淺談應用計算機監控的水電站站內通信

朱雪雄

摘 要：水電站計算機監控系統是現代水電站的重要組成部分，其技術水平、安全可靠性及其運行維護水平對水電站的安全穩定與經濟運行密切相關。目前，我國大、中型水電站已普遍采用計算機監控，計算機監控設備之間利用通信系統連接。該文首先闡述水電站站內通信常用通信介質雙絞線、光纖的結構，并比較了兩種通信介質，其次分析了水電站站內下位機之間的RS485通信、現場總線通信以及上位機與下位機之間的以太網通信，最后分析了水電站計算機監控系統與MIS系統、狀態監測系統的通信方式。

關鍵詞：雙絞線 光纖 串行通信 現場總線 以太網

中圖分類號：TV73 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0006-03

應用計算機監控的水電站站內通信系統通常有水電站計算機監控系統、水電站狀態監測系統、水電站MIS系統等。各個通信系統有雙絞線、光纖、交換機、路由器等通信介質和通信設備。水電站站內通信具有通信系統可靠性要求高、通信方式多樣化、傳輸信息種類繁多等特點。因此，通信系統是水電站正常運行的可靠保障，要求在任何情況下均能暢通。

1 水電站站內通信常用通信介質

1.1 雙絞線

雙絞線是目前使用最廣的一種傳輸介質，它有價格便宜、易于安裝、適用于多種網絡拓撲結構等優點。雙絞線一般由兩根絕緣銅導線相互纏繞而成，實際使用時，雙絞線是由多對雙絞線一起包在一個絕緣電纜套管里的。典型的雙絞線有四對的，也有更多對雙絞線放在一個電纜套管里的。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線（STP）兩類。UTP易受外部干擾，包括來自環境噪聲和附近其他雙絞線的干擾。[1]屏蔽雙絞線STP就是在其外面加上金屬包層來屏蔽外部干擾，雖然抗干擾性能更好，但比UTP貴，且安裝也較困難。雙絞線與網絡設備的接口是RJ-45接口。

水電站通信用雙絞線一般有2種線序：直連線、翻轉線。水電站通信直連線用得最多，主要用于水電站上位機與交換機連接；翻轉線用于對水電站路由器、交換機等網絡設備進行設置。

1.2 光纖

光纖是一根很細的可傳導光線的纖維媒體，其半徑為幾微米至一、二百微米。制造光纖的材料可以是超純硅、合成玻璃或塑料。一根或多根光纖再由外皮包裹構成光纜。按照光纖中光的傳輸模式分為單模光纖和多模光纖，單模光纖只允許一束光傳播，多模光纖，即發散為多路光波，每一路光波走一條通路。[2]

如圖1所示，光纜連接器有用戶通道連接器（Subscribers Channel-SC）、直插式連接器（Straight-tip，ST）、MT-RJ連接器3種。其中用戶通道連接器用于有線電視，采用推拉式固定方法。直插式連接器將光纜連接到網絡設備，使用卡口式固定方法。MT-RJ連接器與RJ-45規格一樣。水電站通信用光纜連接器一般用的是直插式連接器和MT-RJ連接器。

1.3 雙絞線、光纖在水電站站內通信的比較

在水電站站內通信的應用中， 雙絞線與光纖比較而言，光纖具有以下優點。

（1）布線方便。

在具有相同信息傳輸能力的情況下，光纖要比雙絞線細得多，也輕便得多。給水電站通信布線帶來明顯的優勢，光纖即可降低對支撐物的要求也可減小管道的體積。

（2）低衰減。

水電站站內上位機和下位機的范圍可能達到幾百米，雙絞線在100 m范圍內才能達到數百Mb/s的數據速率，100 m以上范圍信號會衰減。相對于雙絞線，使用光纖信號的衰減要小得多，不加中繼或放大直接傳輸，其速率達若干Gb/s。

