电力电子系统在风能电网中的应用与发展前景

电力电子系统在风能电网中的应用与发展前景

从变电站自动化系统对站内通信网的要求入手，分析了设计站内局域网的思路， 总结了网络通信技术在SAS中的实际应用情况，探讨了站内通信网的发展方向。
【关键词】变电站自动化 网络通信 局域网 以太网
0 引 言
　　现代的变电站自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。我国的变电站自动化从九十年代开始，由最初的集中式发展到目前的分层分布式，在其十多年的发展历程中，网络通信技术的进步对变电站自动化的发展起着极大的推动作用。
　　IEC61850对变电站自动化系统(SAS)的定义是：在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化。可见站内通信网是变电站自动化系统的重要组成部分，它不仅在站内提供各种智能电子设备(IED)之间的互联，而且作为调度自动化系统的子系统，通过网关，对上承担远动功能，地位之重要是不言而喻的。
　1 SAS对站内通信网的要求
　1997年国际大电网会议(CIGRE)WG34.03工作组在《变电站内数据流通信要求》中将SAS完成的功能分为七组:
　(1) 远动功能 　　　　　(2) 自动控制功能
　(3) 测量表计功能 　　　(4) 继电保护功能
　(5) 与继电保护有关功能 (6) 接口功能
　(7) 系统功能
　上述各组功能对通信均有各自不同的要求，但是我们不难将其归纳总结为:
　　1.1 可靠性: 由于电力生产的连续性和重要性，站内通信网的可靠性是第一位的，应避免一个装置损坏而导致站内通信中断。虽然目前继电保护的动作不依赖于通信网，但并不能降低对其可靠性的要求，随着无人值班技术发展，作为承担“四遥”功能的核心环节，我们会更加依赖于站内通信网，因此，一个可靠的通信网是首要条件。
　　1.2 开放性: 站内通信网作为调度自动化的一个子系统，除了保证站内IED设备互连、便于扩展外，它还应服从电网调度自动化的总体设计，硬件接口应满足国际标准，选用符合国际标准的通信协议，方便用户的系统集成。
　　1.3实时性: 因测控数据、保护信号、遥控命令等都要求实时传输，虽然正常工作时，站内数据流量不太大，但出现故障时要传送大量数据，要求信息在站内通信网内快捷传输。
只有满足以上要求，才是理想的站内通讯网络。局域网由于具有在有限范围内通信速度快，可靠性高，误码率低，且网络中的节点增加、删除比较容易等优点，被成功地引入到SAS中。
　2 站内局域网的设计思路
　局域网(LAN)是微型计算机在有限(局部)地区内共享信息和资源的系统，其范围一般在1.5公里范围内。针对变电站的具体运行环境和要求，设计局域网时应考虑以下几个方面:
　　2.1 网络拓朴结构: 即网络中各节点相互连接的方法和形式。最基本的拓朴结构有星形网、环形网、总线网等。星形网因其每一节点都是通过连接线与中心节点相连，中心节点成了可靠性的瓶颈，用于早期的集中式或小型变电站的SAS中; 环形网是通过一条首尾相连的通信线路将各节点串联起来，虽网络中每个节点地位平等，但信息须经许多节点转发，任一节点损坏会引起断环，此种方式亦不大采用，而总线网是将网络各节点和一根总线相连，每一节点都可以和其它接点直接通信，消除了瓶颈现象，可靠性较高，成为当前站内通信网的首选。
基本网络拓朴结构可以相互组合成各种复杂的局域网。
　　2.2 通信规约: 有主从轮询(polling)方式，令牌传递方式(token passing)和载波监听多路访问/冲撞检测(CSMA/CD)方式。
主－从网络一般运行polling规约，总线型网络规约主要采用的有令牌传递和 CSMA/CD方式。令牌传递的形式是逻辑环，即在总线上增加一个令牌在各个节点间循环。一个节点只有在收到了令牌后方能发送数据。若这个节点不需要发送，令牌会自动转向下一个节点。因采用此方式要使用很多模拟部件，管理复杂，节点增减不灵活，造价高，应用并不广泛。CSMA/CD是一种竞争性规约，各节点要发送信息时，先侦听总线是否空闲，若空闲，则发信，若网络忙，则等待后再侦听发送，直至发送成功。这种方式当网络中节点少时，传输速度较快，但当节点超过一定数量时，网络传输数据量增大，碰撞几率增加，影响传输的实时性。可辅以优先级设置，让重要信息能抢先发送，它具有很高的灵活性，通信效率也很高。
　　2.3 通信媒介: 不论网络拓朴为何结构，网络的速度很大程度上取决于所选用的通信介质。常用的有同轴电缆、双绞线、光纤等。A、同轴电缆由内芯和外管构成，电磁波在外管与内芯之间传播，与外界隔绝，因而无发射损耗，较少受外界干扰影响，具有很好的传输质量和可靠性，衰耗少，传输带宽较大，但其成本不低。实际应用的主要是同轴细缆。B、双绞线为两根直径各为0.511m2的铜线，经绝缘等工艺处理后，绞合而成。通常将多对双绞线形成缆，其抗干扰能力稍差，但可以在接口处加隔离变压器，抑制共模干扰。由于其造价低，在低电压等级变电站的SAS中常采用。C、光纤: 它用特种玻璃纤维构成介质波导，光波沿玻璃丝传播，由于各层的介电系数不同，传播时光波基本不外漏。其优点是损耗小、频带宽、传输速率高、误码性能好，是现代通信中最有前途的传输手段之一，但其造价较高，不便于支接，安装、维护较为复杂，多用于高电压等级SAS中，随着光纤技术的发展，其以后的应用会越来越广泛。
　　以上三种介质可在同一网络中混合使用。
　3 局域网通信技术在SAS中的实际应用
　从变电站自动化系统发展过程来看，其通信技术的发展大致可分为两个阶段:
　　3.1 串口、并口等通讯方式(RS232C、RS422、RS485总线等)
　　此种方式应用于早期SAS产品中，大多数为主－从结构，加之其传输速率较低，可靠性较差，限制了它的应用。特别对于大型变电站，站内功能节点较多的情况下，信息实时性将受到很大的影响。局域网技术的发展解决了这些问题。
　　3.2 局域网通讯方式(LON、CAN、FF、Ether等)
　　局域网按其拓扑结构可分为主－从网和对等网两种。主－从网易形成瓶颈，而从理论上讲，变电站内通信网上的任一节点的重要性和地位都是平等的，故一般采用平等式(pear to pear)网络。
　　国际上90年代推出了一种更适合于采集、控制等工业环境，面向对象的具有很高性能价格比现场总线(Field Bus)局域网络技术。它有许多衍生品种。一般采用平等式网络，结构上遵循ISO/OSI协议设计，有传输速率高、抗干扰能力强等优点，成为目前国内SAS中的主流通信技术。基于现场总线的SAS的典型结构示意如图1所示:

　　四方公司生产的CSC2000就是采用了LonWork网络技术，形成实时可靠的站内局域网。但是，现场总线毕竟是专为小数据量工业领域的通信而设计的廉价网络，它只适合于字节传输，而不适合于文件传输，且通信节点超过一定数量时，响应速率会迅速下降。为弥补现场总线技术的不足，一种可行的方法是采用复合网。在110kV及以上变电站中，通常将网络分为两层，在下位网(间隔层)采用现场总线，上位网(站控层)采用以太网方式，上位网与下位网通过前置机互联。以太网的应用为SAS开辟了新的发展空间。
　　以太网的带宽高达10Mbps以上，网络十分健壮，现已有厂家开发出全以太网的SAS，如国电南自的PS-6000变电站自动化系统采用10M/100M以太网来架构通信网络，IED设备直接通过以太网接口与以太网相连。使用开放式的TCP/IP协议，可方便地与广域网相连。与复合网方案相比，省去了异种网络接口设备，减小了维护工作量，简化了系统。
　　　　　　　表1给出了几种目前SAS中常用的网络形式的对照比较:

　在特别重要和大型的变电站中，还可以采用网络分段或双网配置来提高可靠性。
　4 网络通信技术在SAS中的应用前景
　　4.1 伴随着变电站自动化功能的开发，如遥视警戒功能、开关实时状态监测、火灾报警及消防联动等功能。需要传送视频信号，运行更加复杂的数据库。站内局域网必将向宽带化的方向发展，多媒体通信技术也将进入到SAS中。快速以太网在带宽、可扩性、可靠性、经济性、通用性等方面具有明显优势，其应用会更加广泛。异步传输模式(ATM)是基于信元的传输技术，可以提供高达1.2Gbps的传输速率，能提供局域网与广域网之间的无缝接口，这种技术会受到重视。
　　4.2 目前，SAS中的继电保护功能相对独立，完全依赖于站内通信网。从理论上讲，只要站内通信网的可靠性、实时性满足要求，继电保护功能也可以通过站内通信网来完成。可以设想如果母线保护通过通信网采集信息和传送命令，SAS的分布式结构会变得非常理想。
　5 结论
　变电站自动化发展到目前的阶段，虽然达到了一定的水平，但它仍处于一个高速发展的时期，产品难以定型。因此无论是生产厂家还是运行单位,在设计和选择SAS产品时，应根据变电站的规模、地位和投资情况综合考虑。
　　5.1 对于变电站自动化系统，站内宜采用局域网方式通信。其中总线网是首选，如:LON、CAN、Ether等是目前的主流，快速以太网前景最为看好。
　　5.2 对于传输介质应针对不同的电压等级，结合具体的应用环境进行选择使用，力争取得较高的性能价格比。对于电磁干扰比较强的场所宜选用光纤。
　　5.3 SAS生产厂家较多，产品更是复杂，但其SAS的通信网络必须满足开放性要求，贯彻IEC60870的标准，支持TCP/IP协议，使自己的产品与其它计算机系统方便地完成通信与数据交换。
　　现代网络通信技术正朝着数字化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。它将引领着变电站自动化系统向更高的层次迈进。

参 考 文 献
1.Neil Jenkins & Stan Schatt著.计算机局域解析.孙义等译.机械工业出版社，1997
2.孙旭影等.计算机网络实用技术.电子工业出版社，2000
3.金午桥.变电站自动化系统的发展策略.电力自动化产品信息，2001，20(1)
4.PS6000变电站自动化系统技术说明书.国电南京自动化股份有限公司