智能建筑10 kV變電站內通信網絡的設計

馬占敖， 魏立明， 姚小春

（吉林建筑工程學院電氣與電子信息工程學院，吉林長春 130021）

0 引 言

智能建筑[1-3]中地下或地上敷設的10 kV變電站目前已普遍采用了變電站自動化系統（Substation Automation System，SAS）。隨著信息技術的迅猛發展，變電站自動化系統在十幾年的發展過程中也經歷了翻天覆地的變化，各種新產品層出不窮，CPU從8位到16位，再到如今的32位，站內通信網絡從采用簡單的RS-485串行通信技術，到采用來源于工業控制領域的現場總線技術（FCS），再到在商業網絡領域取得巨大成功的以太網技術。

在我國目前主流的變電站自動化系統都是采用分散控制系統（DDC）[4]，即采用分層分布式結構，整個變電站自動化系統分為3個層次:變電站層、網絡層和間隔層。其中，網絡層包括站內通信網絡、遠動通信接口和智能設備接口3個部分，用于實現各微機監控單元和監控主機間進行實時的數據交換，并可將各種站內信息傳遞至各級調度系統或接受調度系統的指令，實現遠動功能。

變電站的自動化系統不同于傳統的繼電保護裝置，其作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍，還要保證全系統的安全穩定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統的運行和故障信息。每個保護單元能夠得到的系統故障信息愈多，則對故障性質、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準確。各個保護單元與自動裝置在分析這些信息和數據的基礎上協調動作，并通過遠動通信接口實現站內設備信息與外部系統的信息共享，確保系統的安全穩定運行。顯然，實現這種系統保護必須依賴于變電站自動化系統強大的數據通信能力，因此，一個快速、穩定、可靠和富有彈性的通信網絡對于整個變電站的安全運行至關重要。

1 智能建筑的特點

在智能建筑10 kV變電站設計中[5-6]，究竟選用哪一種站內通信網路，首先要從分析應用需求入手。根據國家標準GB/T 50314-2000《智能建筑設計標準》的定義，智能建筑（Intelligent Building，IB）是以建筑為平臺，兼備建筑設備、辦公自動化及通信網絡系統，集結構、系統、服務管理及它們之間的最優化組合，向人們提供一個安全、高效、舒適、便利的建筑環境。其中建筑設備就包括建筑物或建筑群的高低壓變配電設備。變電站站內通信網絡作為智能建筑通信網絡系統的一個子系統，則是其重要的有機組成部分。

根據 GB/T 50314-2000第 3.1條規定，“3.1.1通信網絡系統應能為建筑物或建筑群的擁有者（管理者）及建筑物內的各個使用者提供有效的信息服務。3.1.2通信網絡系統應能對來自建筑物或建筑群內外的各種信息予以接受、存儲、處理、交換、傳輸并提供決策支持的能力”。從以上規定可以看出，智能建筑要求其通信網絡的各子系統之間應具有良好的互通性，這就要求子系統應是開放的。

智能建筑10 kV變電站位于供電系統的末端，容量一般不超過1 MVA，在整個電網中屬于低容量、小規模、終端型中壓變電站。與高壓樞紐變電站相比，其變電站自動化系統的應用場合、運行環境、功能要求都有較大的差異，主要表現在系統節點數一般不多，對硬件的冗余度要求不是很高，保護功能較簡單，通信數據量不是很大。但對繼電保護配置的靈活性，尤其對通信網絡數據傳輸的實時性等方面的要求并不低，同時，系統也更強調使用的方便、直觀和低成本。

2 RS-485串行通信

RS-485串行數據接口標準是由電子工業協會（EIA）于1983年制定并發布的，是一種雙向、平衡傳輸規范，被命名為TIA/EIA-485-A標準。RS-485只能實現一點對多點的通信，即只能有一個主設備，其余為從設備，總線上可最多接到RS-232各設備。RS-485網絡通常采用特性阻抗為120 Ω雙絞線作傳輸介質，傳輸速率300 bps～115.2 kbps兼容，為異步半雙工結構，實際使用時，因線纜長度、線徑、網絡分布、接點數不同，傳輸速率均達不到理論值。

RS-485標準只對接口的電氣特性作出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，用戶需要在此基礎上建立自己的高層通信協議，也就是說，RS-485標準只規定了物理層上的電氣特性，而對數路鏈路層及其以上個高層協議規范，則沒有統一定義。不同制造商的設備由于通信協議的專有與不兼容，而無法直接實現相互之間的信息互訪，因此開放性差。基于RS-485串行通信的變電站自動化系統有成都瑞科公司的RC3000、北京華康公司的MPW 4000等。

3 現場總線

現場總線[7]的一個主要特點就是開放性，在現場總線的網絡中，不同制造商的產品可以“即插即用”。按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，現場總線是指連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。但是由于市場等方面的原因，目前已開發出的現場總線有 40多種，如 FF，CAN，LonWorks，PROFIBUS和HART等，使得開放的現場總線只能針對一種特定類型的現場總線而言，只有遵循該類型現場總線的總線協議，對其產品才是開放的，并具有互操作性，反之則不然。用于變電站自動化系統的主要有CAN總線和LonWorks總線。

