预装式变电站在线监测系统柜内通信系统分析

蒋珀 陈海昆 戴云霞 李峰 林坚 徐建国

随着电子、软件和传感器技术的快速进步，开關设备在线监测系统的功能和精度得到了很大提高。预装式变电站中电力开关设备集成度高、结构紧凑，在线监测系统已经发展成一种必不可少的专用配置。由于需要监测和处理的物理参数较多，开关设备在线监测系统本身是一个具有层次结构的复杂系统，其中包括了各种IED单元、传感器、显示装置等，为了使各个部分配合良好，共同完成准确可靠的监测、诊断、显示和通信功能，在开关设备采用总线方式将不同部分连接起来，是唯一可行的方案，是实现模块化、集成化、灵活配置的必要条件。本文在分析开关设备内部监测系统一般结构基础上，分析了开关设备内部监测系统通信总线的特点，常用的通信总线的实现方式和特点，并对各种通信总线的选择和使用进行比较和分析，可为预装式变电站开关设备内部监测通信系统的设计提供参考。

【关键词】预装式变电站 开关设备 在线监测 通信系统

随着计算机技术、传感器技术、电子和通信技术的快熟发展，在线监测系统的功能日益强大，实现的监测功能、诊断和测量精度越来越高，逐渐成为变电站系统中不可缺少的重要组成部分。

预装式变电站是我国电力行业为适应环境保护、资源节约和提高供电系统技术水平而大力推动、并处于快速发展阶段的新技术。预装式高压（110kV以上）变电站，实现了高压电气设备（110kV以上组合电器、变压器）、中压电气设备（10kV或35kV开关设备、变压器）、低压电气设备、变电站建筑结构的工厂化制作、装配和集成测试。可以不断缩短产品研制周期，缩小占地面积，而且可以使各种设备能够更好的组合，发挥最佳的技术性能。随着预装式变电站技术的发展，技术和产品逐渐成熟，预装式变电站在我国新建的变电站项目中必将占据非常重要的地位，并将逐渐取代现有的基于现场施工搭建构筑物，然后对多供应商设备集成的变电站模式。

预装式变电站是一个高度集成的复杂的技术系统，实现的功能和常规变电站是完全一致的，主要的功能子系统组成如图1所示。上述功能单元基本上和常规变电站是对应的，由于需要在工厂预制成型、完成工厂化组装和集成测试，并最终通过运输方式送达目的地，所以各个组成部分在具体实现方式和技术性能上存在较大的差异。

针对开关设备在线检测系统，在预装式变电站中由于设备间隔非常紧凑，安装空间和巡检作业空间都比较狭小，要求在线检测系统结构紧凑、功能全面，安装固定和检修测试时方便。以在线检测系统作为重要的技术平台，是实现无人值守变电站和免维护变电站的重要基础。本文主要研究并设计一种用于预装式变电站内10kV开关设备在线检测系统，主要从功能结构设计、接口设计、软硬件系统设计等方面研究开关设备在线检测系统的实现方法、特点和关键技术环节的实现。

1 开关设备在线监测系统的功能结构组成

10kV开关设备是110kV和220kV变电站系统中非常关键的设备之一，数量众多。主要实现10kV配电回路的控制，根据功能不同分为进线柜、PT柜、馈线柜、避雷器柜、母联柜、变压器柜、电容柜等多种不同的功能单元。其中内部包含有断路器单元、接地/隔离装置、电缆或母线进出线系统等部分。本文主要讨论配置有断路器单元的小型化固定安装式开关设备的在线监测方案，该方案具有典型性和复杂性，经过适当的组合变换即可以实现其他类型的开关设备的在线监测。

在综合分析国内外典型的开关设备在线监测系统方案的基础上，结合预装式变电站小型化开关设备的特点，本文提出了如图2所示的层次化、模块化的开关设备监测系统的功能模型。

在图2所示模型中，在线监测系统包括主IED单元和若干个子IED单元，主IED单元完成开关设备状态参数的存储、显示和对外的集中通信功能。子IED单元分别实现一个或若干个参数的测量、分析、诊断功能。主IED单元和子IED单元之间通过通信总线连接，用于上传测量参数和诊断分析结果，同时子IED单元通过内部通信总线可以接收由主IED单元下发的配置参数或控制指令（包括诊断设置参数、地址、报警设置信息等）。

