现场总线技术在电力自动化中的应用研究

　　文章摘要：本文首先介绍了现场总线和电力自动化的相关理论知识，然后论证了现场总线技术在电力自动化应用中的发展趋势及可操作性，并进一步举例说明了现场总线技术在自动化中的应用情况。
　　关键词：现场总线，电力自动化，应用
　　
　　引言
　　现场总线（fieldbus）是80年代末、90年代初国际上形成的、用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
　　现场总线系统FCS被称为第五代控制系统，人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，它突破了DSC系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
　　
　　一、电力自动化概述
　　
　　随着电力自动化技术的发展，特别是综合自动化技术的发展，简化电力自动化系统的设计、大量减少施工改造的工作量、减少自动化设备屏柜数量等已成为设计的发展方向。结合这一趋势及自动化设备水平可靠性的提高，以单位间隔为对象，分布式设计，分散安装的电力自动化系统应运而生。其特点是将控制模块直接安装在现场开关柜，如图1所示。
　　
　　图1：分散安装的电力自动化系统图
　　
　　
　　该系统将控制∞模块安装在现场间隔，与传统集中组屏RTU方式相比，大量节约了二次信号电缆及组屏工作，大大减少中控室的面积和工程的工作量，特别适合于用地紧张的城内变电站及旧站改造。从这类电力自动化的要求出发，面向对象的监控模块应当具备以下几点：
　　(1)对“遥测”的处理是交流采样的，在开关柜上安装电量变送器是不现实的。
　　(2)本身带有遥信接点并具SOE功能。
　　(3)具有l——3个对象的遥控输出接点，以完成对一个对象l(线路)的控制。
　　(4)模块的工作电压可直接采用DC220V，以方便在开关柜中选用电源。
　　(5)模块应具有很好的可靠性和高抗干扰性。
　　(6)模块之间具备数据通信功能。
　　
　　从目前国内外厂家生产的电站自动化产品看，大部分厂家的产品随着电子元件质量及工艺的提高，一般都具备了分散式安装的功能，目前电力自动化工作中也有许多成功的运行经验，然而对于目前大部分面向对象的系统，绝大部分的模块之间的数据通信为RS-422或RS-485，个别的甚至是KS——232，这就带来了一个突出的问题：不同厂家的产品有不同的通信规约，甚至采用同种国际标准通信规约的不同厂家的产品由于对规约的理解不一致也无法接通。因此，随着面向对象分布式设计、分散式安装的日益推广，符合标准的、无需各产品厂家自行开发的公共数据传输平台已成为众多厂家及用户的要求。随着计算机网络技术的发展及在工业控制领域的应用，现场总线技术也就应运而生了。
　　
　　二、现场总线技术应用于电力系统自动化的发展趋势
　　
　　2.1现场总线技术原理
　　
　　总的来说，现场总线技术主要可分为三级网络连接四个层次，三级网络分别负担各自的信息传递任务。第一级网络主要是将电机启动器、变频器、红外水分仪等直接接入PROFIBUS-DP网；第二级网络主要是通过数字量传感来执行简单的设备操作，如光电开关、接近开关、行程开关、电磁阀等，这些设备的控制主要是通过现场I/O接入PROFIBUS-DP网。第三级网络链接客户端和信息监控，主要是将监控服务器、现场监控机、PLC、独立主机控制段的PLC接入工业以太网；监控服务器、中央监控机、数据库服器和客户机接入Internet网。
　　图2：现场总线工作原理图
　　
　　
　　
　　2.2现场总线技术应用于电力系统自动化的发展趋势
　　
　　随着社会的进步和发展，电力系统自动化得到推广和应用，现场总线技由于其自身的系统特点和优势，必然将广泛应用于电力系统自动化中。一方面，现场总线技术的网络化和分散化，可以使电力系统自动化实现多连线，并且模拟电压、电流信号进行测量、控制，实现了电力设备之间以及与外界的信息交换，使电力自动化系统实现“信息交流”。另一方面，现场总线技术可以将计算机和微处理设备应用于电力系统，实现电力系统的系统集成、信息集成，实现综合自动化以及电力自动化设备之间的多点数字通信。同时，现场总线技术可以有效实现底层电力设备之间以及与外界电力设备的信息交换等。
　　
　　三、现场总线技术应用于电力系统自动化的可操作性
　　
　　3.1现场总线技术应用于发电系统
　　
　　主要是指火力发电方面，在火力发电机的热工自动化设备上实施总线技术，通过总线技术系统来控制发电机设备的安全运作，减少人工操作和减轻劳动迁都。总线系统通过对发电机的热能数据的监控和记录，将这些数据传送至上层控制端，控制端将对设备的控制程序转化成数字信号，从而达到基层设备的自动化运作。此外，当发电设备出现意外故障和特殊信号时，总线技术控制系统在识别了这些信号时会自动发出关闭指令，减少事故发生概率。最优控制、预测控制、非线性控制、自适应控制等先进的控制策略以及模糊控制、神经网络控制等智能控制应用到火电厂是一个发展趋势，而现场总线技术的不断完善则为先进的控制手段的实现提供了一个网络环境和载体。
　　
　　3.2电力参数监控方面
　　
　　目前，火电厂中主控系统为分散控制系统（DCS）。这一系统主要是根据电力设备的时机情况和生产要求，在底层设备的布线过程中将设备的传送和运行于DCS系统相集成，目前已经在某些大型的火力发电厂运用到这一技术，这一技术的运用可以使得DCS系统对电力设备的各种数据和信号进行识别和判定，实现全数字、分层次的监控，减轻操作人员的负担。同时，现场总线技术与DCS系统体系的集成方便了使用者的末端操作，火电厂可以通过DCS系统来选择线路传达操作信号，启动和调用最优化和最合理化的基础设别实现操作目的，为企业的生产经营创造最佳效益。电力参数监控方面，对电力参数的监控主要是通过设置电参数检测基站实现的。电参数检测基站以自动远程抄表技术为核心，以现场总线技术为载体，集电测技术、通信技术、用电管理技术于一体，实现对电力信号的测量、控制、转换、传送，进而达到对电能信号的管理功能，及时、高效地反馈电力在传送过程中遇到的特殊和意外情况，有利于使用者获取电力参数和使用效率，从根本上克服了传统抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的气象，进而实现对电能的有效管理。
