现场总线技术在电力系统自动化中的应用

连云港供电公司 万发勤

一、技术优势

现场总线技术（FCS）实际上是将安装在工业过程现场的智能自动化仪表和装置与设置在控制室内的仪表和控制设备连接起来的一种数字化、串行、双向、多站的通信网络。因此现场总线的内涵已远远不是指一根通讯线或一种通讯标准。现场总线控制系统FCS在精度、可靠性、经济性等许多方面都要比传统的控制系统要优越得多。

（1）开放性

电力系统自动化是一个集传统技术改造与现代技术进步于一体的技术总体推进过程，传统的控制系统是个自我封闭的系统，一般只能通过工作站的串口或并口对外通讯。在FCS中工作站同时靠挂于现场总线和局域网两层网络，通过后者可以与其他计算机系统或网络进行高速信息交换，以实现资源共用。其次，现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的，没有专利许可要求，实行技术共享。可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。用户可按自己的需要把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统（见图1）。

（2）互操作性与互用性

互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。在以往的DCS中，不同厂家生产的产品不能互换，要想更新技术和设备，只能全部更换。

（3）智能化与功能自治性

传统的DCS至少要有操作站、控制站和现场设备三层结构，其信号传递是模拟信号的单向传递，信号在传递过程中产生的误差较大，另外系统难以迅速判断故障而带故障运行。在FCS中采用双向数字通讯，它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

（4）高度分散性

在FCS中，由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了原有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

（5）适应性

现场总线作为工厂底层网络工作在现场设备前端，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求。

图1 FCS系统构架

二、典型现场总线标准简介

由于市场的驱动，世界各大控制系统厂家都相继开发了各自的现场总线产品，虽然国际电工委员会已经公布了现场总线的国际标准IEC61158，但该标准包含了8种现场总线，这就给用户选择带来了困难。较为主流的现场总线为以下3种：

（1）Profibus是遵循德国标准（DIN 19245）和欧洲标准（EN5O17O）的现场总线。ISO/OSI是它的参考模型之一，由Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus-PA系列组成。DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式，最多可挂接127个站点。

（2）基金会现场总线，即Foudation Fieldbus，简称FF，是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等8O家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的15O家公司制订的WordFIP协议，于1994年9月合并成立的。FF致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

（3）Lonworks现场总线，由美国Echelon公司推出，并由Motorola及Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从3OO b/s至1.5Mb/s不等，直接通信距离可达27OO m（78 kb/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、交通运输、工业过程控制等行业。

三、工程效益可观

（1）节省硬件数量与投资：在FCS中，由于前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS的信号调理、转换、隔离等单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

（2）节省安装费用：FCS的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6O%以上。

（3）节省维护开销：由于现场智能设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

（4）用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了设备的选择范围，不会因为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

（5）提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

四、在电力系统自动化中的应用

电力系统自动化的特点是被控制的对象（设备）复杂而庞大，分散性强，联系紧密，被控制的参数多，干扰严重。目前现场总线技术也正在逐步融入电力行业，随着现场总线技术在低压电器、高压开关设备、低压成套设备中的应用，其作用也越来越突出，是实现电力系统自动化的关键。目前，已经有比较成熟的现场总线产品和系统在电厂、变电站自动化、配电网自动化中投入使用，都获得了很高的经济效益和发展前景。

比如，现场总线技术可以帮助高压开关设备实现智能化，进行在线检测、运行状态监视、控制、保护动作、趋势分析和判断。现场总线在高压开关设备中的应用是伴随着智能化高压电器的发展而发展。

再比如，智能化箱式变电站是以智能化设备为基础，以现场总线为核心的智能化系统。该系统集遥测、遥控、遥信、遥调、故障识别、隔离恢复为一体。国外，欧洲尼德豪森电厂率先将FCS系统应用到2台95OMW机组控制中，2OO3年投入商业运行。整个系统包括721台马达、67O个电磁阀、957个阀门定位器、698台电动执行机构和35O个现场控制器，这些智能设备均通过现场总线与工作站相连。整个系统只需配备一个操作员，大大提高了电厂的自动化水平。

五、结语

随着科学技术的突飞猛进，电力自动化技术得到了广泛应用，现场总线技术引入电力系统是在根本上优化控制系统的各种性能，将整个生产过程的控制功能分散，为每个被控设备就地配备专用的底层前置控制计算机，这种现场总线技术的系统，还可与其它计算机、节点通讯，构成高性能的控制系统，这样无疑增强整个电力系统自动控制系统的可靠性和系统组织的灵活性。

[1]苏永峰.CAN总线技术在电力系统综合自动化的应用[J].电气技术,2006(09).

[2]李志梅.浅谈现场总线技术的应用[J].科技咨询,2011(02).

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