根据功能类别不同，可以将子IED单元分为和断路器有关的IED单元和与开关柜进出线系统有关的IED单元。上述IED单元在设计过程中一般应是模块化的，可独立工作，不依赖于其他的子IED单元即可实现期望的诊断和监视功能。在开关设备的在线监测各个IED单元的功能作用和目前阶段可达到的典型的技术性能指标列表如表1所示。

在如图2所示的柜内在线监测系统功能模型的实现过程中，总线系统的设计、电源系统设计、接地和屏蔽系统等的处理是非常关键的问题，也是降低系统耦合性、复杂性，实现灵活性配置和可靠性的关键。开关设备内部处于不同位置的IED单元或实现不同功能的IED单元在电磁环境、温度、振动特性等方面存在非常大的差异，有的和一次回路之间存在直接或间接的耦合关系（例如触头和母线测温系统等），甚至直接把传感器固定在高压侧，有的和操作结构有密切关系（例如机械特性监测系统），某些传感器系统直接和机构一起快速运动。所以在设计连接各个IED单元的总线时应当考虑不同IED单元的工作环境、连接的可靠性。

2 ISO/OSI通信模型

在设计和分析开关设备内部通信系统时，必须熟悉ISO/OSI所规定的标准通信模型（图3），该模型是设计和分析现场总线的基础，所有的现场总线系统都是在标准通信模型基础上简化或直接应用标准模型设计而成的，所有协议都和ISO/OSI标准通信模型存在一定的对应关系，主要是将ISO/OSI标准模型中某些层去掉、合并而得到简化的通信模型。例如PROFIBUS-DP总线，是将ISO/OSI标准模型的第3~7层去掉后得到的，CAN总线只定义了物理层和数据链层，也相当于去掉了第3~7层。ISO/OSI标准通信模型所规定的7层结构如图3所示，形成自底向上的结构。如果在总线规范中完整定义了如图3所示的7层结构，则在发送数据时，数据从用户层开始，逐级向下传递并打包（添加报文头、报文尾、校验信息等），最终通过物理层（物理介质，如光纤、双绞线、同轴缆、无线连接等）传输出去。在接收数据时，则经历了相反的过程，从远端传输的被封装好的数据从物理层被接收到，然后逐级上传，并逐步去掉报文头、报文尾信息，最终在用户层还原出没有任何通信附加信息的用户数据。在实际的现场通信过程中，数据可以被理解成是“透明”传输的，在层次模型的对应层次上，所发送的数据和被接收的数据是严格对应的，虽然为了传输数据信息需要经过报文封装、电平变换、光电变换等复杂过程，但是在总线系统工作正常的条件下，用户层开发并不需要特别关心具体的实现方式，不需要关心报文所经历的有可能是非常复杂的传输过程。

在理解ISO/OSI模型时应当注意，ISO/OSI标准通信模型只是一个框架，并没有规定具体的协议实现方式，也没有规定具体应当采用何种通信介质，传输什么样的电平以表示数据和控制信息，其实质就是一种规定协议应当被如何定义的基本框架，不能和实际的总线模型和总线定义相混淆。

3 开关设备内部常见的通信总线方案

虽然在开发用户层应用时对通信所经历的复杂过程不必深究，但是在设计通信网络时，定制配套的软件和硬件系统时确应当非常关注总线的选择和实现方式。不同的总线之间具有非常大的差异，可适用的环境、通信性能（带宽、通信距离）、抗干扰性能具有非常大的差异。在开关设备内部，通信距离不是关键性问题，最长不会超出20~30米；限制通信总线选择的主要因素包括电磁干扰、结构空间、实时性、成本和安装调试的便利性。目前阶段，国内在开关设备在线监测系统中常见的通信总线主要有基于自定义协议或MODBUS协议的RS485/RS422总线，CAN总线，LANWORKS总线等。

3.1 CAN总线通信系统

CAN总线通信网络具有连接简单，抗干扰能力较强的特点。数据吞吐率一般由于柜内各个IED单元和主单元之间的通信数据量不大，所以应用较为普遍。

CAN总线是德国Bosch（博世）公司为测量控制部件之间的数据交换定义的一种串行数据通信总线，CAN已成为国际标准ISO11898和ISO11519。CAN通信系统是一种典型的多主/对等网络，网络上任一节点均可主动发送报文。用通信数据编码取代了常见的站地址编码，可实现点对点、多点播送（传送）、广播等数据传送方式。所有数据均采用短帧结构，传输时间短，提高了抗干扰性。

