預(yù)裝式變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)柜內(nèi)通信系統(tǒng)分析

蔣珀 陳海昆 戴云霞 李峰 林堅(jiān) 徐建國(guó)

隨著電子、軟件和傳感器技術(shù)的快速進(jìn)步，開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和精度得到了很大提高。預(yù)裝式變電站中電力開(kāi)關(guān)設(shè)備集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成一種必不可少的專用配置。由于需要監(jiān)測(cè)和處理的物理參數(shù)較多，開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身是一個(gè)具有層次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)，其中包括了各種IED單元、傳感器、顯示裝置等，為了使各個(gè)部分配合良好，共同完成準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)、診斷、顯示和通信功能，在開(kāi)關(guān)設(shè)備采用總線方式將不同部分連接起來(lái)，是唯一可行的方案，是實(shí)現(xiàn)模塊化、集成化、靈活配置的必要條件。本文在分析開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分析了開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信總線的特點(diǎn)，常用的通信總線的實(shí)現(xiàn)方式和特點(diǎn)，并對(duì)各種通信總線的選擇和使用進(jìn)行比較和分析，可為預(yù)裝式變電站開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】預(yù)裝式變電站 開(kāi)關(guān)設(shè)備 在線監(jiān)測(cè) 通信系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子和通信技術(shù)的快熟發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能日益強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)功能、診斷和測(cè)量精度越來(lái)越高，逐漸成為變電站系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。

預(yù)裝式變電站是我國(guó)電力行業(yè)為適應(yīng)環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約和提高供電系統(tǒng)技術(shù)水平而大力推動(dòng)、并處于快速發(fā)展階段的新技術(shù)。預(yù)裝式高壓（110kV以上）變電站，實(shí)現(xiàn)了高壓電氣設(shè)備（110kV以上組合電器、變壓器）、中壓電氣設(shè)備（10kV或35kV開(kāi)關(guān)設(shè)備、變壓器）、低壓電氣設(shè)備、變電站建筑結(jié)構(gòu)的工廠化制作、裝配和集成測(cè)試。可以不斷縮短產(chǎn)品研制周期，縮小占地面積，而且可以使各種設(shè)備能夠更好的組合，發(fā)揮最佳的技術(shù)性能。隨著預(yù)裝式變電站技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)和產(chǎn)品逐漸成熟，預(yù)裝式變電站在我國(guó)新建的變電站項(xiàng)目中必將占據(jù)非常重要的地位，并將逐漸取代現(xiàn)有的基于現(xiàn)場(chǎng)施工搭建構(gòu)筑物，然后對(duì)多供應(yīng)商設(shè)備集成的變電站模式。

預(yù)裝式變電站是一個(gè)高度集成的復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的功能和常規(guī)變電站是完全一致的，主要的功能子系統(tǒng)組成如圖1所示。上述功能單元基本上和常規(guī)變電站是對(duì)應(yīng)的，由于需要在工廠預(yù)制成型、完成工廠化組裝和集成測(cè)試，并最終通過(guò)運(yùn)輸方式送達(dá)目的地，所以各個(gè)組成部分在具體實(shí)現(xiàn)方式和技術(shù)性能上存在較大的差異。

針對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備在線檢測(cè)系統(tǒng)，在預(yù)裝式變電站中由于設(shè)備間隔非常緊湊，安裝空間和巡檢作業(yè)空間都比較狹小，要求在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面，安裝固定和檢修測(cè)試時(shí)方便。以在線檢測(cè)系統(tǒng)作為重要的技術(shù)平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守變電站和免維護(hù)變電站的重要基礎(chǔ)。本文主要研究并設(shè)計(jì)一種用于預(yù)裝式變電站內(nèi)10kV開(kāi)關(guān)設(shè)備在線檢測(cè)系統(tǒng)，主要從功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面研究開(kāi)關(guān)設(shè)備在線檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法、特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。

1 開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)組成

10kV開(kāi)關(guān)設(shè)備是110kV和220kV變電站系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的設(shè)備之一，數(shù)量眾多。主要實(shí)現(xiàn)10kV配電回路的控制，根據(jù)功能不同分為進(jìn)線柜、PT柜、饋線柜、避雷器柜、母聯(lián)柜、變壓器柜、電容柜等多種不同的功能單元。其中內(nèi)部包含有斷路器單元、接地/隔離裝置、電纜或母線進(jìn)出線系統(tǒng)等部分。本文主要討論配置有斷路器單元的小型化固定安裝式開(kāi)關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)方案，該方案具有典型性和復(fù)雜性，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合變換即可以實(shí)現(xiàn)其他類型的開(kāi)關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。

