現(xiàn)場(chǎng)總線及其在調(diào)度自動(dòng)化中的應(yīng)用分析

1、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種互聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議。一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可以看成是由一個(gè)數(shù)字通信設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備組成的分布式系統(tǒng)。實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)總線就是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)智能化設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 網(wǎng)絡(luò)通信

為支持設(shè)備之間的信息傳送，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)定義了三個(gè)層次的通信體系，包括：

(1) 物理層定義信號(hào)如何發(fā)送;

(2) 數(shù)據(jù)鏈路層定義設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)如何被共享和調(diào)度;

(3) 應(yīng)用層定義報(bào)文的格式。

1.2 功能模塊

定義參數(shù)、算法和事件響應(yīng)三大要素的通用格式。

1.3 對(duì)象字典和設(shè)備描述

為了支持功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)定義了兩個(gè)工具——對(duì)象字典和設(shè)備描述語言，用于定義和描述應(yīng)用進(jìn)程的網(wǎng)絡(luò)可見對(duì)象。

1.4 網(wǎng)絡(luò)管理

現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為每一個(gè)設(shè)備定義了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)代理。網(wǎng)絡(luò)代理可提供組態(tài)管理、功能管理和差錯(cuò)管理的能力。

1.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理內(nèi)核完成以下功能：分配設(shè)備地址、功能模塊執(zhí)行的調(diào)度、時(shí)鐘同步等。

2、現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是三C(Computer、Control、Communication)技術(shù)從控制層發(fā)展到工藝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)如下：

2.1 全數(shù)字化通信

傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(DCS——Distributed Control System)是“半數(shù)字”系統(tǒng)，許多I/O模板接收或送出4～20 mA模擬信號(hào);而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS—Fieldbus Control System)是一個(gè)“純數(shù)字“系統(tǒng)，信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，提高了信號(hào)的可靠性、準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能。

2.2 可互操作性和互用性

可互操作是指實(shí)現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送和溝通，而互用性則意味著對(duì)不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換。

2.3 完全的分散性

DCS是一個(gè)“半分散式”系統(tǒng)，它是采用一個(gè)或多個(gè)“控制單元”對(duì)多回路進(jìn)行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每個(gè)控制板上又有多個(gè)回路。

現(xiàn)場(chǎng)總線則采用的是完全分散體系，它的控制單元全部分散到現(xiàn)場(chǎng)，控制回路由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)總線中又同時(shí)允許在控制室中用數(shù)字通信的方式進(jìn)行操作與調(diào)整。

3、現(xiàn)場(chǎng)總線在調(diào)度自動(dòng)化中的應(yīng)用

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)所需監(jiān)視和控制的信息量迅速增加。及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)急切關(guān)心的問題。調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)包括廠站端系統(tǒng)、調(diào)度端系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。

3.1 廠站端系統(tǒng)構(gòu)成

廠站端的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)由前端智能單元、工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信管理適配卡、專用Modem及相應(yīng)軟件組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 廠站端現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

前端智能單元一方面完成對(duì)各線路電流(A相、B相、C相)、電壓(A相、B相、C相電壓、AB相電壓、BC相電壓、CA相電壓)、三相/單相有功功率、三相/單相無功功率、三相/單相正有功電能、三相/單相負(fù)有功電能、三相/單相正無功電能、三相/單相負(fù)無功電能、三相/單相功率因數(shù)以及周波等電參量的測(cè)量;另一方面還要完成對(duì)各開關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)和控制。

前端智能單元采用Intel R80C196KC 16位系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括采集控制邏輯、模擬信號(hào)處理、開關(guān)量輸入輸出處理、通信處理、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及電源等部分。為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，所有數(shù)字邏輯的處理全部集成在單片高密度、超大規(guī)模的可編程邏輯陣列中。為了使前端智能單元能在惡劣的電磁環(huán)境下可靠工作，除了在電路設(shè)計(jì)、器件選擇、布線布局、屏蔽隔離等環(huán)節(jié)盡可能完善外，還應(yīng)隨時(shí)對(duì)前端智能單元的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保在意外故障發(fā)生時(shí)不誤操作和丟失數(shù)據(jù)。特別應(yīng)該指出的是，本系統(tǒng)的前端智能單元可安裝在戶外的端子箱內(nèi)(就在PT、CT下面)。

