現場總線技術在電力系統自動化中的應用

連云港供電公司 萬發勤

一、技術優勢

現場總線技術（FCS）實際上是將安裝在工業過程現場的智能自動化儀表和裝置與設置在控制室內的儀表和控制設備連接起來的一種數字化、串行、雙向、多站的通信網絡。因此現場總線的內涵已遠遠不是指一根通訊線或一種通訊標準。現場總線控制系統FCS在精度、可靠性、經濟性等許多方面都要比傳統的控制系統要優越得多。

（1）開放性

電力系統自動化是一個集傳統技術改造與現代技術進步于一體的技術總體推進過程，傳統的控制系統是個自我封閉的系統，一般只能通過工作站的串口或并口對外通訊。在FCS中工作站同時靠掛于現場總線和局域網兩層網絡，通過后者可以與其他計算機系統或網絡進行高速信息交換，以實現資源共用。其次，現場總線的技術標準是對所有制造商和用戶公開的，沒有專利許可要求，實行技術共享。可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。用戶可按自己的需要把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統（見圖1）。

（2）互操作性與互用性

互操作性是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。在以往的DCS中，不同廠家生產的產品不能互換，要想更新技術和設備，只能全部更換。

（3）智能化與功能自治性

傳統的DCS至少要有操作站、控制站和現場設備三層結構，其信號傳遞是模擬信號的單向傳遞，信號在傳遞過程中產生的誤差較大，另外系統難以迅速判斷故障而帶故障運行。在FCS中采用雙向數字通訊，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。

（4）高度分散性

在FCS中，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。從根本上改變了原有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。

（5）適應性

現場總線作為工廠底層網絡工作在現場設備前端，是專為在現場環境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求。

圖1 FCS系統構架

二、典型現場總線標準簡介

由于市場的驅動，世界各大控制系統廠家都相繼開發了各自的現場總線產品，雖然國際電工委員會已經公布了現場總線的國際標準IEC61158，但該標準包含了8種現場總線，這就給用戶選擇帶來了困難。較為主流的現場總線為以下3種：

（1）Profibus是遵循德國標準（DIN 19245）和歐洲標準（EN5O17O）的現場總線。ISO/OSI是它的參考模型之一，由Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus-PA系列組成。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。PROFIBUS支持主-從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式，最多可掛接127個站點。

（2）基金會現場總線，即Foudation Fieldbus，簡稱FF，是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等8O家公司制訂的ISP協議和以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的15O家公司制訂的WordFIP協議，于1994年9月合并成立的。FF致力于開發出國際上統一的現場總線協議。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。

（3）Lonworks現場總線，由美國Echelon公司推出，并由Motorola及Toshiba公司共同倡導。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協議，采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質，通訊速率從3OO b/s至1.5Mb/s不等，直接通信距離可達27OO m（78 kb/s），被譽為通用控制網絡。Lonworks技術采用的LonTalk協議被封裝到Neuron（神經元）的芯片中，并得以實現。采用Lonworks技術和神經元芯片的產品，被廣泛應用在樓宇自動化、交通運輸、工業過程控制等行業。

三、工程效益可觀

（1）節省硬件數量與投資：在FCS中，由于前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS的信號調理、轉換、隔離等單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

（2）節省安裝費用：FCS的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用6O%以上。

（3）節省維護開銷：由于現場智能設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

（4）用戶具有高度的系統集成主動權。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。避免因選擇了某一品牌的產品而被“框死”了設備的選擇范圍，不會因為系統集成中不兼容的協議、接口而一籌莫展，使系統集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。

（5）提高了系統的準確性與可靠性：由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。

四、在電力系統自動化中的應用

電力系統自動化的特點是被控制的對象（設備）復雜而龐大，分散性強，聯系緊密，被控制的參數多，干擾嚴重。目前現場總線技術也正在逐步融入電力行業，隨著現場總線技術在低壓電器、高壓開關設備、低壓成套設備中的應用，其作用也越來越突出，是實現電力系統自動化的關鍵。目前，已經有比較成熟的現場總線產品和系統在電廠、變電站自動化、配電網自動化中投入使用，都獲得了很高的經濟效益和發展前景。

比如，現場總線技術可以幫助高壓開關設備實現智能化，進行在線檢測、運行狀態監視、控制、保護動作、趨勢分析和判斷。現場總線在高壓開關設備中的應用是伴隨著智能化高壓電器的發展而發展。

再比如，智能化箱式變電站是以智能化設備為基礎，以現場總線為核心的智能化系統。該系統集遙測、遙控、遙信、遙調、故障識別、隔離恢復為一體。國外，歐洲尼德豪森電廠率先將FCS系統應用到2臺95OMW機組控制中，2OO3年投入商業運行。整個系統包括721臺馬達、67O個電磁閥、957個閥門定位器、698臺電動執行機構和35O個現場控制器，這些智能設備均通過現場總線與工作站相連。整個系統只需配備一個操作員，大大提高了電廠的自動化水平。

五、結語

隨著科學技術的突飛猛進，電力自動化技術得到了廣泛應用，現場總線技術引入電力系統是在根本上優化控制系統的各種性能，將整個生產過程的控制功能分散，為每個被控設備就地配備專用的底層前置控制計算機，這種現場總線技術的系統，還可與其它計算機、節點通訊，構成高性能的控制系統，這樣無疑增強整個電力系統自動控制系統的可靠性和系統組織的靈活性。

[1]蘇永峰.CAN總線技術在電力系統綜合自動化的應用[J].電氣技術,2006(09).

[2]李志梅.淺談現場總線技術的應用[J].科技咨詢,2011(02).

[3]曹光華.現場總線技術及在電力系統中的應用[J].安徽電力工程技術學院學報,2004(03).