在綜合分析國(guó)內(nèi)外典型的開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)裝式變電站小型化開(kāi)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)，本文提出了如圖2所示的層次化、模塊化的開(kāi)關(guān)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模型。

在圖2所示模型中，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括主IED單元和若干個(gè)子IED單元，主IED單元完成開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的存儲(chǔ)、顯示和對(duì)外的集中通信功能。子IED單元分別實(shí)現(xiàn)一個(gè)或若干個(gè)參數(shù)的測(cè)量、分析、診斷功能。主IED單元和子IED單元之間通過(guò)通信總線連接，用于上傳測(cè)量參數(shù)和診斷分析結(jié)果，同時(shí)子IED單元通過(guò)內(nèi)部通信總線可以接收由主IED單元下發(fā)的配置參數(shù)或控制指令（包括診斷設(shè)置參數(shù)、地址、報(bào)警設(shè)置信息等）。

根據(jù)功能類別不同，可以將子IED單元分為和斷路器有關(guān)的IED單元和與開(kāi)關(guān)柜進(jìn)出線系統(tǒng)有關(guān)的IED單元。上述IED單元在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般應(yīng)是模塊化的，可獨(dú)立工作，不依賴于其他的子IED單元即可實(shí)現(xiàn)期望的診斷和監(jiān)視功能。在開(kāi)關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)各個(gè)IED單元的功能作用和目前階段可達(dá)到的典型的技術(shù)性能指標(biāo)列表如表1所示。

在如圖2所示的柜內(nèi)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、接地和屏蔽系統(tǒng)等的處理是非常關(guān)鍵的問(wèn)題，也是降低系統(tǒng)耦合性、復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)靈活性配置和可靠性的關(guān)鍵。開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部處于不同位置的IED單元或?qū)崿F(xiàn)不同功能的IED單元在電磁環(huán)境、溫度、振動(dòng)特性等方面存在非常大的差異，有的和一次回路之間存在直接或間接的耦合關(guān)系（例如觸頭和母線測(cè)溫系統(tǒng)等），甚至直接把傳感器固定在高壓側(cè)，有的和操作結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系（例如機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），某些傳感器系統(tǒng)直接和機(jī)構(gòu)一起快速運(yùn)動(dòng)。所以在設(shè)計(jì)連接各個(gè)IED單元的總線時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮不同IED單元的工作環(huán)境、連接的可靠性。

2 ISO/OSI通信模型

在設(shè)計(jì)和分析開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部通信系統(tǒng)時(shí)，必須熟悉ISO/OSI所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)通信模型（圖3），該模型是設(shè)計(jì)和分析現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)，所有的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)都是在標(biāo)準(zhǔn)通信模型基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化或直接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)計(jì)而成的，所有協(xié)議都和ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)通信模型存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要是將ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)模型中某些層去掉、合并而得到簡(jiǎn)化的通信模型。例如PROFIBUS-DP總線，是將ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)模型的第3~7層去掉后得到的，CAN總線只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈層，也相當(dāng)于去掉了第3~7層。ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)通信模型所規(guī)定的7層結(jié)構(gòu)如圖3所示，形成自底向上的結(jié)構(gòu)。如果在總線規(guī)范中完整定義了如圖3所示的7層結(jié)構(gòu)，則在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)從用戶層開(kāi)始，逐級(jí)向下傳遞并打包（添加報(bào)文頭、報(bào)文尾、校驗(yàn)信息等），最終通過(guò)物理層（物理介質(zhì)，如光纖、雙絞線、同軸纜、無(wú)線連接等）傳輸出去。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，則經(jīng)歷了相反的過(guò)程，從遠(yuǎn)端傳輸?shù)谋环庋b好的數(shù)據(jù)從物理層被接收到，然后逐級(jí)上傳，并逐步去掉報(bào)文頭、報(bào)文尾信息，最終在用戶層還原出沒(méi)有任何通信附加信息的用戶數(shù)據(jù)。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)可以被理解成是“透明”傳輸?shù)模趯哟文Ｐ偷膶?duì)應(yīng)層次上，所發(fā)送的數(shù)據(jù)和被接收的數(shù)據(jù)是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，雖然為了傳輸數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過(guò)報(bào)文封裝、電平變換、光電變換等復(fù)雜過(guò)程，但是在總線系統(tǒng)工作正常的條件下，用戶層開(kāi)發(fā)并不需要特別關(guān)心具體的實(shí)現(xiàn)方式，不需要關(guān)心報(bào)文所經(jīng)歷的有可能是非常復(fù)雜的傳輸過(guò)程。