廠站端工控機(jī)用于顯示廠站電氣主接線及其運(yùn)行狀況、記錄各種數(shù)據(jù)、顯示各種曲線和圖表、異常或事故報(bào)警及打英信息轉(zhuǎn)發(fā)和接收。一般變電站只需要一臺(tái)工控機(jī)即可完成上述全部工作。在發(fā)電廠，根據(jù)監(jiān)視點(diǎn)的需要可增加工控機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)通信管理適配卡插在工控機(jī)的擴(kuò)展槽上，實(shí)現(xiàn)前端智能單元和工控機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)交換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理。

本系統(tǒng)中的Modem是電力系統(tǒng)的專用Modem，它完成變電站與調(diào)度端之間的數(shù)據(jù)通信，其數(shù)據(jù)傳送格式嚴(yán)格按照91CDT規(guī)約編制。

3.2 調(diào)度端系統(tǒng)構(gòu)成

調(diào)度端對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理，由工控機(jī)、調(diào)制解調(diào)設(shè)備、多路通信接口設(shè)備、大屏幕顯示器構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 調(diào)度端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3中，Modem接收來自載波機(jī)的調(diào)制信號(hào)，同時(shí)調(diào)度端發(fā)出的命令又可通過Modem調(diào)制后送到載波通道，然后送到廠站端。多路通信接口完成多路數(shù)字信號(hào)與廠站端工控機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

3.3 數(shù)字通信

廠站端與調(diào)度端之間的數(shù)據(jù)交換是通過數(shù)據(jù)通道傳送的。目前電力系統(tǒng)有載波通道、微波通道、光纖通道等。對(duì)于載波通道和微波通道，需要在通道兩端使用電力系統(tǒng)的專用調(diào)制解調(diào)器(Modem)。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn) ，同一通道兩端的Modem應(yīng)采用同一廠家同一型號(hào)的Modem。

4、基本現(xiàn)場(chǎng)總線的調(diào)度自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)

采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)電廠、變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)以及由此構(gòu)成的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，既可避免使用大量電纜將PT、CT二次側(cè)電參數(shù)傳送至中控室，又可減少線損造成的誤差，提高測(cè)量精度，還可取代中控室，使之節(jié)約占地面積與基建投資。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的變電站監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：[!--empirenews.page--]

(1) 前端智能單元可安裝于CT或PT端子箱內(nèi)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)就地處理，數(shù)字化傳送。

(2) 網(wǎng)絡(luò)由兩根雙絞線組網(wǎng)，故障率低，通信波特率高。

(3) 解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中CT、PT到中控室間的壓降問題，測(cè)量精度高。

(4) 抗干擾能力強(qiáng)，能在戶外惡劣條件下運(yùn)行。

(5) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，安裝、維修方便。

5、結(jié)束語

隨著電力網(wǎng)的不斷擴(kuò)大和計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的飛速發(fā)展，無人值班、少人值守變電站的模式已在全國(guó)電力系統(tǒng)內(nèi)推廣，特別是對(duì)城市和農(nóng)村電網(wǎng)的改造，可大量采取將電參量的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控與保護(hù)設(shè)備下放到戶外端子箱處(附近)的地方，無需再另建專門的控制室。將監(jiān)控與保護(hù)設(shè)備下放是電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，也是英美等發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)行模式。由于減少變電站的占地面積、節(jié)約基建投資和電纜費(fèi)用，將大大降低改造成本。另外，徹底屏棄長(zhǎng)距離測(cè)量信號(hào)電纜的直接結(jié)果就是測(cè)量精度、抗干擾能力和可靠性的明顯提高。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)必將廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)電廠和變電站中，而且與數(shù)據(jù)通道、調(diào)度端監(jiān)控系統(tǒng)一起構(gòu)成新一代調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。