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摘要：本文在介紹WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上，介紹了WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線在RCS-9700變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中典型應(yīng)用，并對(duì)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(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線WorldFIP

關(guān)鍵詞：變電站綜合自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線WorldFIP

0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動(dòng)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(wú)人值守或少人值守的同時(shí)，也對(duì)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(shí)、可靠的通信方式，已成為變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的核心問(wèn)題之一。

現(xiàn)場(chǎng)總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)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(cè)量控制任務(wù)的系統(tǒng)[1]，這種系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和設(shè)備間的互操作性，在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線共有八種，本文介紹其中的WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

1.1背景

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線是一種源于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，其本身是歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)EN50178的組成部分之一，同時(shí)也是IEC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線之一（IEC61158），在能源、交通、運(yùn)輸、自動(dòng)化等工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)的廣東嶺澳核電站、上海地鐵、軍糧城電廠等大型引進(jìn)項(xiàng)目中使用了這種現(xiàn)場(chǎng)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(duì)撞機(jī)也選定WorldFIP作為工程標(biāo)準(zhǔn)總線之一。

1.2WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

1.2.1通信速率高，通信距離長(zhǎng)

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)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、1km和500m,通過(guò)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(chǎng)總線的傳輸效率與傳輸報(bào)文的長(zhǎng)度有很大關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)單幀報(bào)文長(zhǎng)度越長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸效率越高。WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線最長(zhǎng)支持128字節(jié)變量報(bào)文或256字節(jié)消息報(bào)文，根據(jù)計(jì)算，其最大通信效率能達(dá)到88.99%,相比某些短報(bào)文的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)性強(qiáng)

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)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(shí)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(wèn)題,因而非常適合于對(duì)于傳輸時(shí)間具有嚴(yán)格要求的場(chǎng)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(chǎng)總線報(bào)文自帶CRC校驗(yàn)功能，數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能由通信控制器完成，報(bào)文不可檢錯(cuò)概率小，據(jù)統(tǒng)計(jì)采用1Mbps速率，其誤碼在20年中不會(huì)超過(guò)一幀。

1.2.5介質(zhì)冗余

介質(zhì)冗余功能是WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(shí)，通信控制器會(huì)自動(dòng)將通信數(shù)據(jù)無(wú)縫切換到另一條無(wú)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)

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試,在EMCIII級(jí)干擾條件下，能保證正常通信。

1.3WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸機(jī)制

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)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(duì)簡(jiǎn)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(gè)變量有一個(gè)唯一的16位數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，這種周期性報(bào)文根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)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(shí)狀態(tài)及控制信息，如控制現(xiàn)場(chǎng)I/O實(shí)時(shí)狀態(tài)、各種現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)值等。

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(qǐng)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(jiǎn)單地說(shuō)生產(chǎn)者指的是變量或消息報(bào)文的發(fā)送者，消費(fèi)者指的是報(bào)文的接收者。一個(gè)變量或消息只能有一個(gè)生產(chǎn)者，但可以有一個(gè)或多個(gè)消費(fèi)者。

在WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線中，對(duì)傳輸介質(zhì)的訪問(wèn)控制類似于“令牌”網(wǎng)，“令牌”是對(duì)介質(zhì)的訪問(wèn)權(quán)，“令牌”按照預(yù)先確定的時(shí)間在多個(gè)通信子站之間傳遞。“令牌”的傳遞過(guò)程由通信控制器自動(dòng)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(shí)間間隔將變量在網(wǎng)絡(luò)上廣播，變量的消費(fèi)者則同時(shí)接收變量?jī)?nèi)容。在變量中有一個(gè)字節(jié)的控制信息，其中一位為消息發(fā)送請(qǐng)求，當(dāng)該通信站有消息需要發(fā)送時(shí)，則該置控制位有效，向總線申請(qǐng)消息發(fā)送。在固定的時(shí)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(qǐng)求的通信子站，此時(shí)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(wèn)控制方式使得變量與消息的傳輸相對(duì)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(duì)于傳輸時(shí)間具有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，同時(shí)也使得某些突發(fā)數(shù)據(jù)能夠盡快在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

2WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1RCS-9700變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前變電站綜合自動(dòng)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(wú)人值守方式，各種智能設(shè)備通過(guò)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(shí)還要求綜自系統(tǒng)對(duì)各種事件的響應(yīng)時(shí)間盡可能短，這就對(duì)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(cè)控單元等智能設(shè)備在開(kāi)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(chǎng)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(dòng)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WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)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(cè)控單元等組成，通信方式采用WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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)。

2.2WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線在RCS-9700系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

2.2.1WorldFIP總線系統(tǒng)的構(gòu)成

在整個(gè)系統(tǒng)中，使用WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的主要有各電壓等級(jí)的測(cè)控裝置以及網(wǎng)關(guān)設(shè)備等。測(cè)控裝置將實(shí)時(shí)采集的各種測(cè)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(shí)接受來(lái)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(gè)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(dòng)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、110kV、10kV三個(gè)間隔，這樣做可以減少間隔之間的相互影響，同時(shí)可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信速率。為可靠起見(jiàn)，對(duì)于每個(gè)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(gè)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(shí)，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(dòng)化系統(tǒng)的需求，為保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(duì)于系統(tǒng)的四遙數(shù)據(jù)（遙測(cè)，遙信，遙控，遙調(diào)）、SOE、聯(lián)鎖數(shù)據(jù)等對(duì)時(shí)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(duì)于某些突發(fā)性報(bào)文，例如網(wǎng)絡(luò)診斷信息,配置信息等報(bào)文則采用了消息機(jī)制，這樣既能保證現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)值及遙信值等周期性數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)上送，也使得事件信息、診斷信息等能夠及時(shí)上送。

2.2.3數(shù)據(jù)尋址

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的變量和消息可以配置成點(diǎn)對(duì)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(kāi)銷。在RCS-9700系統(tǒng)中，各種測(cè)量（遙信遙測(cè)等）、SOE等信息，采用多播方式。多播對(duì)象是兩個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，由于測(cè)控裝置沒(méi)有劃分在多播對(duì)象組內(nèi)，此類被測(cè)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(guò)濾掉，不需要應(yīng)用程序的干預(yù)，減少了測(cè)控裝置的軟件開(kāi)銷；而對(duì)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(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電流電壓測(cè)量值等信息，測(cè)控裝置將聯(lián)鎖信息在網(wǎng)絡(luò)上廣播，間隔內(nèi)所有測(cè)控裝置同時(shí)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(shí)性和一致性，同時(shí)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(duì)點(diǎn)的通信方式。

3結(jié)論

在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層采用WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)高速長(zhǎng)距離傳輸（2.5Mbps,500m）,實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)間隔層中有64個(gè)測(cè)控裝置時(shí)，所有裝置發(fā)送一次數(shù)據(jù)的總時(shí)間小于30ms；

（2）通過(guò)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(cè)控裝置都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)主動(dòng)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(shí)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(dòng)化系統(tǒng)已在數(shù)十個(gè)220kV及以上變電站中投入使用，實(shí)踐證明，采用WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線與以往采用異步串行模式相比，整個(gè)系統(tǒng)的性能得到了極大的提高。

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