摘要：依托杭州市在建的紫之隧道工程，分析10/0.4 kV变电所综合自动化系统网络传输模式，提出适宜、合理的综合自动化系统网络传输方案。
关键词：变电所；综合自动化系统；网络传输；
引言
在建的杭州市紫之隧道（紫金港路—之江路）工程位于杭州绕城高速与西湖风景区之间，北起紫金港路，南接之浦路，全长约14.14 km。工程沿线线性分布有10座10/0.4 kV降压变电所。各变电所高压开关柜采用10 kV铠装中置手车式开关柜，配置手车式真空断路器和可编程继电保护装置，变压器均采用立体卷铁心树脂绝缘干式变压器，并自带温度控制器和强制通风装置，低压开关柜采用高可靠性、模数化、组合式柜型，并配置数字化仪表便于远方监控。变电所还额外配置有应急照明电源装置（EPS）、所用电交直流屏、监控柜等配套设施。
为了提升工程设计品质，充分利用先进技术提高变电所自动化管理水平，提高供电质量、供电安全、可靠运行水平，积极减少工程造价和后期运营维护工作量，各变电所内独立配置综合自动化系统作为工程电力监控系统的子站，集变电所控制、保护、信号、测量、安全联锁及调度通信于一身，利用微机处理技术和通信技术实现变电所智能管理的实时、可靠、远程监管需求。
变电所综合自动化系统一般分三层设置：站级管理层、网络通信层、间隔设备层。站级管理层由安装于控制信号盘上的通信控制器、显示装置以及现场监控系统组成，间隔层由全所10 kV及以下主要设备的全套微机测控、保护单元以及EPS智能监控单元等组成。通过网络通信层相连，实现数据通信，实施变电所综合自动化系统对变电所开关设备的实时控制、
监视和数据采集。由于变电所内纳入综合监控的设备种类繁多，各类设备通信方式多种多样，尤其是国内外设备间更是差异较大，尚不能全部支持嵌入式以太网传输的功能，有必要对系统内间隔层保护、测控单元与变电所综合自动化系统主网络间数据传输模式进行分析、比选，以结合当前技术发展现状和趋势，提出适宜的网络传输模式。
图1 典型变电所综合自动化系统结构示意图
1 网络数据传输的作用及需求
变电站综合自动化系统的网络数据传输一方面是实现站内通信功能，完成对全站一、二次设备和装置运行情况的数据信息采集和控制命令的传输；另一方面完成与上级调度或集控中心的通信，向上传送变电站运行的实时信息，接收和执行上级下达的控制命令。
由于数据通信的重要性，可靠的通信成为系统的技术核心，加上变电站的特殊环境和系统要求，对变电站自动化系统的通信提出了以下要求:
(1)快速的实时响应
变电站自动化系统要求及时地传输现场的实时运行信息和操作控制信息，在电力工业标准中对系统都有严格的实时性指标，网络必须很好地保证数据通信的实时性。
(2)高可靠性和抗干扰性
变电站内通信环境恶劣、干扰严重，网络的故障和非正常工作会影响整个系统的运行。 因此，变电站自动化系统的通信系统必须保证很高的可靠性。
2 网络数据传输的结构模式
长期以来变电站综合自动系统的网络数据传输较多地采用串行总线，近年来现场总线在变电站自动化通信中的应用取得了巨大的成功。变电站自动化系统的通信网络结构一般是基于以太网/总线的分层拓扑结构，网络数据传输技术主要有RS-422/485、CAN总线、LonWorks网、以太网等。随着计算机和通信技术的进步，系统网络化和体系开放性成为发展的趋势，以太网技术正被引入变电站自动化系统过程层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基于以太网的分层式变电站自动化通信网络系统，尤其是嵌入式以太网技术在电力系统中的应用越来越广泛。
3 几种数据网络传输模式分析
目前变电所综合自动化系统主要设备的间隔层保护、测控单元与变电所综合自动化系统主网络数据传输模式主要有以下四种：
(1)间隔层设备通信采用现场总线直接与控制信号盘上的智能接口模块相连。
各测控保护单元按通信协议的类型在所内组态，分段组网，采用现场总线直接与综合自动化系统的控制信号盘上通信控制器的各种智能接口单元进行数字通信，智能接口单元将各种协议转换为统一的数据格式后，与控制信号盘通信控制器的主CPU进行数据交换，完成与所内采用各种协议间隔层设备的接口功能。这种模式具有设备之间的硬件接口配合工作少，技术成熟、工程投资低等优点。
(2)间隔层设备间的通信采用现场总线连接，在开关柜内经一通信处理器转换为光纤以太网，通过网络交换机与通信控制器进行数据传输。
基于间隔层设备仍采用现场总线，将模式（1）中控制信号盘上的各种智能接口单元的规约转换下放到安装于各种开关设备内的通信控制器，各通信控制器在开关柜内完成各自所连的总线规约转换，同时将通信接口转为光纤以太网，与通信控制器采用统一协议，利用光纤以太网进行数据交换。这种模式使网络层次更清晰，系统功能分布更合理，进一步提高了系统可靠性，同时方便系统软件开发系列化、标准化，系统可扩展性强。所内利用光纤传输数据，提高了系统抗干扰性。工程投资较模式（1）略高。
(3)间隔层设备的通信采用现场总线与开关柜内的多串口转换器直接连接，转换为光纤以太网，通过网络交换机与通信控制器进行数据传输。
对于开关柜内的智能电子装置，若其不支持光纤以太网通信，可采用专用的网络通信设备（以太网串口转换设备，支持多串口接入，并完成规约转换）进行转换，支持点对点的工作方式，能更大程度地提高传输速度。该模式区别于模式（2）的地方在于多串口转换设备的采用，在具有模式(2)优点的基础上，传输速率更快。
(4)间隔层单元直接采用嵌入式以太网口通过以太网交换机与站级管理设备相连。
