電力電子系統(tǒng)在風(fēng)能電網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展前景

從變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)站內(nèi)通信網(wǎng)的要求入手，分析了設(shè)計(jì)站內(nèi)局域網(wǎng)的思路， 總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在SAS中的實(shí)際應(yīng)用情況，探討了站內(nèi)通信網(wǎng)的發(fā)展方向。
【關(guān)鍵詞】變電站自動(dòng)化 網(wǎng)絡(luò)通信 局域網(wǎng) 以太網(wǎng)
0 引 言
　　現(xiàn)代的變電站自動(dòng)化是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。我國(guó)的變電站自動(dòng)化從九十年代開始，由最初的集中式發(fā)展到目前的分層分布式，在其十多年的發(fā)展歷程中，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步對(duì)變電站自動(dòng)化的發(fā)展起著極大的推動(dòng)作用。
　　IEC61850對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)的定義是：在變電站內(nèi)提供包括通信基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的自動(dòng)化。可見站內(nèi)通信網(wǎng)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅在站內(nèi)提供各種智能電子設(shè)備(IED)之間的互聯(lián)，而且作為調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過網(wǎng)關(guān)，對(duì)上承擔(dān)遠(yuǎn)動(dòng)功能，地位之重要是不言而喻的。
　1 SAS對(duì)站內(nèi)通信網(wǎng)的要求
　1997年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)WG34.03工作組在《變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流通信要求》中將SAS完成的功能分為七組:
　(1) 遠(yuǎn)動(dòng)功能 　　　　　(2) 自動(dòng)控制功能
　(3) 測(cè)量表計(jì)功能 　　　(4) 繼電保護(hù)功能
　(5) 與繼電保護(hù)有關(guān)功能 (6) 接口功能
　(7) 系統(tǒng)功能
　上述各組功能對(duì)通信均有各自不同的要求，但是我們不難將其歸納總結(jié)為:
　　1.1 可靠性: 由于電力生產(chǎn)的連續(xù)性和重要性，站內(nèi)通信網(wǎng)的可靠性是第一位的，應(yīng)避免一個(gè)裝置損壞而導(dǎo)致站內(nèi)通信中斷。雖然目前繼電保護(hù)的動(dòng)作不依賴于通信網(wǎng)，但并不能降低對(duì)其可靠性的要求，隨著無人值班技術(shù)發(fā)展，作為承擔(dān)“四遙”功能的核心環(huán)節(jié)，我們會(huì)更加依賴于站內(nèi)通信網(wǎng)，因此，一個(gè)可靠的通信網(wǎng)是首要條件。
　　1.2 開放性: 站內(nèi)通信網(wǎng)作為調(diào)度自動(dòng)化的一個(gè)子系統(tǒng)，除了保證站內(nèi)IED設(shè)備互連、便于擴(kuò)展外，它還應(yīng)服從電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的總體設(shè)計(jì)，硬件接口應(yīng)滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，選用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，方便用戶的系統(tǒng)集成。
　　1.3實(shí)時(shí)性: 因測(cè)控?cái)?shù)據(jù)、保護(hù)信號(hào)、遙控命令等都要求實(shí)時(shí)傳輸，雖然正常工作時(shí)，站內(nèi)數(shù)據(jù)流量不太大，但出現(xiàn)故障時(shí)要傳送大量數(shù)據(jù)，要求信息在站內(nèi)通信網(wǎng)內(nèi)快捷傳輸。
只有滿足以上要求，才是理想的站內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)由于具有在有限范圍內(nèi)通信速度快，可靠性高，誤碼率低，且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)增加、刪除比較容易等優(yōu)點(diǎn)，被成功地引入到SAS中。
　2 站內(nèi)局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路
　局域網(wǎng)(LAN)是微型計(jì)算機(jī)在有限(局部)地區(qū)內(nèi)共享信息和資源的系統(tǒng)，其范圍一般在1.5公里范圍內(nèi)。針對(duì)變電站的具體運(yùn)行環(huán)境和要求，設(shè)計(jì)局域網(wǎng)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:
　　2.1 網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu): 即網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)相互連接的方法和形式。最基本的拓樸結(jié)構(gòu)有星形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、總線網(wǎng)等。星形網(wǎng)因其每一節(jié)點(diǎn)都是通過連接線與中心節(jié)點(diǎn)相連，中心節(jié)點(diǎn)成了可靠性的瓶頸，用于早期的集中式或小型變電站的SAS中; 環(huán)形網(wǎng)是通過一條首尾相連的通信線路將各節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來，雖網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)地位平等，但信息須經(jīng)許多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，任一節(jié)點(diǎn)損壞會(huì)引起斷環(huán)，此種方式亦不大采用，而總線網(wǎng)是將網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)和一根總線相連，每一節(jié)點(diǎn)都可以和其它接點(diǎn)直接通信，消除了瓶頸現(xiàn)象，可靠性較高，成為當(dāng)前站內(nèi)通信網(wǎng)的首選。