CAN（Controller Area Network，控制局域網）總線由德國Bosch公司于1993年推出，介質訪問方式為非破壞性位仲裁方式，這也就意味著當總線出現發送沖突時通過仲裁后原發送信息不會受到任何影響。所有的仲裁判別都不會破壞優先級高的報文內容，也不會對其發送產生任何的延時，因此適用于實時性要求很高的小型網絡，且開發工具廉價。CAN網可以方便地構成多主結構，節點數理論上不受限制，一般可連接110個節點。小于 40 m時，CAN網傳輸速率可達1 Mbps，在節點出錯時可自動切除與總線的聯系。基于CAN總線的變電站自動化系統有阿城繼電器公司的ARAS2000、北京德威特公司的DVP-600等。

LonWorks（LON Local Operating System，局域操作系統）總線由美國Echelon公司于1991年推出，采用了OSI參考模型全部的七層協議結構，介質訪問方式（P-P載波監聽多路復用）采用網絡邏輯地址尋址方式，優先權機制保證了通訊的實時性，安全機制采用證實方式，因此能構建大型網絡控制系統。LonWorks網傳輸速率可達1 Mbps，在監測網絡節點異常時，可使該節點自動脫網。LonWorks網為無源網絡，脈沖變壓器隔離，具有強抗電磁干擾能力，重要信息有優先級。基于LonWorks總線的變電站自動化系統有許繼公司的PSU-2000X、北京四方繼保公司的CSC-2000等。

4 以太網

以太網[8]采用的介質訪問方式為CSMA/CD（沖突檢測載波監聽多點訪問），是一種非確定性或隨機性通信方式。其基本工作原理是:某節點要發送報文時，首先監聽網絡，如網絡忙，則等到其空閑為止，否則將立即發送，并同時繼續監聽網絡;如果兩個或更多的節點監聽到網絡空閑并同時發送報文時，將發生碰撞，同時節點立即停止發送。并等待一段隨機長度的時間后重新發送。16次碰撞后，控制器將停止發送并向節點微處理器回報失敗信息。因此，當網絡負荷增加時的響應速度就會急劇下降，而且在一系列碰撞后，報文還可能會丟失，節點與節點之間的通信將無法得到保障。以太網的這種CSMA/CD介質訪問機制導致了網絡傳輸延時和通信響應的“不穩定性”，這就是為什么變電站自動化系統以前一直沒有采用以太網的主要原因。

隨著以太網傳輸速率的不斷提升，10，100，1 000 M甚至更高，對于變電站自動化系統這樣的應用，如果通過仔細設計，對系統中的網絡節點數量和通信流量進行控制，使網絡負荷低于10%是完全可能的，這樣以太網響應速度將明顯高于其它網絡。另一方面，對于建有企業內部網（Intranet）的智能建筑，變電站的測控數據可以直接在Intranet上動態發布與共享，供相關技術人員和管理人員參考，這樣就把測控網和企業內部網融合在一起，無論從成本、管理、維護等方面考慮都是一個最佳的選擇，加之目前以太網接口芯片已非常普遍，價格低廉，因此發展前景很好。只是由于目前變電站自動化系統的主流站內通信網絡還是現場總線，采用以太網的不多，它們又是主要針對大規模或超大規模變電站而開發的，因此價格偏高。基于以太網的變電站自動化系統有國電南京自動化公司的PS-6000等。

5 結 語

通過以上分析可以看出，3種網絡各有優劣。針對目前新設計的智能建筑，推薦采用主流的現場總線網絡或以太網作為其10 kV變電站站內通信網絡，而以太網更適合于其中擴展需求和測控數據共享需求較大的變電站。對于主接線簡單、不需要考慮擴展且投資有限的小型變電站等，也可以采用低成本的RS-485串行通信網絡，但它對于滿足智能建筑的設備開放性上存在很多不利因素，應當慎用。

[1] 黃益莊.變電站綜合自動化技術[M].北京:中國電力出版社，2000.

[2] 石樹平，馬運榮.論變電站自動化技術發展現狀及要求[J].繼電器，2000（10）:60-65.

[3] 能源部西南電力設計院.電力裝置的電測量儀表裝置設計規范GRJ63-90[M].北京:[s.n.]，1990.

[4] 中華人民共和國水利電力部.電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范GB50062-92[M].北京: [s.n.]，1992.

[5] 李玉云.建筑設備自動化[M].北京:機械工業出版社，2008:15-18.

[6] 周洪.智能大廈控制系統[M].北京:中國電力出版社，2007:61-64.

[7] 張愛筠.基于DSP的新型以太網控制器的應用[J].應用科技，2008，11:37-39.

[8] 龔威.樓宇自動控制技術[M].天津:天津大學出版社，2008:53-57.