智能建筑10 kV变电站内通信网络的设计

马占敖， 魏立明， 姚小春

（吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，吉林长春 130021）

0 引 言

智能建筑[1-3]中地下或地上敷设的10 kV变电站目前已普遍采用了变电站自动化系统（Substation Automation System，SAS）。随着信息技术的迅猛发展，变电站自动化系统在十几年的发展过程中也经历了翻天覆地的变化，各种新产品层出不穷，CPU从8位到16位，再到如今的32位，站内通信网络从采用简单的RS-485串行通信技术，到采用来源于工业控制领域的现场总线技术（FCS），再到在商业网络领域取得巨大成功的以太网技术。

在我国目前主流的变电站自动化系统都是采用分散控制系统（DDC）[4]，即采用分层分布式结构，整个变电站自动化系统分为3个层次:变电站层、网络层和间隔层。其中，网络层包括站内通信网络、远动通信接口和智能设备接口3个部分，用于实现各微机监控单元和监控主机间进行实时的数据交换，并可将各种站内信息传递至各级调度系统或接受调度系统的指令，实现远动功能。

变电站的自动化系统不同于传统的继电保护装置，其作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息。每个保护单元能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。各个保护单元与自动装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，并通过远动通信接口实现站内设备信息与外部系统的信息共享，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护必须依赖于变电站自动化系统强大的数据通信能力，因此，一个快速、稳定、可靠和富有弹性的通信网络对于整个变电站的安全运行至关重要。

1 智能建筑的特点

在智能建筑10 kV变电站设计中[5-6]，究竟选用哪一种站内通信网路，首先要从分析应用需求入手。根据国家标准GB/T 50314-2000《智能建筑设计标准》的定义，智能建筑（Intelligent Building，IB）是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。其中建筑设备就包括建筑物或建筑群的高低压变配电设备。变电站站内通信网络作为智能建筑通信网络系统的一个子系统，则是其重要的有机组成部分。

根据 GB/T 50314-2000第 3.1条规定，“3.1.1通信网络系统应能为建筑物或建筑群的拥有者（管理者）及建筑物内的各个使用者提供有效的信息服务。3.1.2通信网络系统应能对来自建筑物或建筑群内外的各种信息予以接受、存储、处理、交换、传输并提供决策支持的能力”。从以上规定可以看出，智能建筑要求其通信网络的各子系统之间应具有良好的互通性，这就要求子系统应是开放的。

智能建筑10 kV变电站位于供电系统的末端，容量一般不超过1 MVA，在整个电网中属于低容量、小规模、终端型中压变电站。与高压枢纽变电站相比，其变电站自动化系统的应用场合、运行环境、功能要求都有较大的差异，主要表现在系统节点数一般不多，对硬件的冗余度要求不是很高，保护功能较简单，通信数据量不是很大。但对继电保护配置的灵活性，尤其对通信网络数据传输的实时性等方面的要求并不低，同时，系统也更强调使用的方便、直观和低成本。

2 RS-485串行通信

RS-485串行数据接口标准是由电子工业协会（EIA）于1983年制定并发布的，是一种双向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-485-A标准。RS-485只能实现一点对多点的通信，即只能有一个主设备，其余为从设备，总线上可最多接到RS-232各设备。RS-485网络通常采用特性阻抗为120 Ω双绞线作传输介质，传输速率300 bps～115.2 kbps兼容，为异步半双工结构，实际使用时，因线缆长度、线径、网络分布、接点数不同，传输速率均达不到理论值。

RS-485标准只对接口的电气特性作出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，用户需要在此基础上建立自己的高层通信协议，也就是说，RS-485标准只规定了物理层上的电气特性，而对数路链路层及其以上个高层协议规范，则没有统一定义。不同制造商的设备由于通信协议的专有与不兼容，而无法直接实现相互之间的信息互访，因此开放性差。基于RS-485串行通信的变电站自动化系统有成都瑞科公司的RC3000、北京华康公司的MPW 4000等。