基本網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)可以相互組合成各種復(fù)雜的局域網(wǎng)。
　　2.2 通信規(guī)約: 有主從輪詢(polling)方式，令牌傳遞方式(token passing)和載波監(jiān)聽多路訪問/沖撞檢測(cè)(CSMA/CD)方式。
主－從網(wǎng)絡(luò)一般運(yùn)行polling規(guī)約，總線型網(wǎng)絡(luò)規(guī)約主要采用的有令牌傳遞和 CSMA/CD方式。令牌傳遞的形式是邏輯環(huán)，即在總線上增加一個(gè)令牌在各個(gè)節(jié)點(diǎn)間循環(huán)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在收到了令牌后方能發(fā)送數(shù)據(jù)。若這個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送，令牌會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因采用此方式要使用很多模擬部件，管理復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)增減不靈活，造價(jià)高，應(yīng)用并不廣泛。CSMA/CD是一種競(jìng)爭(zhēng)性規(guī)約，各節(jié)點(diǎn)要發(fā)送信息時(shí)，先偵聽總線是否空閑，若空閑，則發(fā)信，若網(wǎng)絡(luò)忙，則等待后再偵聽發(fā)送，直至發(fā)送成功。這種方式當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)少時(shí)，傳輸速度較快，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)超過一定數(shù)量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量增大，碰撞幾率增加，影響傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。可輔以優(yōu)先級(jí)設(shè)置，讓重要信息能搶先發(fā)送，它具有很高的靈活性，通信效率也很高。
　　2.3 通信媒介: 不論網(wǎng)絡(luò)拓樸為何結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的速度很大程度上取決于所選用的通信介質(zhì)。常用的有同軸電纜、雙絞線、光纖等。A、同軸電纜由內(nèi)芯和外管構(gòu)成，電磁波在外管與內(nèi)芯之間傳播，與外界隔絕，因而無發(fā)射損耗，較少受外界干擾影響，具有很好的傳輸質(zhì)量和可靠性，衰耗少，傳輸帶寬較大，但其成本不低。實(shí)際應(yīng)用的主要是同軸細(xì)纜。B、雙絞線為兩根直徑各為0.511m2的銅線，經(jīng)絕緣等工藝處理后，絞合而成。通常將多對(duì)雙絞線形成纜，其抗干擾能力稍差，但可以在接口處加隔離變壓器，抑制共模干擾。由于其造價(jià)低，在低電壓等級(jí)變電站的SAS中常采用。C、光纖: 它用特種玻璃纖維構(gòu)成介質(zhì)波導(dǎo)，光波沿玻璃絲傳播，由于各層的介電系數(shù)不同，傳播時(shí)光波基本不外漏。其優(yōu)點(diǎn)是損耗小、頻帶寬、傳輸速率高、誤碼性能好，是現(xiàn)代通信中最有前途的傳輸手段之一，但其造價(jià)較高，不便于支接，安裝、維護(hù)較為復(fù)雜，多用于高電壓等級(jí)SAS中，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，其以后的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。
　　以上三種介質(zhì)可在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。
　3 局域網(wǎng)通信技術(shù)在SAS中的實(shí)際應(yīng)用
　從變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展過程來看，其通信技術(shù)的發(fā)展大致可分為兩個(gè)階段:
　　3.1 串口、并口等通訊方式(RS232C、RS422、RS485總線等)
　　此種方式應(yīng)用于早期SAS產(chǎn)品中，大多數(shù)為主－從結(jié)構(gòu)，加之其傳輸速率較低，可靠性較差，限制了它的應(yīng)用。特別對(duì)于大型變電站，站內(nèi)功能節(jié)點(diǎn)較多的情況下，信息實(shí)時(shí)性將受到很大的影響。局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展解決了這些問題。
　　3.2 局域網(wǎng)通訊方式(LON、CAN、FF、Ether等)
　　局域網(wǎng)按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為主－從網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)兩種。主－從網(wǎng)易形成瓶頸，而從理論上講，變電站內(nèi)通信網(wǎng)上的任一節(jié)點(diǎn)的重要性和地位都是平等的，故一般采用平等式(pear to pear)網(wǎng)絡(luò)。
　　國(guó)際上90年代推出了一種更適合于采集、控制等工業(yè)環(huán)境，面向?qū)ο蟮木哂泻芨咝阅軆r(jià)格比現(xiàn)場(chǎng)總線(Field Bus)局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它有許多衍生品種。一般采用平等式網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)上遵循ISO/OSI協(xié)議設(shè)計(jì)，有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前國(guó)內(nèi)SAS中的主流通信技術(shù)。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的SAS的典型結(jié)構(gòu)示意如圖1所示:

　　四方公司生產(chǎn)的CSC2000就是采用了LonWork網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，形成實(shí)時(shí)可靠的站內(nèi)局域網(wǎng)。但是，現(xiàn)場(chǎng)總線畢竟是專為小數(shù)據(jù)量工業(yè)領(lǐng)域的通信而設(shè)計(jì)的廉價(jià)網(wǎng)絡(luò)，它只適合于字節(jié)傳輸，而不適合于文件傳輸，且通信節(jié)點(diǎn)超過一定數(shù)量時(shí)，響應(yīng)速率會(huì)迅速下降。為彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不足，一種可行的方法是采用復(fù)合網(wǎng)。在110kV及以上變電站中，通常將網(wǎng)絡(luò)分為兩層，在下位網(wǎng)(間隔層)采用現(xiàn)場(chǎng)總線，上位網(wǎng)(站控層)采用以太網(wǎng)方式，上位網(wǎng)與下位網(wǎng)通過前置機(jī)互聯(lián)。以太網(wǎng)的應(yīng)用為SAS開辟了新的發(fā)展空間。
　　以太網(wǎng)的帶寬高達(dá)10Mbps以上，網(wǎng)絡(luò)十分健壯，現(xiàn)已有廠家開發(fā)出全以太網(wǎng)的SAS，如國(guó)電南自的PS-6000變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用10M/100M以太網(wǎng)來架構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，IED設(shè)備直接通過以太網(wǎng)接口與以太網(wǎng)相連。使用開放式的TCP/IP協(xié)議，可方便地與廣域網(wǎng)相連。與復(fù)合網(wǎng)方案相比，省去了異種網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，減小了維護(hù)工作量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。
　　　　　　　表1給出了幾種目前SAS中常用的網(wǎng)絡(luò)形式的對(duì)照比較:

　在特別重要和大型的變電站中，還可以采用網(wǎng)絡(luò)分段或雙網(wǎng)配置來提高可靠性。
　4 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在SAS中的應(yīng)用前景
　　4.1 伴隨著變電站自動(dòng)化功能的開發(fā)，如遙視警戒功能、開關(guān)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)等功能。需要傳送視頻信號(hào)，運(yùn)行更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫。站內(nèi)局域網(wǎng)必將向?qū)拵Щ姆较虬l(fā)展，多媒體通信技術(shù)也將進(jìn)入到SAS中。快速以太網(wǎng)在帶寬、可擴(kuò)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、通用性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用會(huì)更加廣泛。異步傳輸模式(ATM)是基于信元的傳輸技術(shù)，可以提供高達(dá)1.2Gbps的傳輸速率，能提供局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的無縫接口，這種技術(shù)會(huì)受到重視。
　　4.2 目前，SAS中的繼電保護(hù)功能相對(duì)獨(dú)立，完全依賴于站內(nèi)通信網(wǎng)。從理論上講，只要站內(nèi)通信網(wǎng)的可靠性、實(shí)時(shí)性滿足要求，繼電保護(hù)功能也可以通過站內(nèi)通信網(wǎng)來完成。可以設(shè)想如果母線保護(hù)通過通信網(wǎng)采集信息和傳送命令，SAS的分布式結(jié)構(gòu)會(huì)變得非常理想。
　5 結(jié)論
　變電站自動(dòng)化發(fā)展到目前的階段，雖然達(dá)到了一定的水平，但它仍處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，產(chǎn)品難以定型。因此無論是生產(chǎn)廠家還是運(yùn)行單位,在設(shè)計(jì)和選擇SAS產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)根據(jù)變電站的規(guī)模、地位和投資情況綜合考慮。
　　5.1 對(duì)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，站內(nèi)宜采用局域網(wǎng)方式通信。其中總線網(wǎng)是首選，如:LON、CAN、Ether等是目前的主流，快速以太網(wǎng)前景最為看好。
　　5.2 對(duì)于傳輸介質(zhì)應(yīng)針對(duì)不同的電壓等級(jí)，結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇使用，力爭(zhēng)取得較高的性能價(jià)格比。對(duì)于電磁干擾比較強(qiáng)的場(chǎng)所宜選用光纖。
　　5.3 SAS生產(chǎn)廠家較多，產(chǎn)品更是復(fù)雜，但其SAS的通信網(wǎng)絡(luò)必須滿足開放性要求，貫徹IEC60870的標(biāo)準(zhǔn)，支持TCP/IP協(xié)議，使自己的產(chǎn)品與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方便地完成通信與數(shù)據(jù)交換。
　　現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)正朝著數(shù)字化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。它將引領(lǐng)著變電站自動(dòng)化系統(tǒng)向更高的層次邁進(jìn)。

參 考 文 獻(xiàn)
1.Neil Jenkins & Stan Schatt著.計(jì)算機(jī)局域解析.孫義等譯.機(jī)械工業(yè)出版社，1997
2.孫旭影等.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù).電子工業(yè)出版社，2000
3.金午橋.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展策略.電力自動(dòng)化產(chǎn)品信息，2001，20(1)
4.PS6000變電站自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)說明書.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司