現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其在電力自動(dòng)化中的應(yīng)用

霍彥生

【摘要】現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可算作如今自動(dòng)化領(lǐng)域的“當(dāng)紅炸子雞”。其技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛?，F(xiàn)如今，全球正處于科技大發(fā)展的時(shí)期，無(wú)論是計(jì)算機(jī)技術(shù)還是網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)都在迅猛的發(fā)展，這自然也引發(fā)了電力自動(dòng)化領(lǐng)域的大變革。隨著電網(wǎng)覆蓋面積的不斷加大，建設(shè)電網(wǎng)的設(shè)備也趨于復(fù)雜化。這也導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行提出了更高的要求，而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為一門剛剛興起的控制技術(shù)，在不久的將來一定會(huì)大范圍的取代過去的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于電力自動(dòng)化的生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；電力自動(dòng)化；應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)成型于八十年代末九十年代初的時(shí)候，因其主要在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用、并可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備之間進(jìn)行雙向數(shù)字通信的功能。因此，它也被稱為開放式數(shù)字化的控制控制技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，也就是FCS是更新發(fā)明的第五代用于進(jìn)行生產(chǎn)控制的系統(tǒng)。其作為最新一代的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（FCS）不但打破了過去傳統(tǒng)的DSC系統(tǒng)必須使用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限性，而且也在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了更新。（傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)采用的是集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CS則是采用了全分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)），它與傳統(tǒng)系統(tǒng)最大的區(qū)別就在于它將控制功能徹底的“交給了”生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。總的來說，這也是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)系統(tǒng)最為顯著的特征。

一、什么是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

如同人體的四肢骨骼一般，現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的“四肢骨骼、血液脈絡(luò)”就是由計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)信息等高新技術(shù)以及超大規(guī)模的集成電路、儀表、接線等等構(gòu)成。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其智能性進(jìn)化明顯。如今的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并不只是單單代表一條通訊線或者一種通信的標(biāo)準(zhǔn)模式了。它不論是從系統(tǒng)的精確度上來看還是從運(yùn)行的可靠性以及投入成本的經(jīng)濟(jì)性上來看，都要比之傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)“優(yōu)秀”許多，其擁有的主要特點(diǎn)如下。

（一）系統(tǒng)具有更加開放的特性

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是實(shí)行“閉關(guān)鎖國(guó)”政策的一種自我封閉的運(yùn)行模式。傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)如果要進(jìn)行對(duì)外的通訊一般只能通過工作站中的串口或并口來實(shí)現(xiàn)。而在新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中， 工作站可以同時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)等兩層網(wǎng)絡(luò)的通訊，通過局域網(wǎng)，F(xiàn)CS可以實(shí)現(xiàn)與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者是其他的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息上的傳遞和交換，以達(dá)到彼此資源共享的目的。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)所有人公開的，它并沒有在專利許可方面存在任何的要求。也就是說，它允許制造商或者用戶之間實(shí)行技術(shù)與資源上的共享。它也可以與任何不受專利權(quán)約束的其他系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互接。使用者還可以按照自己的實(shí)際需求以及所要控制的應(yīng)用對(duì)象，把來自不同生產(chǎn)廠家的不同規(guī)格的產(chǎn)品隨意組成成適合自己使用的控制系統(tǒng)。

（二）FCS在系統(tǒng)的可操作性與互用性也“技高一籌”

傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，不同生產(chǎn)廠商出品的DCS是不能相互進(jìn)行交換的，如果必須要對(duì)設(shè)備或者技術(shù)進(jìn)行更新的話，就只能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備或者技術(shù)進(jìn)行全面的更換。在這一點(diǎn)上，F(xiàn)CS控制系統(tǒng)則要方便人性化許多，它不但可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間、系統(tǒng)之間的信息交換，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多”的數(shù)字化通信交流。最為重要的是，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的相類似的可控設(shè)備也可以互相進(jìn)行互換，使得使用者在應(yīng)用該系統(tǒng)的過程中，省掉了很多不必要的麻煩。

