从站问按主从方式工作。
(5)三种系列的PROFIBUS很容易集成在一起，DP和FMS使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议。因而这两套系统可在同一根电线上同时操作lPA和DP之间使用分段耦合器能方便地集成在一起。
(6)安全性：PROFIBUS PA采用总线供电，支持安防爆要求。
1．5 FF FF(Fieldbus Foundmion)是国际公认的唯一不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现場总线标准，无专利许可要求，供任何人使用，具有如下特点：
（1)FF遵照ISO／OSI模型，其通信模型由四层构成，即物理层、数据链路层、应用层及用户层，在OSI模型基础之外增加了一层用户层1。
（2)通信速率：FF定义两种速率的总线，低速总线H1，波特率为：31．25kbps，传输距离为0．2～1．9km(取决于介质)}高速总线H2，其波特率为1．OMbps／750m或2．5Mbps／500m。传输介质可为双绞线，同轴电缆，光纤或无线电。
(3)拓扑结构：H1：支持总线型或树型；H2支持总线型。
(4)介质访问：采用容令牌和查询通信方式为一体的技术，在一个网络中可以有几个站。初始化时，仅容许一个站处于讲工作状态，讲工作状态传来后，主站查询从站，并且特殊的帧结构把讲工作状态送给另一个主站。
（5)安全性：低速总线H1采用本安型总线供电，满足本安防爆要一水 。
2．现场总线在电力自动化中的应用
某35KV变电站电力自动化进行的一次改造，其中35KV变电站的间隔层通讯网络全部采用现场总线技术。四方华能电网控制系统有限公司CSC2000综合变电站自动化系统是国内率先采用LonWorks现场总线的系统。四方公司在国际上率先将LonWorks现场总线技术应用于变电站综合自动化系统，并将基于微处理器的间隔层设备直接并人LonWorks现场总线，以其高可靠的性能和大容量高速度的通信能力，大大提高了通信系统的信息吞吐和数据处理能力，从而解决了应用低速串口通信采样数据时经常产生的瓶颈现象。LonWorks现场总线网络具有很强的抗干扰、抗震动性，适用于较大的温度范围，适合于变电站较恶劣的工业环境。其传输速率已远远满足变电站综合自动化系统对信息传输速度的要求。站内网络通讯采用以太网与LonWorks现场总线相结合的形式．站控层采用以太网．间隔层采用LonWorks现场总线，信息通过间隔层的测控单元上传到主干网上。这种方案实际上将嵌入式以太网与L0nworks现场总线技术相结合，可发挥各自的优势。采用现场总线方式后与传统的DCS系统相比有以下明显好处：
(1)节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等．也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线。
(2)节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单．由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。
(3)节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力。并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行。
(4)用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
(5)提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。
3．结语
在变电站中采用现场总线后可实现真正的分层、分布式结构．进一步提高了整个系统的可靠性，使系统具有很大的灵活性和可扩展性，符合国际上变电站综合自动化系统的发展趋势，因此现场总线在电厂、变电站和电力系统中有非常广阔的应用前景。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看