在理解ISO/OSI模型時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)通信模型只是一個(gè)框架，并沒(méi)有規(guī)定具體的協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式，也沒(méi)有規(guī)定具體應(yīng)當(dāng)采用何種通信介質(zhì)，傳輸什么樣的電平以表示數(shù)據(jù)和控制信息，其實(shí)質(zhì)就是一種規(guī)定協(xié)議應(yīng)當(dāng)被如何定義的基本框架，不能和實(shí)際的總線模型和總線定義相混淆。

3 開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部常見(jiàn)的通信總線方案

雖然在開(kāi)發(fā)用戶層應(yīng)用時(shí)對(duì)通信所經(jīng)歷的復(fù)雜過(guò)程不必深究，但是在設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，定制配套的軟件和硬件系統(tǒng)時(shí)確應(yīng)當(dāng)非常關(guān)注總線的選擇和實(shí)現(xiàn)方式。不同的總線之間具有非常大的差異，可適用的環(huán)境、通信性能（帶寬、通信距離）、抗干擾性能具有非常大的差異。在開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部，通信距離不是關(guān)鍵性問(wèn)題，最長(zhǎng)不會(huì)超出20~30米；限制通信總線選擇的主要因素包括電磁干擾、結(jié)構(gòu)空間、實(shí)時(shí)性、成本和安裝調(diào)試的便利性。目前階段，國(guó)內(nèi)在開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中常見(jiàn)的通信總線主要有基于自定義協(xié)議或MODBUS協(xié)議的RS485/RS422總線，CAN總線，LANWORKS總線等。

3.1 CAN總線通信系統(tǒng)

CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)具有連接簡(jiǎn)單，抗干擾能力較強(qiáng)的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)吞吐率一般由于柜內(nèi)各個(gè)IED單元和主單元之間的通信數(shù)據(jù)量不大，所以應(yīng)用較為普遍。

CAN總線是德國(guó)Bosch（博世）公司為測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換定義的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，CAN已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898和ISO11519。CAN通信系統(tǒng)是一種典型的多主/對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可主動(dòng)發(fā)送報(bào)文。用通信數(shù)據(jù)編碼取代了常見(jiàn)的站地址編碼，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)播送（傳送）、廣播等數(shù)據(jù)傳送方式。所有數(shù)據(jù)均采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，提高了抗干擾性。

CAN總線以顯式和隱式電平表示數(shù)據(jù)，信號(hào)采用差分方式傳輸，具有成熟可靠的沖突檢測(cè)和處理機(jī)制，檢錯(cuò)效果極好，處理功能強(qiáng)。綜合采用了位錯(cuò)誤和位填充錯(cuò)誤檢測(cè)、CRC校驗(yàn)、報(bào)文格式檢查和應(yīng)答錯(cuò)誤檢測(cè)及相應(yīng)的錯(cuò)誤處理策略。

CAN總線通信介質(zhì)（媒體）可為雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN總線實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，支持實(shí)現(xiàn)CAN總線通信的芯片較多，某些計(jì)算處理芯片內(nèi)部直接集成有CAN總線通信接口，所以在開(kāi)關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)

工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議和雙絞線或光纖組成通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)過(guò)程中具有非常廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)以太網(wǎng)中，使用IP地址區(qū)分不同的IED單元，一般需要設(shè)置集線單元或交換模塊實(shí)現(xiàn)多個(gè)IED裝置的通信。工業(yè)以太網(wǎng)的通信系統(tǒng)比一般的系統(tǒng)較為復(fù)雜，但是通信帶寬大，實(shí)時(shí)性好，為了適應(yīng)柜內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境，一般應(yīng)采用屏蔽網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互連。

當(dāng)采用光纖通信時(shí)，系統(tǒng)的物理連接一般采用多模光纖（以單纖網(wǎng)絡(luò)較為常見(jiàn)，也有極少數(shù)系統(tǒng)采用雙纖雙工通信方式）。光纖網(wǎng)絡(luò)通信速度極快，是所有網(wǎng)絡(luò)型式中抗干擾性能最好、實(shí)時(shí)性最高的連接方式。光纖以太網(wǎng)的實(shí)施成本較高，需要配置光纖耦合器和光電轉(zhuǎn)換器等模塊，實(shí)現(xiàn)方案也是所有通信方案中是最復(fù)雜的。

鑒于開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部通信數(shù)據(jù)量較少，對(duì)IED單元的結(jié)構(gòu)空間要求比較嚴(yán)格，所以工業(yè)以太網(wǎng)在間隔內(nèi)通信使用不太普遍。在間隔單元間通信組網(wǎng)時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)則是目前最為常見(jiàn)的通信方式之一。

