摘要：随着智能化开关、光电式互感器等机电一体化装备的泛起和运用，变电站自动化的技术进进数字化的新时代。在分析数字化变电站自动化系统的特征、结构根蒂根基上，提出了运用嵌进式以太网作为内部通讯网络的实施方案，并对以太网在变电站自动化系统中运用模式和传输模式进行了分析研究。

1　引言
　　变电站自动化系统是在计较机技术和网络通讯技术根蒂根基上成长起来的。它改变了传统的二次装备的组态模式，提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电的靠得住性，下降了变电站的总造价，是以近几年在电力系统中被普遍运用。随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行装备在线状态检测及自诊断、变电站运行操作培训仿真等技术日益成熟，一些传感器和控制器基于新的物理丈原理为一次装备增添了新的功能，提高了丈精度，下降了电流电压动态丈范围的误差。这些新技术的普遍运用，势必对已有的变电站自动化技术发生深入的影响，全数字化的变电站自动化系统行将泛起^［1］。
　　网络系统是毗连站内各类智能电子装备（IED）的纽带，是数字化变电站自动化系统的命脉^［2］，它的靠得住性与信息传输的快速性决议了系统的可用性。本文在分析数字化变电站自动化系统结构及特征根蒂根基上，依据变电站的数据流和信息传输特点及变电站对通讯网络的要求，提出了以嵌进式以太网作为数字化变电站自动化系统通讯网的实施方案，并分析了以太网在变电站自动化系统中运用模式和传输模式这两个关头问题。
2　数字化变电站自动化系统的特征及结构
2．1　数字化变电站自动化系统的特征
　　数字化变电站自动化系统年夜致有以下几个特点：
　　（1）智能化的一次装备：一次装备被检测的旌旗灯号回路和被控制的操作驱动回路，采用微处置器和光电技术设计，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程控制器取代，常规的强电模拟旌旗灯号和控制电缆被光电数字和光纤取代。
　　（2）网络化的二次装备：变电站内常规的二次装备，如继电庇护装配、丈控制装配、防误闭锁装配、远动装配、故障录波装配、电压无功控制、同期操作装配和正在成长中的在线状态检测装配等全数基于尺度化、模块化的微处置机设计制造，装备之间的毗连全数采用高速的网络通讯，二次装备不再泛起功能装配重复的I／O现场接口，经由过程网络真正实现数据同享、资本同享，常规的功能装配酿成了逻辑的功能模块。
　　（3）自动化的运行经管系统：变电站运行经管自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记实统计无纸化、自动化；变电站运行发生故障时，能实时提供故障分析陈述，指出故障缘由及处置定见；系统能自动发出变电站装备检修陈述，即常规的变电站装备“定期检修”改成“状态检修”^［3］。
2．2　数字化变电站自动化系统的结构
　　随着智能化电气的成长，出格是智能开关、光电式互感器等机电一体化装备的泛起和运用，变电站自动化的技术迈进了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中，智能化一次装备的数字化传感器、数字化控制回路取代了常规继电庇护装配、监控等装配的I／O部门，而在中低压变电站则将庇护、监控装配小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。
　　在逻辑结构上数字化变电站自动化系统分为三个条理，这三个条理划分称为“变电站层”、“距离层”、“进程层”。各条理内部和条理之间采用高速网络通讯，三个条理的关系如图1所示。
　　（1）变电站层。变电站层的主要使命是：经由过程两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不竭刷新实时数据库，按时登录历史数据库；按既定协约将有关

数据信息送往调剂或控制中心；接收调剂或控制中心有关控制饬令并转距离层、进程层执行；具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有（或备有）站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等功能和图像、声音等多媒体功能；具有对距离层、进程层诸装备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能；具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。
　　（2）距离层。距离层的主要功能是：汇总本距离进程层实时数据信息；实施对一次装备庇护控制功能；实施本距离操作闭锁功能；实施操作同期及其他控制功能；对数据收集、统计运算及控制饬令的发出具有先级此外控制；承先启后的通讯功能，即同时高速完成与进程层及变电站层的网络通讯功能，需要时，上下网络接口具有双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通讯的靠得住性。
