變電站通信技術(shù)發(fā)展綜述

陳俊峰，方珍，潘盛貴

(貴州電網(wǎng)公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553000)

1 前言

現(xiàn)代變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)而集成的一個(gè)大系統(tǒng)，故而稱為“綜合自動(dòng)化”。它不僅包含當(dāng)?shù)睾笈_(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度、遙視等子系統(tǒng)，而且還包含站內(nèi)二次設(shè)備間的通信(103規(guī)約)、電能量采集通信(102規(guī)約)、遠(yuǎn)動(dòng)通信(問(wèn)答式101規(guī)約、問(wèn)答式104規(guī)約、循環(huán)式CDT規(guī)約)等。變電站的發(fā)展和電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)這幾者的發(fā)展密切相關(guān)，智能電網(wǎng)是目前大家公認(rèn)的發(fā)展方向;變電站發(fā)展是這個(gè)方向的前提條件;電力電子是這個(gè)方向的硬件基礎(chǔ);計(jì)算機(jī)是這個(gè)大方向的框架;通信技術(shù)則是這個(gè)目標(biāo)的核心紐帶，無(wú)論變電站怎么發(fā)展，都離不開(kāi)這個(gè)紐帶。考慮到這個(gè)因素，本文從內(nèi)部通信、外部通信技術(shù)這兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)變電站進(jìn)行分析，希望這樣論述更具體些。文中的內(nèi)部通信技術(shù)主要是指站內(nèi)設(shè)備至當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái)的通信技術(shù)——后臺(tái)監(jiān)控通信技術(shù);外部通信技術(shù)主要指變電站至調(diào)度端的通信技術(shù)——遠(yuǎn)動(dòng)通信技術(shù)。

從時(shí)間上來(lái)看，變電站的通信技術(shù)大體可分為早期、中期、現(xiàn)代三個(gè)階段。

2 早期的變電站內(nèi)部通信技術(shù)和外部通信技術(shù)

2.1 早期的變電站內(nèi)部通信技術(shù)

早期變電站內(nèi)部通信技術(shù)(站內(nèi)設(shè)備至當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái))主要是串行通信。串行通信，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是在一條1位寬的傳輸線上，將數(shù)據(jù)一位接一位傳送出去。如此計(jì)算，單是一個(gè)字節(jié)Byte，它的數(shù)據(jù)就要分8次進(jìn)行傳輸。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)傳輸效率及其低下，當(dāng)然，不可否認(rèn)的是，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度上講，成本也低，這和當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件有關(guān)。當(dāng)時(shí)的變電站常用的物理接口標(biāo)準(zhǔn)有Rs－232、Rs－422和Rs－485，通信方式是通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的主從方式進(jìn)行的，通信方式非常簡(jiǎn)單，在變電站遙控(嚴(yán)格講，還談不上遙控，只能說(shuō)是人工現(xiàn)場(chǎng)“控制”)方面，如需操作，需在老式的控制屏、控制面板方能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的操作與控制，操作不便利;遙測(cè)方面，是采用指針型測(cè)量?jī)x器儀表，其二次回路錯(cuò)綜復(fù)雜，很多工作必須由值班員人工操作去完成，維護(hù)起來(lái)也不方便，那時(shí)的遙測(cè)就是現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)?！氨O(jiān)控系統(tǒng)”這個(gè)概念在當(dāng)時(shí)是沒(méi)有的，變電站的設(shè)計(jì)思想主要是面向“功能設(shè)計(jì)”的思想。

2.2 早期的變電站外部通信技術(shù)

早期的遠(yuǎn)動(dòng)通信技術(shù)(變電站至調(diào)度端的通信)大致經(jīng)歷了這么個(gè)過(guò)程:電子管時(shí)代→晶體管時(shí)代→集成電路時(shí)代。我國(guó)最早的遠(yuǎn)動(dòng)通信技術(shù)是五六十年代，當(dāng)時(shí)是通過(guò)電子管電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。遙控和遙信是通過(guò)繼電器邏輯電路實(shí)現(xiàn)，這時(shí)期的遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)一個(gè)顯著特征就是:遠(yuǎn)動(dòng)產(chǎn)品都是基于電子管技術(shù)制造的。這些產(chǎn)品雖然落后并已經(jīng)淘汰，但是，它們?yōu)楫?dāng)時(shí)的電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。70年代，隨著晶體管的出現(xiàn)，遠(yuǎn)動(dòng)產(chǎn)品充分利用了晶體管技術(shù)，先是鍺管，后來(lái)是硅管。80年代，遠(yuǎn)動(dòng)通信開(kāi)始使用集成技術(shù)，最初采用PMOS、NMOS技術(shù)，后來(lái)采用CMOS技術(shù)，這時(shí)期的變電站與地調(diào)之間，地調(diào)與省調(diào)之間的通信主要以電力線載波進(jìn)行通信，大部分遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備只完成遙測(cè)與遙信功能，還沒(méi)有達(dá)到四遙功能。其設(shè)計(jì)理念是面向全站，而不是面向元件或者間隔，因此都采用集中組屏方式進(jìn)行變電站設(shè)計(jì)。