3 现场总线

现场总线[7]的一个主要特点就是开放性，在现场总线的网络中，不同制造商的产品可以“即插即用”。按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。但是由于市场等方面的原因，目前已开发出的现场总线有 40多种，如 FF，CAN，LonWorks，PROFIBUS和HART等，使得开放的现场总线只能针对一种特定类型的现场总线而言，只有遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品才是开放的，并具有互操作性，反之则不然。用于变电站自动化系统的主要有CAN总线和LonWorks总线。

CAN（Controller Area Network，控制局域网）总线由德国Bosch公司于1993年推出，介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，这也就意味着当总线出现发送冲突时通过仲裁后原发送信息不会受到任何影响。所有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文内容，也不会对其发送产生任何的延时，因此适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。CAN网可以方便地构成多主结构，节点数理论上不受限制，一般可连接110个节点。小于 40 m时，CAN网传输速率可达1 Mbps，在节点出错时可自动切除与总线的联系。基于CAN总线的变电站自动化系统有阿城继电器公司的ARAS2000、北京德威特公司的DVP-600等。

LonWorks（LON Local Operating System，局域操作系统）总线由美国Echelon公司于1991年推出，采用了OSI参考模型全部的七层协议结构，介质访问方式（P-P载波监听多路复用）采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。LonWorks网传输速率可达1 Mbps，在监测网络节点异常时，可使该节点自动脱网。LonWorks网为无源网络，脉冲变压器隔离，具有强抗电磁干扰能力，重要信息有优先级。基于LonWorks总线的变电站自动化系统有许继公司的PSU-2000X、北京四方继保公司的CSC-2000等。

4 以太网

以太网[8]采用的介质访问方式为CSMA/CD（冲突检测载波监听多点访问），是一种非确定性或随机性通信方式。其基本工作原理是:某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络;如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送。并等待一段随机长度的时间后重新发送。16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。因此，当网络负荷增加时的响应速度就会急剧下降，而且在一系列碰撞后，报文还可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障。以太网的这种CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不稳定性”，这就是为什么变电站自动化系统以前一直没有采用以太网的主要原因。

随着以太网传输速率的不断提升，10，100，1 000 M甚至更高，对于变电站自动化系统这样的应用，如果通过仔细设计，对系统中的网络节点数量和通信流量进行控制，使网络负荷低于10%是完全可能的，这样以太网响应速度将明显高于其它网络。另一方面，对于建有企业内部网（Intranet）的智能建筑，变电站的测控数据可以直接在Intranet上动态发布与共享，供相关技术人员和管理人员参考，这样就把测控网和企业内部网融合在一起，无论从成本、管理、维护等方面考虑都是一个最佳的选择，加之目前以太网接口芯片已非常普遍，价格低廉，因此发展前景很好。只是由于目前变电站自动化系统的主流站内通信网络还是现场总线，采用以太网的不多，它们又是主要针对大规模或超大规模变电站而开发的，因此价格偏高。基于以太网的变电站自动化系统有国电南京自动化公司的PS-6000等。

5 结 语

通过以上分析可以看出，3种网络各有优劣。针对目前新设计的智能建筑，推荐采用主流的现场总线网络或以太网作为其10 kV变电站站内通信网络，而以太网更适合于其中扩展需求和测控数据共享需求较大的变电站。对于主接线简单、不需要考虑扩展且投资有限的小型变电站等，也可以采用低成本的RS-485串行通信网络，但它对于满足智能建筑的设备开放性上存在很多不利因素，应当慎用。

[1] 黄益庄.变电站综合自动化技术[M].北京:中国电力出版社，2000.

[2] 石树平，马运荣.论变电站自动化技术发展现状及要求[J].继电器，2000（10）:60-65.

[3] 能源部西南电力设计院.电力装置的电测量仪表装置设计规范GRJ63-90[M].北京:[s.n.]，1990.

[4] 中华人民共和国水利电力部.电力装置的继电保护和自动装置设计规范GB50062-92[M].北京: [s.n.]，1992.

[5] 李玉云.建筑设备自动化[M].北京:机械工业出版社，2008:15-18.

[6] 周洪.智能大厦控制系统[M].北京:中国电力出版社，2007:61-64.

[7] 张爱筠.基于DSP的新型以太网控制器的应用[J].应用科技，2008，11:37-39.

[8] 龚威.楼宇自动控制技术[M].天津:天津大学出版社，2008:53-57.