　　（3）进程层。进程层是一次装备与二次装备的连系面，或说进程层是智能化电气装备的智能化部门，其主要功能可分为三类：①电气运行的实时电气检测。即哄骗光电电流、电压互感器及直接收集数字等手段，对电流、电压、相位及谐波份等进行检测。②运行装备的状态参数在线检测与统计。如对变电站的变压器、断路器、母线等装备在线检测温度、压力、密度、尽缘、机械特征和工作状态等数据。③操作控制的执行与驱动。在执行控制饬令时具有智能性，能判断饬令的真伪及其合理性，还能对行将进行的动作精度进行控制，如能使断路器定向合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在划定的参数内。
3　变电站自动化系统通讯网络的要求
3．1　变电站内数据流和信息传输的特点
　　在具有变电站层—距离层—进程层结构分层的变电站内，需要传输的数据流有以下几种：①进程层与距离层之间的信息交换，进程层的各类智能传感器和执行器可以自由地与距离层的装配交换信息；②距离层内部的信息交换；③距离层之间的通讯；④距离层与变电站层的通讯；⑤变电站层的内部通讯，在变电站层分歧装备之间存在信息流。
　　各类数据流在分歧的运行方式下有分歧的传输响应速度和先级的要求。
（1）经常传输的监视信息
　　1）为了监视变电站的正常运行，需要传输各类丈值，这些需要经常传送（如母线电压、电流、有功、无功、频率等）。
　　2）变电站正常运行所需要的信息，这些信息在传送时间距离可以延长，传送的先级可以较低。
（若有功电累计值和无功电累计值）。
　　3）为了刷新变电站的数据库而按时采样的数据向变电站层传送的信息。（如断路器的状态信息、继电庇护的投进与退出的工作状态信息）。
　　4）为了监视变电站的电气装备的平安运行所需要的信息。（如变压器、避雷器等的状态监视信息、变电站的防火、防盗所需要的信息）。
（2）突发事务发生的信息
　　1）在系统发闹事故的情况下，需要快速响应的信息。（如事故时断路器的位置旌旗灯号）。
　　2）在正常操作时所引发的状态变化。（如操作断路器、隔脱离关和继电庇护装配的投进与退出，和继电庇护装配等的运行方式的选择等）。
　　3）在事故情况下继电庇护动作的状态旌旗灯号和事务顺序记实。这些信息不需要立即传送。（如庇护动作值，事故动作顺序记实）。
　　4）事故发生时记实下的带时标的扰动数据。这些信息也不需要立即传送。（如事故录波数据）。
　　（3）在高压电气装备内装设的智能传感器和智能执行器，高速地与距离层装备交换信息。传送速度决议于正常状态时的采样速度，和故障情况下的快速传输的状态。（如光电电流互感器及直接收集的数字，装备在线检测温度、压力、密度、尽缘、机械特征和工作状态等数据）。
　　（4）其他一些非实时信息。（如防火、防盗信息）。
3．2　对变电站自动化系统通讯网络的要求
3．2．1　功能要求
　　通讯网络的基本使命是解决综合自动化系统内部和与其他系统之间的实时信息交换，而网络是不成或缺的功能载体，那末构建一个靠得住、实时、高效的网络系统是通讯系统的关头，2000年年夜电网会议第34组庇护与控制计议和介绍了变电站自动化及其通讯系统，其基本一致的思想就是通讯技术是变电站自动化系统的关头。
　　通讯网络是毗连站内各类智能电子装备（IED）的纽带，是以它必需能支持各类通讯接口，知足通讯网络尺度化。
　　随着变电站的无人化和自动化信息的不竭增加，通讯网络必需有足够的空间和速度来存储和传送事务、电、操作、故障和录波等数据。为改善电压运行，无人值班变电站要求通讯网络具有电压无功自动调理功能、系统对时功能等。另外自诊断、自恢复和远方诊断，在线状态检测是针对运行维护提出的几项功能要求。
3．2．2　性能要求
　　通讯网络的性能要求主要体现在以下几个方面^［4］：
　　（1）靠得住性：由于电力生产的接连性和重要性，站内通讯网络的靠得住性是位的，应避免一个装配损坏致使站内通讯中断。出格是数字、图像信息的多媒体技术的运用，我们会加倍依赖通讯网络，是以，一个靠得住的通讯网络是重要条件。
　　（2）开放性：站内通讯网络为调剂自动化的一个子系统，除保证站内IED装备互连、便于扩大外，它还应从命电力调剂自动化的整体设计，硬件接口应知足尺度，选用尺度的通讯协议，利便用户的系统集成。
　　（3）实时性：因测控数据、庇护旌旗灯号、远控饬令等都要求实时传送，虽然正常工作时，站内数据流不年夜，但泛起故障时要传送年夜的数据，要求信息能在站内通讯网络上快速传送。
4　数字化变电站自动化系统的通讯网络
　　只有知足了上述要求，通讯网络才是理想的。常规变电站自动化系统中庇护装配的信息收集与庇护算法的运行通常为在统一个CPU控制下进行的，使得同步采样、A／D转换、运算、输出控制饬令整个流程快速、简捷，而数字化变电站的系统中信息的收集、庇护算法与控制饬令的形成是由网络上多个CPU协同完成的，若何控制好采样的同步和庇护饬令的快速输出酿成了一个复杂问题，其基本的条件是网络的顺应性，关头技术是网络通讯速度的提高和合适的通讯协议的制定。