3 中期的變電站內(nèi)部通信技術(shù)和外部通信技術(shù)

3.1 中期的變電站內(nèi)部通信技術(shù)

進(jìn)入80年代以來(lái)，特別是90年代，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的迅速發(fā)展，變電站內(nèi)部通信也充分利用了這一先進(jìn)技術(shù)，由串行通信技術(shù)轉(zhuǎn)向現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是基于3C技術(shù):computer(計(jì)算機(jī))技術(shù)、communication(通信)技術(shù)、control(控制)技術(shù)的大集成。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)與二次保護(hù)、測(cè)量設(shè)備可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信號(hào)的雙向傳輸、交互。變電站與其他工作環(huán)境最大的區(qū)別就是它是強(qiáng)磁場(chǎng)，環(huán)境惡劣，電磁干擾很大，信號(hào)易受影響。而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)正好解決了這個(gè)問(wèn)題，信號(hào)傳輸抗干擾強(qiáng)。而且，現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放性比較好，各個(gè)廠家的設(shè)備通過(guò)通信管理機(jī)(規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置)后都可以在其網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)，操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。于是，在很短時(shí)間內(nèi)就取代了大部分串行技術(shù)，變成了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的主流通信技術(shù);同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線也使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)發(fā)生了歷史性、革命性的變化，它具備了變電站網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方向的雛形，為變電站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化打下基礎(chǔ)。

3.2 中期的變電站外部通信技術(shù)

20世紀(jì)80～90年代，由于微處理器芯片(CPU)和大規(guī)模集成電路技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，變電站外部通信技術(shù)——遠(yuǎn)動(dòng)通信技術(shù)發(fā)生了很大變化，出現(xiàn)了SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，廣義的SCADA系統(tǒng)不僅包括廠站端遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)和設(shè)備，也包括調(diào)度主站端的自動(dòng)化系統(tǒng)。這時(shí)期的外部通信技術(shù)在傳輸速率方面、傳輸正確性、可靠性方面、實(shí)時(shí)性方面得到很大提高和發(fā)展。很明顯，中期外部通信技術(shù)有最大特征就是:以微處理芯片CPU(8/16/32位)發(fā)展為基礎(chǔ)、以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)。這個(gè)時(shí)期的設(shè)計(jì)理念仍然面向全廠或全站。與調(diào)度中心或遠(yuǎn)方控制中心之間的通信方式除了電力線載波之外還有微波等其它方式;遠(yuǎn)動(dòng)方面完全實(shí)現(xiàn)了四遙:遙控、遙調(diào)、遙信、遙測(cè)。

4 現(xiàn)代的變電站內(nèi)部通信技術(shù)和外部通信技術(shù)

4.1 現(xiàn)代的變電站內(nèi)部通信技術(shù)

1973年，施樂(lè)(xerox)公司發(fā)明了分組交換局域網(wǎng)技術(shù)，控制訪問(wèn)技術(shù)采用競(jìng)爭(zhēng)總線方式，這是局域網(wǎng)發(fā)展的開(kāi)端。可以說(shuō)，1998年，隨著IEEE 802委員會(huì)成立，標(biāo)志著工業(yè)以太網(wǎng)的誕生。變電站的內(nèi)部通信也逐步由現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)轉(zhuǎn)向工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)以其優(yōu)越的實(shí)時(shí)性、開(kāi)放性、組網(wǎng)的靈活性、通信媒介普及程度高等優(yōu)勢(shì)，能成為網(wǎng)絡(luò)連接的首選，并已大量使用于變電站綜合自動(dòng)化領(lǐng)域?，F(xiàn)在，變電站內(nèi)保護(hù)、測(cè)量、控制、計(jì)量等設(shè)備都接入交換機(jī)，后臺(tái)監(jiān)控由交換機(jī)讀取站內(nèi)設(shè)備信息，設(shè)備的信息通過(guò)以太網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)共享，而當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)控對(duì)設(shè)備的控制已實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化”。實(shí)時(shí)性、開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)控制是其特征。毫無(wú)疑問(wèn)，現(xiàn)在的變電站內(nèi)部通信技術(shù)的一個(gè)主要技術(shù)標(biāo)志就是:工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