工业以太网是近年迅速发展起来的应用于工业现场的高速数据通信网。它充分考虑了工业现场温差大、电磁辐射强、潮湿、灰尘多等恶劣环境，在设备元器件选择上使用了高质量和高可靠性的元器件。工业以太网实际应用中将以太网与TCP/IP协议结合，彻底解决了网络统一性的问题。此外，工业以太网通信的误码率极低，数据传输可靠性高；网上增减节点方便，灵活性好；传输速率高，传输信息量大，网络实时性好，可以根据业务特性来打包，动态分配带宽；在带宽允许的情况下，对IP通道带宽的变化可瞬间响应。工业以太网的开放性、统一性、经济性、可扩展性和可维护性都是其它网络不能相比的。
嵌入式以太网作为变电站自动化系统的内部通信网络, 有两种应用模式:①每个间隔层设备配置1个嵌入式以太网接口,作为一个以太网节点直接连到以太网上；②几个间隔层设备通过RS485、MODBUS 或现场总线等方式连在一起,然后用嵌入式以太网接口作为一个以太网节点连到以太网上。
由于供电系统的设备种类繁多，各类设备厂家继电保护装置的通信技术开发速度不等，还不能达到全部支持嵌入式以太网传输的功能。从市场情况来看，国产保护装置大部分可做到嵌入式以太网口，而国外产品相对滞后。近年来，随着IEC61850国际标准规约的发展及应用，使得不同厂家不同保护测控装置的互换、互连成为可能，ABB、西门子等大的国外公司已开发生产出支持IEC61850的嵌入式以太网接口产品，并已投入了工程应用。因此尽管模式(4)现阶段还不能在工程中得到完全的应用，但它将是变电所综合自动化系统网络通信的发展方向。
4 网络数据传输模式的选择
以杭州市紫之隧道工程为例，纳入变电所综合自动化系统的主要间隔层设备包括10kV侧各开关柜内微机保护装置、变压器温控器、EPS智能测控单元、交直流屏测控单元、0.4kV开关柜内各软启动装置、智能仪表、数字表计等。根据实际采购的设备参数和性能，各类间隔层设备具备的通信方式分别为：
1）微机保护装置：选用美国电气PS5系列微机保护装置，均内嵌有以太网口（RJ45连接器，10base-T）和RS485口（波特率1200、2400、9600、19200、38400可选），可直接按模式（4）进行数据传输和通信。
2）变压器温控器：选用钱江变压器SCB11系列，自配温控器，具备RS485口，按模式（1）进行数据传输和通信。
3）EPS智能测控单元、交直流屏测控单元：选用韦德电子有限公司YJS系列EPS装置，仅提供RS485口，按模式（1）进行数据传输和通信。
4）软启动装置：选用西门子3RW44系列软启动装置，内嵌有以太网口和RS485口，可直接按模式（4）进行数据传输和通信。
5）智能仪表与表计：选用美国电气QP3、QP2系列表计，仅提供RS485口，按模式（1）进行数据传输和通信。
综上所述，结合目前变电所综合自动化系统及继电保护等智能电子装置的技术发展现状，主要设备间隔层单元与变电所综合自动化系统网络接口方案推荐采用模式（1）、模式（3）与模式（4）并存的方式，即：
1）对于各种支持以太网传输模式的间隔层设备，则可以按模式（1）方式，采用以太网口直接与站级管理设备相连，接入变电所综合自动化系统(例如本工程的微机保护装置、软起动装置)；
2）对于只支持现场总线通信的间隔层单元，则可以按模式（3）方式，采用现场总线与以太网串口转换设备（通信管理机）相连，实现接口及协议的转换，再与控制信号盘通信（例如智能仪表与表计）；
3）其他非重要设备的间隔层单元直接，则可以按模式（4）方式，采用现场总线与控制信号盘通信（例如变压器温控器、EPS智能测控单元、交直流屏测控单元）等。
5 结论
网络数据传输方案是构成变电站自动化系统至关重要的环节.由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求，并且受到性能、价格、硬件、软件、用户策略等诸多因素的影响，其传输模式的选择很难一概而论。不同类型、规模、电压等级的变电站对自动化系统的通信网络有不同的要求，变电站自动化系统的网络通信方案选择和设计应遵循下列基本原则：通信网络具有合理的分层式结构；各层之间和层内选择适当的通信方式；高可靠性和快速实时响应能力；优良的电磁兼容性能。基于以上基本原则，本文给出适合本工程的网络数据传输模式。
参考文献
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[2] 鞠阳.数字化变电站的网络通信模式[J].电力系统保护与控制,2010,38(1):92-95.
[3] 梁宇宏,杨练条.基于现场总线技术的变电站综合自动化系统[J].广东电力,2000,13(2):28-31.
作者介绍：
吴火军（1985.01.23），性别：男；籍贯：浙江庆元；民族：汉；学历：大学本科，学士；职务：电气工程师；研究方向：供配电系统；单位：中国电建集团华东勘测设计研究有限公司；
解翠翠（1983.10.19），性别：女；籍贯：河北景县；民族：汉；学历：本科、学士；职称：工程师；职务：电气设计工程师；研究方向：供配电及照明；单位：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司；
论文作者:吴火军,解翠翠
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期
论文发表时间:2017/9/7
标签：以太网论文; 变电所论文; 自动化系统论文; 通信论文; 模式论文; 变电站论文; 数据传输论文; 《电力设备管理》2017年第7期论文;