電力電子系統在風能電網中的應用與發展前景

從變電站自動化系統對站內通信網的要求入手，分析了設計站內局域網的思路， 總結了網絡通信技術在SAS中的實際應用情況，探討了站內通信網的發展方向。
【關鍵詞】變電站自動化 網絡通信 局域網 以太網
0 引 言
　　現代的變電站自動化是在計算機技術和網絡通信技術的基礎上發展起來的。我國的變電站自動化從九十年代開始，由最初的集中式發展到目前的分層分布式，在其十多年的發展歷程中，網絡通信技術的進步對變電站自動化的發展起著極大的推動作用。
　　IEC61850對變電站自動化系統(SAS)的定義是：在變電站內提供包括通信基礎設施在內的自動化。可見站內通信網是變電站自動化系統的重要組成部分，它不僅在站內提供各種智能電子設備(IED)之間的互聯，而且作為調度自動化系統的子系統，通過網關，對上承擔遠動功能，地位之重要是不言而喻的。
　1 SAS對站內通信網的要求
　1997年國際大電網會議(CIGRE)WG34.03工作組在《變電站內數據流通信要求》中將SAS完成的功能分為七組:
　(1) 遠動功能 　　　　　(2) 自動控制功能
　(3) 測量表計功能 　　　(4) 繼電保護功能
　(5) 與繼電保護有關功能 (6) 接口功能
　(7) 系統功能
　上述各組功能對通信均有各自不同的要求，但是我們不難將其歸納總結為:
　　1.1 可靠性: 由于電力生產的連續性和重要性，站內通信網的可靠性是第一位的，應避免一個裝置損壞而導致站內通信中斷。雖然目前繼電保護的動作不依賴于通信網，但并不能降低對其可靠性的要求，隨著無人值班技術發展，作為承擔“四遙”功能的核心環節，我們會更加依賴于站內通信網，因此，一個可靠的通信網是首要條件。
　　1.2 開放性: 站內通信網作為調度自動化的一個子系統，除了保證站內IED設備互連、便于擴展外，它還應服從電網調度自動化的總體設計，硬件接口應滿足國際標準，選用符合國際標準的通信協議，方便用戶的系統集成。
　　1.3實時性: 因測控數據、保護信號、遙控命令等都要求實時傳輸，雖然正常工作時，站內數據流量不太大，但出現故障時要傳送大量數據，要求信息在站內通信網內快捷傳輸。
只有滿足以上要求，才是理想的站內通訊網絡。局域網由于具有在有限范圍內通信速度快，可靠性高，誤碼率低，且網絡中的節點增加、刪除比較容易等優點，被成功地引入到SAS中。
　2 站內局域網的設計思路
　局域網(LAN)是微型計算機在有限(局部)地區內共享信息和資源的系統，其范圍一般在1.5公里范圍內。針對變電站的具體運行環境和要求，設計局域網時應考慮以下幾個方面:
　　2.1 網絡拓樸結構: 即網絡中各節點相互連接的方法和形式。最基本的拓樸結構有星形網、環形網、總線網等。星形網因其每一節點都是通過連接線與中心節點相連，中心節點成了可靠性的瓶頸，用于早期的集中式或小型變電站的SAS中; 環形網是通過一條首尾相連的通信線路將各節點串聯起來，雖網絡中每個節點地位平等，但信息須經許多節點轉發，任一節點損壞會引起斷環，此種方式亦不大采用，而總線網是將網絡各節點和一根總線相連，每一節點都可以和其它接點直接通信，消除了瓶頸現象，可靠性較高，成為當前站內通信網的首選。
基本網絡拓樸結構可以相互組合成各種復雜的局域網。
　　2.2 通信規約: 有主從輪詢(polling)方式，令牌傳遞方式(token passing)和載波監聽多路訪問/沖撞檢測(CSMA/CD)方式。
主－從網絡一般運行polling規約，總線型網絡規約主要采用的有令牌傳遞和 CSMA/CD方式。令牌傳遞的形式是邏輯環，即在總線上增加一個令牌在各個節點間循環。一個節點只有在收到了令牌后方能發送數據。若這個節點不需要發送，令牌會自動轉向下一個節點。因采用此方式要使用很多模擬部件，管理復雜，節點增減不靈活，造價高，應用并不廣泛。CSMA/CD是一種競爭性規約，各節點要發送信息時，先偵聽總線是否空閑，若空閑，則發信，若網絡忙，則等待后再偵聽發送，直至發送成功。這種方式當網絡中節點少時，傳輸速度較快，但當節點超過一定數量時，網絡傳輸數據量增大，碰撞幾率增加，影響傳輸的實時性。可輔以優先級設置，讓重要信息能搶先發送，它具有很高的靈活性，通信效率也很高。
　　2.3 通信媒介: 不論網絡拓樸為何結構，網絡的速度很大程度上取決于所選用的通信介質。常用的有同軸電纜、雙絞線、光纖等。A、同軸電纜由內芯和外管構成，電磁波在外管與內芯之間傳播，與外界隔絕，因而無發射損耗，較少受外界干擾影響，具有很好的傳輸質量和可靠性，衰耗少，傳輸帶寬較大，但其成本不低。實際應用的主要是同軸細纜。B、雙絞線為兩根直徑各為0.511m2的銅線，經絕緣等工藝處理后，絞合而成。通常將多對雙絞線形成纜，其抗干擾能力稍差，但可以在接口處加隔離變壓器，抑制共模干擾。由于其造價低，在低電壓等級變電站的SAS中常采用。C、光纖: 它用特種玻璃纖維構成介質波導，光波沿玻璃絲傳播，由于各層的介電系數不同，傳播時光波基本不外漏。其優點是損耗小、頻帶寬、傳輸速率高、誤碼性能好，是現代通信中最有前途的傳輸手段之一，但其造價較高，不便于支接，安裝、維護較為復雜，多用于高電壓等級SAS中，隨著光纖技術的發展，其以后的應用會越來越廣泛。
　　以上三種介質可在同一網絡中混合使用。
　3 局域網通信技術在SAS中的實際應用
　從變電站自動化系統發展過程來看，其通信技術的發展大致可分為兩個階段:
　　3.1 串口、并口等通訊方式(RS232C、RS422、RS485總線等)
　　此種方式應用于早期SAS產品中，大多數為主－從結構，加之其傳輸速率較低，可靠性較差，限制了它的應用。特別對于大型變電站，站內功能節點較多的情況下，信息實時性將受到很大的影響。局域網技術的發展解決了這些問題。
　　3.2 局域網通訊方式(LON、CAN、FF、Ether等)
　　局域網按其拓撲結構可分為主－從網和對等網兩種。主－從網易形成瓶頸，而從理論上講，變電站內通信網上的任一節點的重要性和地位都是平等的，故一般采用平等式(pear to pear)網絡。
　　國際上90年代推出了一種更適合于采集、控制等工業環境，面向對象的具有很高性能價格比現場總線(Field Bus)局域網絡技術。它有許多衍生品種。一般采用平等式網絡，結構上遵循ISO/OSI協議設計，有傳輸速率高、抗干擾能力強等優點，成為目前國內SAS中的主流通信技術。基于現場總線的SAS的典型結構示意如圖1所示:

　　四方公司生產的CSC2000就是采用了LonWork網絡技術，形成實時可靠的站內局域網。但是，現場總線畢竟是專為小數據量工業領域的通信而設計的廉價網絡，它只適合于字節傳輸，而不適合于文件傳輸，且通信節點超過一定數量時，響應速率會迅速下降。為彌補現場總線技術的不足，一種可行的方法是采用復合網。在110kV及以上變電站中，通常將網絡分為兩層，在下位網(間隔層)采用現場總線，上位網(站控層)采用以太網方式，上位網與下位網通過前置機互聯。以太網的應用為SAS開辟了新的發展空間。
　　以太網的帶寬高達10Mbps以上，網絡十分健壯，現已有廠家開發出全以太網的SAS，如國電南自的PS-6000變電站自動化系統采用10M/100M以太網來架構通信網絡，IED設備直接通過以太網接口與以太網相連。使用開放式的TCP/IP協議，可方便地與廣域網相連。與復合網方案相比，省去了異種網絡接口設備，減小了維護工作量，簡化了系統。
　　　　　　　表1給出了幾種目前SAS中常用的網絡形式的對照比較:

　在特別重要和大型的變電站中，還可以采用網絡分段或雙網配置來提高可靠性。
　4 網絡通信技術在SAS中的應用前景
　　4.1 伴隨著變電站自動化功能的開發，如遙視警戒功能、開關實時狀態監測、火災報警及消防聯動等功能。需要傳送視頻信號，運行更加復雜的數據庫。站內局域網必將向寬帶化的方向發展，多媒體通信技術也將進入到SAS中。快速以太網在帶寬、可擴性、可靠性、經濟性、通用性等方面具有明顯優勢，其應用會更加廣泛。異步傳輸模式(ATM)是基于信元的傳輸技術，可以提供高達1.2Gbps的傳輸速率，能提供局域網與廣域網之間的無縫接口，這種技術會受到重視。
　　4.2 目前，SAS中的繼電保護功能相對獨立，完全依賴于站內通信網。從理論上講，只要站內通信網的可靠性、實時性滿足要求，繼電保護功能也可以通過站內通信網來完成。可以設想如果母線保護通過通信網采集信息和傳送命令，SAS的分布式結構會變得非常理想。
　5 結論
　變電站自動化發展到目前的階段，雖然達到了一定的水平，但它仍處于一個高速發展的時期，產品難以定型。因此無論是生產廠家還是運行單位,在設計和選擇SAS產品時，應根據變電站的規模、地位和投資情況綜合考慮。
　　5.1 對于變電站自動化系統，站內宜采用局域網方式通信。其中總線網是首選，如:LON、CAN、Ether等是目前的主流，快速以太網前景最為看好。
　　5.2 對于傳輸介質應針對不同的電壓等級，結合具體的應用環境進行選擇使用，力爭取得較高的性能價格比。對于電磁干擾比較強的場所宜選用光纖。
　　5.3 SAS生產廠家較多，產品更是復雜，但其SAS的通信網絡必須滿足開放性要求，貫徹IEC60870的標準，支持TCP/IP協議，使自己的產品與其它計算機系統方便地完成通信與數據交換。
　　現代網絡通信技術正朝著數字化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發展。它將引領著變電站自動化系統向更高的層次邁進。

參 考 文 獻
1.Neil Jenkins & Stan Schatt著.計算機局域解析.孫義等譯.機械工業出版社，1997
2.孫旭影等.計算機網絡實用技術.電子工業出版社，2000
3.金午橋.變電站自動化系統的發展策略.電力自動化產品信息，2001，20(1)
4.PS6000變電站自動化系統技術說明書.國電南京自動化股份有限公司