4.2 現(xiàn)在的變電站外部通信技術(shù)

21世紀(jì)初，由于光纖通信技術(shù)、半導(dǎo)體芯片技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，變電站外部通信技術(shù)也已從早期、中期發(fā)展到現(xiàn)在比較綜合、完整的自動(dòng)化系統(tǒng)。廠站與主站的外部通信主要采用光纖進(jìn)行通信?，F(xiàn)在，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)將大量智能設(shè)備諸如保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、自動(dòng)裝置、計(jì)量裝置、電源、五防等各種設(shè)備和子系統(tǒng)納入一個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中。如此多的信號(hào)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速傳播，光纖通信方式正是最好的選擇。光纖傳輸信息量大，可遠(yuǎn)距離傳輸，且光纖采用絕緣體材料，信號(hào)傳輸過(guò)程不易受干擾。在設(shè)計(jì)思想方面，現(xiàn)在的思想主要是分層設(shè)計(jì)的思想?，F(xiàn)在變電站的分層分布結(jié)構(gòu)正好體現(xiàn)了思想。當(dāng)然，仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，有的學(xué)者把變電站分為兩層，即站控(變電站)層和間隔層，而有的學(xué)者則把變電站分為三層，即站控(變電站)層和間隔層及過(guò)程層，無(wú)論分為幾層，都說(shuō)明了現(xiàn)在的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不同以往的集中思想。當(dāng)然，在分層的思想中也有集中思想的體現(xiàn)，但這個(gè)集中的思想是對(duì)某一層這個(gè)面而言的。這時(shí)期的外部通信技術(shù)主要以光纖通信為主，光纖通信是其最大特點(diǎn)，而如何完善光纖通信技術(shù)也必將是以后研究的重點(diǎn)。

5 展望

現(xiàn)在，業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者認(rèn)為，智能電網(wǎng)是將來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向。智能電網(wǎng)有幾個(gè)特點(diǎn)，那就是一次設(shè)備高度智能化，二次信息共享網(wǎng)絡(luò)化，整個(gè)電力系統(tǒng)可靠，經(jīng)濟(jì)，科技。由此可見(jiàn)，變電站在經(jīng)歷一個(gè)傳統(tǒng)變電站→數(shù)字化變電站→智能變電站的轉(zhuǎn)變。目前的數(shù)字化變電站只是將來(lái)智能變電站的一個(gè)過(guò)渡，而將來(lái)的智能變電站的通信技術(shù)應(yīng)該是基于先進(jìn)傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的一種新型“網(wǎng)控”技術(shù)。目前來(lái)看，傳感器技術(shù)是難點(diǎn)和重點(diǎn)。傳感器技術(shù)提高后，無(wú)需現(xiàn)在的智能終端與合并單元就能實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備信號(hào)的數(shù)字化，使變電站內(nèi)部通信更快、更準(zhǔn)確。智能變電站還需要解決的關(guān)鍵技術(shù)還有很多，比如怎樣解決大量數(shù)據(jù)上傳導(dǎo)致的數(shù)據(jù)風(fēng)暴問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)光電傳感器的精準(zhǔn)測(cè)控與傳輸?shù)?，這些問(wèn)題都與通信技術(shù)的發(fā)展相關(guān)，所以，將來(lái)通信技術(shù)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)將是光電傳感器通信技術(shù)方面，而交換機(jī)通信技術(shù)現(xiàn)在雖然已經(jīng)比較普及，但是，在變電站應(yīng)用的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題還比較多，VLAN的劃分如何更安全、可靠，以及如何提高變電站的信息安全等，這些問(wèn)題的解決必然要在通信技術(shù)提高的基礎(chǔ)上才能得以實(shí)現(xiàn)。

［1］潘新民.計(jì)算機(jī)通信技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

［3］錢遠(yuǎn)濤，王進(jìn)宏.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.