（3）抗電磁干擾。

水電站高低壓設備運行時會產生強大的電磁場，雙絞線傳輸的信號是電信號，會受到電磁干擾影響通信效果。而光纖傳輸的是光信號，在水電站使用不受外部電磁場的影響。此外，光纖也不向外輻射電磁場，不會對水電站的上位機和下位機造成電磁干擾。

2 水電站站內通信方式

2.1 水電站監控系統下位機之間通信

下位機設備的互聯通信可以增加數據采集的靈活性和數量、節省大量電纜，減少施工時間，常用的通信互聯方式包括串行通信、現場總線通信方式。

（1）串行通信接口。

串行通信接口RS485是目前監控系統下位機設備之間相互連接的一種通信接口方式。由于水電站下位機需要通信互聯的設備較多，且各設備通信接口和規約標準不一，串行通信接口和編程比較簡單且形式多樣，能比較好地適應當前下位機各設備接入的實際情況。如圖2所示，參與控制的設備需直接接入主PLC控制器，監控系統一般均配置通信工作站、嵌入式智能通信裝置、串口轉現場總線設備等，提供8～16個串行口接入現場串行通信設備，并通過網絡接口連接監控系統網絡。

（2）現場總線網。

現場總線網采用RS485通訊接口，通訊波特率多在4 800～19 200 bps之間，最遠傳輸距離為1 000 m左右，一般采用屏蔽雙絞線或同軸電纜作為通訊介質。[3]如圖3所示，水電站采用現場總線將分散在現場的微機保護系統、調速系統、勵磁系統、PLC、非電氣量測量等連接成一體，組成現地控制子系統，提高了系統的自治性和可靠性，節省了大量信號電纜和控制電纜。

2.2 水電站監控系統上位機與下位機之間的以太網通信

水電站監控系統上位機與下位機之間的以太網通信是使用交換機來連接通信設備，交換機的高速背板和強大的存儲轉發功能，使得上位機與下位機可以獨自享用10 Mbps或100 Mbps的傳輸速率，網絡的實際帶寬大幅度提高。[4]如圖4所示，水電站上位機與下位機以太網通信方式互聯。這種通訊方式可靠性高，設備直接上網，便于網絡控制和管理，提高了系統響應速度。

2.3 水電站監控系統與MIS系統、水電站狀態監測系統通信

水電站監控系統位于生產控制大區，MIS系統、水電站狀態監測系統位于管理信息大區（安全Ⅲ區）。根據《電力二次系統安全防護規定》，生產控制大區與管理信息大區兩個系統間數據雙向交換需通過電力專用正反向物理隔離裝置，專用正反向物理隔離裝置需經國家指定部門檢測認證。圖5是水電站監控系統與MIS系統、狀態監測系統經隔離裝置隔離后的以太網通信。

3 結語

該文分析了水電站站內通信常用通信介質雙絞線、光纖的結構及水電站站內通信方式。得出以下結論：光纖具有布線方便、低衰減、抗電磁干擾等特性，水電站站內通信應采用光纖作為通信介質。以太網通信方式可靠性高，設備直接上網便于網絡控制和管理，提高了系統響應速度，水電站監控系統上位機與下位機、下位機之間應采用以太網通信。水電站計算機監控系統與MIS系統、狀態監測系統的通信方式應采用隔離裝置和以太網通信。

參考文獻

[1] 趙乾，錢建平，郭恩全，等.雙絞線電磁干擾防護研究[J].電子測量與儀器學報，2010，24（3）：279-282.

[2] 王惠文.光纖傳感技術與應用[M].國防工業出版社，2001.

[3] 汪志強，彭煜民，張學峰.清遠抽水蓄能電站監控系統下位機網絡設計綜述[J].水電與抽水蓄能，2016，2（5）.

[4] 鄭文，薛曄，高嬿.水電站計算機監控系統的局域網絡通信[J].長春工程學院學報：自然科學版，2003，4（2）：67-69.