現場總線技術及其在電力自動化中的應用

霍彥生

【摘要】現場總線技術可算作如今自動化領域的“當紅炸子雞”。其技術的應用范圍也越來越廣泛。現如今，全球正處于科技大發展的時期，無論是計算機技術還是網絡信息技術都在迅猛的發展，這自然也引發了電力自動化領域的大變革。隨著電網覆蓋面積的不斷加大，建設電網的設備也趨于復雜化。這也導致對電網的安全運行提出了更高的要求，而現場總線技術作為一門剛剛興起的控制技術，在不久的將來一定會大范圍的取代過去的傳統控制系統廣泛的應用于電力自動化的生產作業當中。

【關鍵詞】現場總線技術；電力自動化；應用

現場總線技術成型于八十年代末九十年代初的時候，因其主要在生產現場進行應用、并可以實現控制設備之間進行雙向數字通信的功能。因此，它也被稱為開放式數字化的控制控制技術。現場總線系統，也就是FCS是更新發明的第五代用于進行生產控制的系統。其作為最新一代的自動化控制系統，現場總線系統（FCS）不但打破了過去傳統的DSC系統必須使用專用通信網絡的局限性，而且也在系統的結構上進行了更新。（傳統的DCS系統采用的是集散系統結構，FCS則是采用了全分布式的系統結構），它與傳統系統最大的區別就在于它將控制功能徹底的“交給了”生產現場進行控制。總的來說，這也是現場總線系統區別于傳統系統最為顯著的特征。

一、什么是現場總線技術

如同人體的四肢骨骼一般，現場總線控制技術的“四肢骨骼、血液脈絡”就是由計算機，網絡信息等高新技術以及超大規模的集成電路、儀表、接線等等構成。與傳統系統相比，其智能性進化明顯。如今的現場總線技術并不只是單單代表一條通訊線或者一種通信的標準模式了。它不論是從系統的精確度上來看還是從運行的可靠性以及投入成本的經濟性上來看，都要比之傳統的自動化控制系統“優秀”許多，其擁有的主要特點如下。

（一）系統具有更加開放的特性

傳統的控制系統是實行“閉關鎖國”政策的一種自我封閉的運行模式。傳統的自動化控制系統如果要進行對外的通訊一般只能通過工作站中的串口或并口來實現。而在新一代的現場總線控制系統中， 工作站可以同時接收現場總線與局域網等兩層網絡的通訊，通過局域網，FCS可以實現與其它計算機系統或者是其他的網絡進行信息上的傳遞和交換，以達到彼此資源共享的目的。另一方面，現場總線控制技術的技術標準是對所有人公開的，它并沒有在專利許可方面存在任何的要求。也就是說，它允許制造商或者用戶之間實行技術與資源上的共享。它也可以與任何不受專利權約束的其他系統設備實現互接。使用者還可以按照自己的實際需求以及所要控制的應用對象，把來自不同生產廠家的不同規格的產品隨意組成成適合自己使用的控制系統。

（二）FCS在系統的可操作性與互用性也“技高一籌”

傳統的自動化控制系統，不同生產廠商出品的DCS是不能相互進行交換的，如果必須要對設備或者技術進行更新的話，就只能對整個系統的設備或者技術進行全面的更換。在這一點上，FCS控制系統則要方便人性化許多，它不但可以實現設備之間、系統之間的信息交換，同時也可以實現“點對點，一對多”的數字化通信交流。最為重要的是，不同生產廠家生產的相類似的可控設備也可以互相進行互換，使得使用者在應用該系統的過程中，省掉了很多不必要的麻煩。

（三）生產現場的設備實現了智能化

傳統DCS控制系統的正常運行一定要有操作站、控制站以及現場設備等三層結構的互相配合，它的信號傳遞方式是利用模擬信號的單向傳遞來實現的。這樣的信號傳遞方式，不但導致信號會在傳遞的過程當中產生非常大的誤差，而且總控系統也不能快速的判斷出故障來源，因而致使出現系統帶著故障繼續運行的狀況發生。對于這個問題，FCS控制系統中因為使用了比較先進的雙向數字通訊的技術，它可以將各個控制功能與處理功能分散到生產現場進行作業的各個設備當中來獨立進行。所以，FCS控制系統可以依靠現場設備自身就能自動完成簡單故障處理與報備方面的基本功能，并可以對電力設備的運行狀態進行隨時隨地的診斷。

（四）控制系統將功能分散到了整個現場設備當中

FCS系統將一些基本的控制功能分散到了現場設備本身，這使得現場設備可以實現一些控制方面的基本功能，這也表明現場總線系統，突破了從前傳統模式集中式的運行模式，構成了一種全新的分散性較高的體系結構。從根本上改變了傳統DCS控制系統以集散控制為主要控制手段的運行模式，同時也對系統結構的繁復性進行了簡化，使系統可以更加安全可靠的運行。

（五）對現場的工作環境適應性更強

作為電力自動化工作在現場設備的前端系統， 現場總線技術也專門考慮到系統能否適應不同工作環境而進行了特別的設計，它除了可以支持同軸電纜電力線等常用的現場設備，同時也提高了系統運行時的抗干擾能力，以及為此增加了使用兩線制送電與通信的功能。還有最為主要的一點是，現場總線系統也滿足了本質安全防爆的要求。