CAN总线以显式和隐式电平表示数据，信号采用差分方式传输，具有成熟可靠的冲突检测和处理机制，检错效果极好，处理功能强。综合采用了位错误和位填充错误检测、CRC校验、报文格式检查和应答错误检测及相应的错误处理策略。

CAN总线通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光纤。CAN总线实现方式较为简单，支持实现CAN总线通信的芯片较多，某些计算处理芯片内部直接集成有CAN总线通信接口，所以在开关设备的在线监测系统中应用较多。

3.2 工业以太网通信系统

工业以太网采用TCP/IP协议和双绞线或光纤组成通信网络。工业以太网在工业过程中具有非常广泛的应用。在工业以太网中，使用IP地址区分不同的IED单元，一般需要设置集线单元或交换模块实现多个IED装置的通信。工业以太网的通信系统比一般的系统较为复杂，但是通信带宽大，实时性好，为了适应柜内复杂的电磁环境，一般应采用屏蔽网线实现设备的互连。

当采用光纤通信时，系统的物理连接一般采用多模光纤（以单纤网络较为常见，也有极少数系统采用双纤双工通信方式）。光纤网络通信速度极快，是所有网络型式中抗干扰性能最好、实时性最高的连接方式。光纤以太网的实施成本较高，需要配置光纤耦合器和光电转换器等模块，实现方案也是所有通信方案中是最复杂的。

鉴于开关设备内部通信数据量较少，对IED单元的结构空间要求比较严格，所以工业以太网在间隔内通信使用不太普遍。在间隔单元间通信组网时，工业以太网则是目前最为常见的通信方式之一。

3.3 通用串行总线通信系统

基于RS485/RS422通用串行总线的通信系统连接方式简单，采用差分方式传输信号，可以实现半双工（RS485）和全双工（RS422）方式通信。具有实现简便，抗干扰能力强的特点。在开关设备内部，由于电磁环境恶劣，通信的波特率一般不宜设置过高（常见设置在115200bps以下）。

通用串行总线只定义了物理层的连接，是一种非常基础的通信总线系统，使用非常灵活；在物理层基础上，可以使用标准的MODBUS通信協议，也可以采用任何用户定义的协议传输数据。支持的通用串行总线接口的传感器单元、IED单元非常多，便于集成，所以是间隔层内通信所用的主要通信总线方式之一。

3.4 PROFIBUS通信总线系统

PROFIBUS系列通信总线符合德国国家标准DIN19265和欧洲标准EN50170的现场总线标准，是西门子等公司为主推出的一种国际流行的现场总线协议。PROFIBUS通信总线中定义了功能模块的概念，针对各种不同的应用需要使用不同的功能模块。PROFIBUS通信规范对模块的硬件和软件的性能有明确定义，要求所有设备均满足PROFIBUS功能模块的一致性，为保证接口的一致性，在德国建立了FZI信息研究中心，专门对用户产品的PROFIBUS接口进行一致性检测和实验性检测。

在电力系统中，PROFIBUS DP通信协议应用最为常见。PROFIBUS DP协议的实现方式在物理层采用了和RS485类似的双线差分信号传输方式，在数据链路层等方面具有特殊的规定，不能和RS485网络实现兼容通信。支持PROFIBUS DP总线的IED装置在国外厂商提供的系统中较为常见；在国内，基于PROFIBUS内部总线的在线监测系统非常少见，主要是兼容性较差、设计和调试都比较复杂，需要专用的接口单元完成测试。

3.5 LANWORKS总线通信系统

LANWORKS总线通信系统采用了ISO/OSI模型的完整的七层通信模型，数据传输过程采用了面向对象机制，把系统中复杂的数据交换简化为参数设置，通信速率最高可达1.5Mb/s，最远通信距离700m(通信速率为78kb/s时，采用双绞线通信)；除了常见的双绞线通信连接外，LANWORKS通信系统物理层可以是同轴电缆、光纤等多种通信介质。

LANWORKS通信系统的实现需要专用芯片的支持实现数据链路层、网络层等功能。LANWORKS通信芯片中集成了3个8位运算处理单元，分别为介质访问控制器、网络处理器和应用处理器，分别实现：