3.3 通用串行總線通信系統(tǒng)

基于RS485/RS422通用串行總線的通信系統(tǒng)連接方式簡(jiǎn)單，采用差分方式傳輸信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)半雙工（RS485）和全雙工（RS422）方式通信。具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部，由于電磁環(huán)境惡劣，通信的波特率一般不宜設(shè)置過(guò)高（常見(jiàn)設(shè)置在115200bps以下）。

通用串行總線只定義了物理層的連接，是一種非常基礎(chǔ)的通信總線系統(tǒng)，使用非常靈活；在物理層基礎(chǔ)上，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通信協(xié)議，也可以采用任何用戶定義的協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。支持的通用串行總線接口的傳感器單元、IED單元非常多，便于集成，所以是間隔層內(nèi)通信所用的主要通信總線方式之一。

3.4 PROFIBUS通信總線系統(tǒng)

PROFIBUS系列通信總線符合德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19265和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是西門子等公司為主推出的一種國(guó)際流行的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。PROFIBUS通信總線中定義了功能模塊的概念，針對(duì)各種不同的應(yīng)用需要使用不同的功能模塊。PROFIBUS通信規(guī)范對(duì)模塊的硬件和軟件的性能有明確定義，要求所有設(shè)備均滿足PROFIBUS功能模塊的一致性，為保證接口的一致性，在德國(guó)建立了FZI信息研究中心，專門對(duì)用戶產(chǎn)品的PROFIBUS接口進(jìn)行一致性檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)性檢測(cè)。

在電力系統(tǒng)中，PROFIBUS DP通信協(xié)議應(yīng)用最為常見(jiàn)。PROFIBUS DP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式在物理層采用了和RS485類似的雙線差分信號(hào)傳輸方式，在數(shù)據(jù)鏈路層等方面具有特殊的規(guī)定，不能和RS485網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兼容通信。支持PROFIBUS DP總線的IED裝置在國(guó)外廠商提供的系統(tǒng)中較為常見(jiàn)；在國(guó)內(nèi)，基于PROFIBUS內(nèi)部總線的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常少見(jiàn)，主要是兼容性較差、設(shè)計(jì)和調(diào)試都比較復(fù)雜，需要專用的接口單元完成測(cè)試。

3.5 LANWORKS總線通信系統(tǒng)

LANWORKS總線通信系統(tǒng)采用了ISO/OSI模型的完整的七層通信模型，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程采用了面向?qū)ο髾C(jī)制，把系統(tǒng)中復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，通信速率最高可達(dá)1.5Mb/s，最遠(yuǎn)通信距離700m(通信速率為78kb/s時(shí)，采用雙絞線通信)；除了常見(jiàn)的雙絞線通信連接外，LANWORKS通信系統(tǒng)物理層可以是同軸電纜、光纖等多種通信介質(zhì)。

LANWORKS通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要專用芯片的支持實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等功能。LANWORKS通信芯片中集成了3個(gè)8位運(yùn)算處理單元，分別為介質(zhì)訪問(wèn)控制器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器，分別實(shí)現(xiàn)：

（1）稱為介質(zhì)訪問(wèn)控制器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)控制與處理，即開(kāi)放互連模型中第1和第2層的功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)處理器實(shí)現(xiàn)了ISO/OSI模型的第3~6層的功能，完成的通信任務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理，路徑管理、通道計(jì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)交互管理，實(shí)現(xiàn)通信控制和數(shù)據(jù)包的收發(fā)功能。

（3）應(yīng)用處理器實(shí)現(xiàn)了和用戶服務(wù)有關(guān)的代碼。集成了存儲(chǔ)信息緩沖區(qū)，可以和用戶系統(tǒng)的CPU單元之間交換數(shù)據(jù)和信息，可作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)、用戶應(yīng)用緩沖單元。

LANWORKS通信系統(tǒng)以Lon Talk協(xié)議為基礎(chǔ)，該協(xié)議在用戶層上提供了五種基本的服務(wù)功能，即：確認(rèn)(ACK)、非確認(rèn)(NAK)、請(qǐng)求/響應(yīng)(REQ/RESP)、重復(fù)(REPT))、非確認(rèn)重復(fù)(NAK REPT)。并以上述五種服務(wù)接口為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。LANWORKS通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，但是有相關(guān)的芯片支持，集成度較高，在電力系統(tǒng)間隔層通信中具有良好的應(yīng)用前景。

3.6 復(fù)合的總線通信系統(tǒng)