　　凡是的现场总线技术已不能知足数字化变电站自动化高速通讯的技术要求，今朝以太网异军突起^［6］，已引进工自动化进程控制领域，固化OSI七层协议，速度到达100MHz的以太网控制与接口芯片已年夜泛起，为数字化变电站自动化协议的开发研究提供了物资根蒂根基。数字化变电站自动化系统示意图如图2所示。

5　嵌进式以太网的运用方案
　　随着计较机软、硬件的成长，工控制领域泛起了嵌进式技术，哄骗嵌进式软、硬件，设计者可以在单片机协同系统上实现以太网技术即嵌进式以太网。嵌进式以太网的泛起为数字化变电站综合自动化系统的设计者提供了实现站内网络通讯的新途径。
5．1　嵌进式以太网的运用模式^［5］
　　嵌进式以太网作为变电站自动化系统的内部通讯网络，有两种运用模式：①每一个智能电子装配（IED）设置装备摆设一个嵌进式以太网接口，每一个IED作为一个以太网节点直接毗连到以太网上；②几个IED经由过程RS485、MODBUS等方式毗连在一起，然后用嵌进式以太网接口作为一个以太网节点毗连到以太网上。
　　在选择嵌进式以太网运用模式时，主要斟酌以下身分：①超高压变电站系统的二次系统一般都是基于距离设计的；②超高压变电站自动化系统内部通讯网络的靠得住性要求很高，要求可利便地组成双网结构；③成本问题；④产物向下兼容问题。
　　这类新型通讯网络一般具有以下特点：①网络宽带资本年夜年夜增加；②数据上传（如故障录波数据）速度年夜年夜加速；③易于与PC机接口；④易于与广域网毗连。
5．2　嵌进式以太网传输模式选择
　　嵌进式以太网为使用者提供了单播、广播及分组广播三种模式。单播模式中信息的目的地址只有1个，网络上除目的地址之外的其他节点都不能接收源节点发送的信息；广播模式是指一个节点发送信息，网络上除源节点外的所有节点都能接收到源节点所发送的信息；分组广播是指源节点将一帧信息发送到网络上的一组节点，组内的各个节点都能接收到该信息，而组外的节点则不接收所发送的信息。分组广播模式与广播模式的年夜区分是在于分组广播模式对接收对象加以限制，而广播模式则没有。假设距离层中1号测控单元要将统一帧信息发送到变电站层的N个装备，下面划分给出了使用单播、广播及分组广播3种传输模式组成的变电站内部数据传输方案，如图3～图5所示。

　　从图3可知单播模式传输方案的错误谬误有：传输效率不高；网络流剧增将造成网络上的冲突加重；测控单元CPU资本消耗太年夜，统一信息发送N遍，执行TCP／IP协议的CPU就必需将TCP／IP协议的相关部门执行N遍。
　　从图4中可以看出，使用广播模式的传输方案中，对于统一帧信息，测控单元只向变电站层的N个装备发送一遍，比单播模式效率高，同时网络的流并没有增加。但某个测控单元向网络上发送信息后，变电站层的所有装备非论是否与自己有关城市收到该信息，然后在运用层再将无关的信息丢失落，显然这样做浪费了变电站层相关装备的资本。由于测控单元要不竭地将距离内的信息向以太网上发送，所以这类由于广播模式引发的硬件资本浪费是庞大的，对于嵌进式CPU电路是不能接受的。
　　从图5中可以看出，在使用分组广播模式的传布方案中，变电站层需要信息同享的N个装备使用统一个组地址，对于统一帧信息网关装备只需要用组地址作为方针地址向变电站层的N个装备发送一遍，网络上只有使用了这个组地址的装备才能接收到该信息。显然这类方式既有广播模式统一信息只发送一遍的高效率，又避免了广播风暴，使资本获得了有用庇护，同时网络流也没有增加。是以，本文推荐分组广播模式作为传输模式。
　　凭据开发系统互连（OSI）参考模子，TCP／IP的传输层对运用层提供UDP和TCP两种类型的服务^［6］。
UDP是一种无毗连的协议，也就是通讯的倡议节点在倡议通讯时在传输层不需要与通讯接收方事前建立“握手”毗连，而是直接发送。TCP是一种面向毗连的协议，也就是通讯的倡议节点在每次倡议通讯时传输层都必需与通讯接收方事前建立“握手”毗连，以后才能发送。这两种传输模式各有特点，UDP由于不需要事前建立“握手”联系，所以效率很高，而且有单播、分组广播和广播三种模式。TCP由于事前建立了“握手”联系，所以传输靠得住，出格适用于文件等年夜块数据的传输。但TCP是面向毗连的，它不成能同时与一组节点建立毗连，是以TCP方式不支持分组广播，这在逻辑上也是合理的。由于UDP方式的高效率和分组广播等特点，以太网在工控制领域运用时一般都采用UDP方式。所以建议选用UDP作为嵌进式以太网的传输协议。
6　竣事语
　　通讯网络是变电站自动化系统的关头。本文论述了数字化变电站自动化系统的特征、结构，并基于嵌进式以太网技术，提出了数字化变电站综合自动化系统的通讯网络选型中运用嵌进式以太网的实施方案。分析研究了以太网在数字化变电站自动化系统中运用模式和传输模式这两个关头问题。数字化变电站自动化系统是一个系统工程，未来的5～10年间，随着新技术的不竭涌现和变电站与尺度的接轨，数字化变电站自动化系统势必获得蓬勃成长。