（1）称为介质访问控制器，实现介质访问控制与处理，即开放互连模型中第1和第2层的功能。

（2）网络处理器实现了ISO/OSI模型的第3~6层的功能，完成的通信任务包括网络变量的寻址、处理，路径管理、通道计时、网络交互管理，实现通信控制和数据包的收发功能。

（3）应用处理器实现了和用户服务有关的代码。集成了存储信息缓冲区，可以和用户系统的CPU单元之间交换数据和信息，可作为网络缓冲区、用户应用缓冲单元。

LANWORKS通信系统以Lon Talk协议为基础，该协议在用户层上提供了五种基本的服务功能，即：确认(ACK)、非确认(NAK)、请求/响应(REQ/RESP)、重复(REPT))、非确认重复(NAK REPT)。并以上述五种服务接口为基础实现设备间的数据通信。LANWORKS通信系统实现较为复杂，但是有相关的芯片支持，集成度较高，在电力系统间隔层通信中具有良好的应用前景。

3.6 复合的总线通信系统

在开关设备间隔内通信的总线系统有时候会采用一种复合的通信结构，系统中同时连接了不同的总线设备接口单元。该方案下，主IED单元具有支持多种通信总线的接口。这种通信方式一般情况下是不值得推荐的，导致上述状态的原因主要是系统中需要集成某些技术复杂的具有特殊总线接口的装置。

4 监测系统通信系统方案的设计

在完成开关设备在线监测系统间隔层内通信系统设计的过程中，应当注意保持通信系统接口的统一性和接口的标准性（主要包括通信协议的标准性和物理接口的标准性）。选择适当的通信总线协议实现IED单元间的通信是必须认真分析和解决的主要问题。例如，使用工业以太网连接，不便于实现单总线的连接方式，一般需要配置网络交换单元，会导致结构复杂，除非有特殊需要（例如在间隔层内必须要支持IEC61850通信），一般不建议使用。比较而言，通用串行总线通信系统、CAN总线通信系统的实现较为灵活、成本低、接口单元结构尺寸小，在更多的时候应作为优先考虑的方案。PROFIBUS的通信总线、LANWORKS通信的实现和调试相对要复杂一些，应慎重选择。复合的总线通信系统会导致系统测试和调试复杂，限制设备单元的互换性，也应尽量避免。

除了完成基础通信总线的选择和通信参数的配置，在柜内总线通信设计的过程中还应当特别注意处理如下与总线有关的技术问题：

4.1 总线路径的设计和规划

由于IED单元分布在开关设备内部的各个角落，如何设计合理的总线路径把各个单元接入通信系统中是非常关键的问题。避免在柜内反复穿越，延长通信路径。同时要选用合适的通信结构，例如针对通用串行总线构成的网络，应当尽量避免出现星型网络结构，环路或多分支结构。

4.2 总线的屏蔽和接地处理

除了光纤和无线通信网络外，所有电网络通信系统应当考虑采用双绞线传输差分信号，相互差分的线使用同一对双绞线。一般应考虑采用屏蔽层，防止外部干扰；屏蔽层应连续并在一端可靠接地，不能两端同时接地避免形成环路。电磁环境恶劣的场所可以考虑双层屏蔽，并在两段各接地一个屏蔽层。

4.3 总线的阻抗测试和匹配

基于电缆的通信网络对阻抗匹配较为敏感，失配严重的由于存在较强的信号反射所以系统误码率和通信距离会显著下降，所以应当仔细测量通信系统的阻抗并配置匹配電阻。

4.4 内部通信单元的供电网络设计

内部通信单元一般是数字处理单元，需要的工作电压低；一般应在柜内设置统一的直流供电单元，为各IED单元提供工作电源，电源的输送通道也应避免引入干扰，降低供电回路阻抗，以避免出现较大的电压差。

5 结束语

本文主要分析了开关设备内部通信总线的实现方式，总结了设计和使用柜内总线的一般原则和方法。实际设计和调试柜内的通信总线系统有一定的规律和原则可以遵守，同时也对经验和技巧有一定要求。只有对所使用的通信总线从硬件实现、软件实现、信号定义等有充分的认识的基础上才能将总线系统调整到最佳或接近最佳的状态。通信总线系统的故障是导致电力控制、测量、诊断和监视系统功能失常的主要原因之一，应予以充分重视。

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