在開(kāi)關(guān)設(shè)備間隔內(nèi)通信的總線系統(tǒng)有時(shí)候會(huì)采用一種復(fù)合的通信結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中同時(shí)連接了不同的總線設(shè)備接口單元。該方案下，主IED單元具有支持多種通信總線的接口。這種通信方式一般情況下是不值得推薦的，導(dǎo)致上述狀態(tài)的原因主要是系統(tǒng)中需要集成某些技術(shù)復(fù)雜的具有特殊總線接口的裝置。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

在完成開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)間隔層內(nèi)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意保持通信系統(tǒng)接口的統(tǒng)一性和接口的標(biāo)準(zhǔn)性（主要包括通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)性和物理接口的標(biāo)準(zhǔn)性）。選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ趴偩€協(xié)議實(shí)現(xiàn)IED單元間的通信是必須認(rèn)真分析和解決的主要問(wèn)題。例如，使用工業(yè)以太網(wǎng)連接，不便于實(shí)現(xiàn)單總線的連接方式，一般需要配置網(wǎng)絡(luò)交換單元，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除非有特殊需要（例如在間隔層內(nèi)必須要支持IEC61850通信），一般不建議使用。比較而言，通用串行總線通信系統(tǒng)、CAN總線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)較為靈活、成本低、接口單元結(jié)構(gòu)尺寸小，在更多的時(shí)候應(yīng)作為優(yōu)先考慮的方案。PROFIBUS的通信總線、LANWORKS通信的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試相對(duì)要復(fù)雜一些，應(yīng)慎重選擇。復(fù)合的總線通信系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試復(fù)雜，限制設(shè)備單元的互換性，也應(yīng)盡量避免。

除了完成基礎(chǔ)通信總線的選擇和通信參數(shù)的配置，在柜內(nèi)總線通信設(shè)計(jì)的過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)特別注意處理如下與總線有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題：

4.1 總線路徑的設(shè)計(jì)和規(guī)劃

由于IED單元分布在開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)角落，如何設(shè)計(jì)合理的總線路徑把各個(gè)單元接入通信系統(tǒng)中是非常關(guān)鍵的問(wèn)題。避免在柜內(nèi)反復(fù)穿越，延長(zhǎng)通信路徑。同時(shí)要選用合適的通信結(jié)構(gòu)，例如針對(duì)通用串行總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)當(dāng)盡量避免出現(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，環(huán)路或多分支結(jié)構(gòu)。

4.2 總線的屏蔽和接地處理

除了光纖和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)外，所有電網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)考慮采用雙絞線傳輸差分信號(hào)，相互差分的線使用同一對(duì)雙絞線。一般應(yīng)考慮采用屏蔽層，防止外部干擾；屏蔽層應(yīng)連續(xù)并在一端可靠接地，不能兩端同時(shí)接地避免形成環(huán)路。電磁環(huán)境惡劣的場(chǎng)所可以考慮雙層屏蔽，并在兩段各接地一個(gè)屏蔽層。

4.3 總線的阻抗測(cè)試和匹配

基于電纜的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)阻抗匹配較為敏感，失配嚴(yán)重的由于存在較強(qiáng)的信號(hào)反射所以系統(tǒng)誤碼率和通信距離會(huì)顯著下降，所以應(yīng)當(dāng)仔細(xì)測(cè)量通信系統(tǒng)的阻抗并配置匹配電阻。

4.4 內(nèi)部通信單元的供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

內(nèi)部通信單元一般是數(shù)字處理單元，需要的工作電壓低；一般應(yīng)在柜內(nèi)設(shè)置統(tǒng)一的直流供電單元，為各IED單元提供工作電源，電源的輸送通道也應(yīng)避免引入干擾，降低供電回路阻抗，以避免出現(xiàn)較大的電壓差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部通信總線的實(shí)現(xiàn)方式，總結(jié)了設(shè)計(jì)和使用柜內(nèi)總線的一般原則和方法。實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試柜內(nèi)的通信總線系統(tǒng)有一定的規(guī)律和原則可以遵守，同時(shí)也對(duì)經(jīng)驗(yàn)和技巧有一定要求。只有對(duì)所使用的通信總線從硬件實(shí)現(xiàn)、軟件實(shí)現(xiàn)、信號(hào)定義等有充分的認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上才能將總線系統(tǒng)調(diào)整到最佳或接近最佳的狀態(tài)。通信總線系統(tǒng)的故障是導(dǎo)致電力控制、測(cè)量、診斷和監(jiān)視系統(tǒng)功能失常的主要原因之一，應(yīng)予以充分重視。

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