（三）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了智能化

傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行一定要有操作站、控制站以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等三層結(jié)構(gòu)的互相配合，它的信號(hào)傳遞方式是利用模擬信號(hào)的單向傳遞來實(shí)現(xiàn)的。這樣的信號(hào)傳遞方式，不但導(dǎo)致信號(hào)會(huì)在傳遞的過程當(dāng)中產(chǎn)生非常大的誤差，而且總控系統(tǒng)也不能快速的判斷出故障來源，因而致使出現(xiàn)系統(tǒng)帶著故障繼續(xù)運(yùn)行的狀況發(fā)生。對(duì)于這個(gè)問題，F(xiàn)CS控制系統(tǒng)中因?yàn)槭褂昧吮容^先進(jìn)的雙向數(shù)字通訊的技術(shù)，它可以將各個(gè)控制功能與處理功能分散到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)的各個(gè)設(shè)備當(dāng)中來獨(dú)立進(jìn)行。所以，F(xiàn)CS控制系統(tǒng)可以依靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自身就能自動(dòng)完成簡(jiǎn)單故障處理與報(bào)備方面的基本功能，并可以對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行隨時(shí)隨地的診斷。

（四）控制系統(tǒng)將功能分散到了整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備當(dāng)中

FCS系統(tǒng)將一些基本的控制功能分散到了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身，這使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)一些控制方面的基本功能，這也表明現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，突破了從前傳統(tǒng)模式集中式的運(yùn)行模式，構(gòu)成了一種全新的分散性較高的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)以集散控制為主要控制手段的運(yùn)行模式，同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的繁復(fù)性進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使系統(tǒng)可以更加安全可靠的運(yùn)行。

（五）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)

作為電力自動(dòng)化工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的前端系統(tǒng)， 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也專門考慮到系統(tǒng)能否適應(yīng)不同工作環(huán)境而進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，它除了可以支持同軸電纜電力線等常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，同時(shí)也提高了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的抗干擾能力，以及為此增加了使用兩線制送電與通信的功能。還有最為主要的一點(diǎn)是，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)也滿足了本質(zhì)安全防爆的要求。

二、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力自動(dòng)化中的應(yīng)用意義

（一）實(shí)現(xiàn)了電力自動(dòng)化的數(shù)字通訊

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將各種需要傳送的信號(hào)轉(zhuǎn)化成了數(shù)字信號(hào)，然后采用數(shù)字通訊功能進(jìn)行信號(hào)的傳送，這不但避免了類似傳統(tǒng)系統(tǒng)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而帶著故障繼續(xù)運(yùn)行情況的發(fā)生，同時(shí)也更好的控制了第一季網(wǎng)路設(shè)備的運(yùn)行。加強(qiáng)了客戶端彼此的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了多站點(diǎn)之間的雙線通信，在提高了通訊速度的同時(shí)也保證了通信質(zhì)量。

（二）提高了電力自動(dòng)化的可維護(hù)性

基于現(xiàn)場(chǎng)總線在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用，減少了電力輸送設(shè)備之間的連接線的使用以及連接點(diǎn)的出現(xiàn)，這樣可以減小了因?yàn)槭褂么罅窟B接電線而導(dǎo)致電力不穩(wěn)定情況的出現(xiàn)頻率。當(dāng)系統(tǒng)的某點(diǎn)發(fā)生了故障，排查故障原因也可以相對(duì)簡(jiǎn)單方便一些。同時(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有在線故障診斷、報(bào)警、記錄等基本的自控功能，這從一定程度上來講也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

（三）極大的減少了在電力自動(dòng)化上面的投資

第一，在電力系統(tǒng)的布線、安裝以及維護(hù)方面，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)就可以為其節(jié)省大量的連線，并且在電力的傳送過程中也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的跟蹤以及回饋，從上述的幾點(diǎn)看來，相對(duì)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)來講，大幅度的減小了相關(guān)費(fèi)用的投入。第二，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的電力設(shè)備插件一定是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的，這對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)而言，在節(jié)省了大量插接口浪費(fèi)的同時(shí)，也免去了很多人力物力的損耗。使得電力系統(tǒng)的安裝工程簡(jiǎn)單不少。最后，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還有一個(gè)最強(qiáng)大的好處，就是其對(duì)于設(shè)備故障的診斷能力，從而使系統(tǒng)的維護(hù)也變得簡(jiǎn)單方便。