　　
　　3.3电力输送方面
　　
　　现场总线技术应用与电力系统，在对电力输送方面实施监控，主要是由CAN总线、上位机和基于80C196KC的监控单元组成，结合高精度测量电路和10位A/D转换器实现了电机运行参数的在线测量。通过设置电机额定运行参数和更换外接互感器的方法使本系统适用于任何电压、电流等级的交流电机，系统可以采用特定的保护算法实时地对单电机进行各种保护，同时还可以根据连锁控制算法实现一台或几台电机的起动控制、保护停机。
　　
　　
　　四、现场总线在电力自动化中的应用
　　
　　近年来，随着电力生产规模的扩大发展，35kV级输电网已成为主要的输配电网架，各级35kV变电站也成为各矿井生产供配电的枢纽环节。由于35kV变电站的建设跨年代较长，自动化装备已远远不能满足技术管理的需求，装备落后，信息通道不完整，将严重地影响到电力网的安全运行和对突发事件的快速反应与决策。下面是对某35kV变电站电力自动化进行的一次改造，其中35kV变电站的间隔层通讯网络全部采用现场总线技术。该公司的CSC2000综合变电站自动化系统是国内率先采用Lonworks现场总线的系统，并在国际上率先将LonWorks现场总线技术应用于变电站综合自动化系统，并将基于微处理器的间隔层设备直接并入Lonworks现场总线，以其高可靠的性能和大容量高速度的通信能力，大大提高了通信系统的信息吞吐和数据处理能力，从而解决了应用低速串口通信采样数据时经常产生的瓶颈现象。Lonworks现场总线网络具有很强的抗干扰、抗震动性，适用于较大的温度范围，适合于变电站较恶劣的工业环境。其传输速率已远远满足变电站综合自动化系统对信息传输速度的要求。站内网络通讯采用以太网与Lonworks现场总线相结合的形式。如图3所示，站控层采用以太网，间隔层采用LonWorks现场总线，信息通过间隔层的测控单元上传到主干网上。这种方案实际上将嵌入式以太网与LonWorks现场总线技术相结合，可发挥各自的优势。
　　图3：35KV变电站通讯网络
　　
　　1.后台机；2.工程师站；3.远动机；4．测控单元；5.测控装；6.110M以太监控网；6.210M以太监控网；6.310M以太录波网
　　
　　
　　该系统中测控单元是核心与关踺所在，它的原理如图4所示，CPU选用了32位单片机，CPU部分采用了嵌入式软件设计，利用实时多任务操作系统及TCP／IP模块，完成以太网的通讯与测控任务，其中Neuron芯片作为CPU的通讯处理器完成LonWorks络的通讯任务，利用它就町与保护装置通讯。测控单元以LonWorks网与该公司自己制造的保护装置相连，可用RS485、RS232与其他厂家制造的保护装置相连。
　　
　　图4：测控单元原理简图
　　
　　
　　
　　现场总线技术也开始被广泛的应用于生产过程中。据笔者所知，目前很多知名的面粉企业都采用基于PC、PLC产品的分布式控制系统（DCS），其主要特点之一是现场设备与控制器之间的连接是一对一的连接方式，其传递信号为4—20mA（模拟量）或24VDC（开关量），使设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之间很难进行信息交流，在一定程度上成为“信息孤岛”。随着现场总线技术的发展，总线技术的特点和优越性越来越明显，采用WAGO现场总线的产品进行面粉生产过程的自动控制必将对面粉生产过程的控制系统产生巨大飞跃。
　　
　　
　　五、现场总线技术较传统DCS系统的优势
　　
　　采用现场总线方式后与传统的DCS系统相比有以下明显的好处：
　　（1）节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。
　　（2）肯省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60％以上。
　　（3）节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。
　　（4）用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
　　（5）提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。
　　
　　六、结束语
　　
　　现场总线在电厂、变电站和电力系统中有非常广阔的应用前景，特别是在新建项目中能在可靠性、高精度、经济性等诸多方面获得最大的效益。电力系统历来是自动化程度最高的生产部门，在国内外现场总线厂家和设计研究部门的共同努力下，基于现场总线的控制系统必将分系统、分阶段地逐步取代现有的分散式控制系统，在未来定将成为我国电力系统自动化的主导设备。
　　
　　参考文献
　　
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　　【3】斯可克．现场总线的现状与发展[M]．自动化博览，2000(4)．
　　【4】李志梅.浅谈现场总线技术的应用[J].科技咨询，2011(2).
　　【3】曹光华.现场总线技术及在电力系统中的应用[M].安徽电力工程技术学院学报，2004(3).

《现场总线技术在电力自动化中的应用研究》

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