二、現場總線技術在電力自動化中的應用意義

（一）實現了電力自動化的數字通訊

現場總線技術將各種需要傳送的信號轉化成了數字信號，然后采用數字通訊功能進行信號的傳送，這不但避免了類似傳統系統不能及時發現故障而帶著故障繼續運行情況的發生，同時也更好的控制了第一季網路設備的運行。加強了客戶端彼此的聯系，實現了多站點之間的雙線通信，在提高了通訊速度的同時也保證了通信質量。

（二）提高了電力自動化的可維護性

基于現場總線在電力自動化系統中的應用，減少了電力輸送設備之間的連接線的使用以及連接點的出現，這樣可以減小了因為使用大量連接電線而導致電力不穩定情況的出現頻率。當系統的某點發生了故障，排查故障原因也可以相對簡單方便一些。同時，因為現場總線系統的現場設備具有在線故障診斷、報警、記錄等基本的自控功能，這從一定程度上來講也增強了系統的可維護性。

（三）極大的減少了在電力自動化上面的投資

第一，在電力系統的布線、安裝以及維護方面，現場總線技術就可以為其節省大量的連線，并且在電力的傳送過程中也可以實現對信號的跟蹤以及回饋，從上述的幾點看來，相對于傳統的控制系統來講，大幅度的減小了相關費用的投入。第二，現場總線技術的電力設備插件一定是統一標準的，這對于整個電力系統而言，在節省了大量插接口浪費的同時，也免去了很多人力物力的損耗。使得電力系統的安裝工程簡單不少。最后，現場總線技術還有一個最強大的好處，就是其對于設備故障的診斷能力，從而使系統的維護也變得簡單方便。

三、現場總線技術在電力自動化中的應用

電力自動化的主要特點就是被控制的設備龐大而且操作復雜，其具有很強的分散性，可是彼此之間的聯系又十分緊密，這就導致了因為被控制的參數眾多而出現了干擾嚴重的問題。隨著現場總線技術逐漸的融入到了電力自動化的應用當中，其帶來的好處與作用也越來越明顯，并已經成為實現電力自動化的關鍵，不斷的向前發展。目前，已經有很多相對來說比較成熟的現場總線系統應用在了電廠以及變電站的電力自動化當中。并且已經獲得了非常良好的經濟效益以及非常可觀的發展前景。

近幾十年來，我國各大電網企業的生產規模的不斷發展壯大，35KV級別的輸電網已漸漸成為了電網應用中的主流配置。但是由于我國35KV變電站建設的年代跨度較長，其在電力自動化方面的設施已經遠遠滿足不了現如今生產工作方面的需求，運行設備的落后和信息通道上的缺陷，已經嚴重影響到了電網的日常運行以及在面對突發情況時反應速度以及解決力度。故此，為了我國電網可以更為安全穩定的運行，對電力自動化的設備以及技術進行一次全面性的改造已經是勢在必行。其中的35KV變電站中間隔層的通訊網絡將要求全部換成現場總線技術。

以四方華能電網控制系統有限公司生產的“CSC2000綜合變電站自動化系統”為代表，它是我國最先將LonWorks現場總線技術應用到電氣自動化中的控制系統。四方公司不但率先將此技術應用到了變電站的電力自動化系統之中，同時也直接將其并入了間隔層的設備之中。因為LonWorks具有更高效的可靠性能以及大容量、高速度的通信能力，所以它可以極大提高通信系統的信息接收能力與數據處理能力，而且它也可以完美的解決在進行低速串口的通信采樣數據時經常產生的瓶頸問題。另一方面，LonWorks在抗干擾能力以及其抗震性能方面也是擁有不俗的表現，它不僅可以應用于較大的溫度跨度，同時也適合在變電站比較惡劣的環境中運行。最重要的是，LonWorks的信號傳輸速率完全滿足現如今變電站電力自動化系統對于信息傳遞方面的需求。

現場總線技術在電力自動化當中的應用，其最為重要的一個方面就在于它對電力的分配以及調度上。傳統的控制系統主要是通過電纜，來實現將電能參數傳送到主機當中進行控制，這樣的傳送不但降低了在傳送過程中測量數據的準確度。同時也導致了對其測量精度上的缺陷，并且這種監測模式也需要人工不間斷的值守，嚴重造成了人工以及設備上的浪費。現場總線系統則因為其本身自帶的Lonworks現場總線技術，可以在設備監測方面取得非常良好的效果。由于現如今，現場總線技術還是存在多種標準共存的局面，給使用者的選擇帶來了一定的困惑。符合現場總線標準的產品樣式、品種比較少，我國自主生產的相關設備就更是少之又少；而現在市場上支持現場總線標準的一些智能設備的價格又普遍偏高；在職的電力設計人員對現場總線技術了解的又比較少等等。這些因素使得現場總線技術在電力自動化方面的應用進程略顯緩慢。

四、總結

與傳統的控制系統相比，使用現場總線技術的用戶，可以相對比較自由的選擇不同制造廠商提供的現場總線設備，并根據自身的需求進行系統的組合。這有效避免了從前選擇了某一品牌的產品，就一定要全部使用其生產設備的情況發生，同時現場總線技術也避免了系統在集成過程中不兼容的問題。通過上述的分析討論，我們可以看出現場總線技術的優點以及其在電力自動化運行中帶來的好處。與其在未來發展上的可觀前景。

參考文獻

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