三、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力自動(dòng)化中的應(yīng)用

電力自動(dòng)化的主要特點(diǎn)就是被控制的設(shè)備龐大而且操作復(fù)雜，其具有很強(qiáng)的分散性，可是彼此之間的聯(lián)系又十分緊密，這就導(dǎo)致了因?yàn)楸豢刂频膮?shù)眾多而出現(xiàn)了干擾嚴(yán)重的問題。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)逐漸的融入到了電力自動(dòng)化的應(yīng)用當(dāng)中，其帶來的好處與作用也越來越明顯，并已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化的關(guān)鍵，不斷的向前發(fā)展。目前，已經(jīng)有很多相對(duì)來說比較成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)應(yīng)用在了電廠以及變電站的電力自動(dòng)化當(dāng)中。并且已經(jīng)獲得了非常良好的經(jīng)濟(jì)效益以及非常可觀的發(fā)展前景。

近幾十年來，我國(guó)各大電網(wǎng)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模的不斷發(fā)展壯大，35KV級(jí)別的輸電網(wǎng)已漸漸成為了電網(wǎng)應(yīng)用中的主流配置。但是由于我國(guó)35KV變電站建設(shè)的年代跨度較長(zhǎng)，其在電力自動(dòng)化方面的設(shè)施已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)如今生產(chǎn)工作方面的需求，運(yùn)行設(shè)備的落后和信息通道上的缺陷，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了電網(wǎng)的日常運(yùn)行以及在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)反應(yīng)速度以及解決力度。故此，為了我國(guó)電網(wǎng)可以更為安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)電力自動(dòng)化的設(shè)備以及技術(shù)進(jìn)行一次全面性的改造已經(jīng)是勢(shì)在必行。其中的35KV變電站中間隔層的通訊網(wǎng)絡(luò)將要求全部換成現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

以四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的“CSC2000綜合變電站自動(dòng)化系統(tǒng)”為代表，它是我國(guó)最先將LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用到電氣自動(dòng)化中的控制系統(tǒng)。四方公司不但率先將此技術(shù)應(yīng)用到了變電站的電力自動(dòng)化系統(tǒng)之中，同時(shí)也直接將其并入了間隔層的設(shè)備之中。因?yàn)長(zhǎng)onWorks具有更高效的可靠性能以及大容量、高速度的通信能力，所以它可以極大提高通信系統(tǒng)的信息接收能力與數(shù)據(jù)處理能力，而且它也可以完美的解決在進(jìn)行低速串口的通信采樣數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生的瓶頸問題。另一方面，LonWorks在抗干擾能力以及其抗震性能方面也是擁有不俗的表現(xiàn)，它不僅可以應(yīng)用于較大的溫度跨度，同時(shí)也適合在變電站比較惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。最重要的是，LonWorks的信號(hào)傳輸速率完全滿足現(xiàn)如今變電站電力自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)于信息傳遞方面的需求。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力自動(dòng)化當(dāng)中的應(yīng)用，其最為重要的一個(gè)方面就在于它對(duì)電力的分配以及調(diào)度上。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是通過電纜，來實(shí)現(xiàn)將電能參數(shù)傳送到主機(jī)當(dāng)中進(jìn)行控制，這樣的傳送不但降低了在傳送過程中測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。同時(shí)也導(dǎo)致了對(duì)其測(cè)量精度上的缺陷，并且這種監(jiān)測(cè)模式也需要人工不間斷的值守，嚴(yán)重造成了人工以及設(shè)備上的浪費(fèi)。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)則因?yàn)槠浔旧碜詭У腖onworks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以在設(shè)備監(jiān)測(cè)方面取得非常良好的效果。由于現(xiàn)如今，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還是存在多種標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，給使用者的選擇帶來了一定的困惑。符合現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品樣式、品種比較少，我國(guó)自主生產(chǎn)的相關(guān)設(shè)備就更是少之又少；而現(xiàn)在市場(chǎng)上支持現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的一些智能設(shè)備的價(jià)格又普遍偏高；在職的電力設(shè)計(jì)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)了解的又比較少等等。這些因素使得現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力自動(dòng)化方面的應(yīng)用進(jìn)程略顯緩慢。

四、總結(jié)

與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的用戶，可以相對(duì)比較自由的選擇不同制造廠商提供的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，并根據(jù)自身的需求進(jìn)行系統(tǒng)的組合。這有效避免了從前選擇了某一品牌的產(chǎn)品，就一定要全部使用其生產(chǎn)設(shè)備的情況發(fā)生，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也避免了系統(tǒng)在集成過程中不兼容的問題。通過上述的分析討論，我們可以看出現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及其在電力自動(dòng)化運(yùn)行中帶來的好處。與其在未來發(fā)展上的可觀前景。

參考文獻(xiàn)

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