现行在线监测系统总线的研究与分析

李铖

(四川宏业电力集团有限公司工程部，四川 成都 610091)

1 系统总线概述

在线监测技术的发展促进了电力系统检修从以时间为基础的检修体制(Time Based Main-tenance)过渡到以状态为基础的检修体制(Condition Based Maintenance)［1，2］。系统总线作为在线监测系统主从机之间实现双向串行多节点数字通信的通道，起着非常重要的作用。采用总线技术可以为在线监测系统搭建开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

串行系统总线经历了从最初的RS－232到RS－485再到现在技术较为成熟的现场总线的变化。RS－232作为最早应用的异步串行通讯总线，虽然在最初的阶段发挥了重大的作用，比如计算机串口即为RS－232，但由于本身电气和机械特性的缺点导致被后来的RS－485所代替。RS－485传输距离远，抗干扰能力强，通信速率较高，并且成本低廉，从其诞生开始市场占有率就非常高，而且目前仍然占据着重要位置。随着信息技术、自动化技术的飞速发展，20世纪80年代中期以后，现场总线开始兴起。作为一种专业的系统总线，现场总线能够解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，并为电力系统实现遥控、遥视及综合自动化提供了可能。相比较RS－485，现场总线更加功能智能化和结构分散化。

虽然现场总线具有通信标准公开，系统具备开放性，设备间具有互可操作性;功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性;控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性等诸多优点，但由于现场总线的发展没有经过一个统一标准的制约，造成了目前现场总线种类繁多的困局。现有的40余种现场总线中，比较出名的包括法国的 FIP、英国的ERA、德国西门子公司的ProfiBus、挪威的FINT、Echelon公司的 LonWorks、Phenix Contact公司的 InterBus、RoberBosch公司的 CAN、Rosemounr公司的 HART、CarloGarazzi公司的 Dupline、丹麦 ProcessData公司的P-net、PeterHans公司的 F-Mux，国际标准组织的 FF、WorldFIP、BitBus，美国的 DeviceNet与 Control-Net等等。为了有一个较为统一的局面，IEC在2003年4月颁布了61158 Ed.3的现场总线标准，规定10种类型的现场总线。实际上，现场总线从诞生开始就受到各厂商自身利益甚至国家利益的影响，10种现场总线的同时存在意味着仍然没有一种统一的标准。我国由于没有相应的总线标准，市场也非常混乱，制约了相应产业的发展。

电力系统在线监测也存在的系统总线选取的问题，从已经投入使用的在线监测系统反映出，RS－485仍然是主要的选择对象［3－8］，但由于 RS－485存在着某些不可避免的缺点，CAN和 LonWorks也有应用［9－11］。本文在对几种系统总线进行分析和对比的基础上，提出适用的系统总线，为在线监测系统设计提供一定的参考。

2 几种系统总线的特点分析

目前应用在在线监测的系统总线，RS－485最多，其次是CAN和LonWorks，本文将主要分析这三种系统总线，同时FF(现场总线基金会)现场总线作为目前比较公认的国际标准，也有所分析。

2.1 RS485总线

EIA(Electronic Industries Association)于1983年颁布RS－485总线标准(RS为Recommended Standard的缩写)。原本RS－485的提出是为了解决RS－232串行通信在传输距离和通信速率上的不足，其中增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。RS－485后命名为TIA/EIA －485 － A 标准，其主要特性如下［1，12－13］。

(1)RS－485中逻辑“1”以两线间的电压差为+(2～6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为－(2～6)V表示。该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

(2)RS－485接口的最大传输距离标准值为1200m，数据最高传输速率为10Mbps。

(3)RS－485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力强，即抗噪声干扰性好。

(4)RS－485接口在总线上允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS－485接口方便地建立设备网络。

(5)RS－485一般只需两根连线，屏蔽双绞线即可满足要求。

(6)RS－485通信标准是属于七层(OSI开放系统互联)模型的物理层的协议标准，并不涉及接插件、电缆或协议，因此用户可根据需要建立自己的高层通信协议及符合协议标准的服务软件。

2.2 CAN总线

CAN(Controller Area Network控制器局域网)是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络，比如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表设备、电子主干系统。由于CAN本身的特点，其应用范围已不再局限于汽车工业，正在向过程控制、机械工业、纺织工业、机器人及传感器等领域发展，目前已经形成了国际标准(ISO11898)，现在很多半导体厂商推出的CPU中都内置了该控制器。CAN 具有如下特性［12－15］。(1)CAN的通信速率为5Kbps(10km)、1Mbps(40m)，节点数是110个，传输介质为双绞线或光缆等。

(2)CAN采用点对点、一点对多点及全局广播3种方式发送和接收数据。

(3)CAN可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均可主动发送报文，用此特点可方便地构成多机备份系统。

(4)CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术。当两个节点同时向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，优先级高的节点可不受影响地继续发送信息;按节点类型分成不同的优先级字节数为8个，传输时间短，受干扰的概率低。

(5)CAN采用循环冗余校验及其他检错措施，这样不影响总线的正常工作。

2.3 LonWorks总线

LonWorks总线技术是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。LonWorks是将通信协议嵌入到一个芯片内，用户采用该芯片及相关的配件就可设计出自己需要的各种应用节点，再利用各节点与路由器/中继器等组成Lon-Works网络。目前，它主要用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。LonWorks主要特性如下［12，14－15］。

(1)LonWorks通信速率为 78Kbps(2700m)、1.25Mbps(130m)，节点数是3200个，传输介质为双绞线、同轴电缆、光缆、电源线等。

(2)Lonwork采用LonTalk通信协议，该协议遵循国际标准化组织ISO定义的开放系统互联OSI全部7层模型。

(4)Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C派生出来的。LonWorks提供给了一套开发工具 LonBuilder与 NodeBuilder。

(5)LonTalk协议提供5种基本类型的报文服务:确认(Acknowledge)、非确认(Unacknow-ledged)、请求/响应(Request/Response)、重复(Repeated)、非重复确认(Unacknowledged Repeated)。

(6)LonTalk协议的介质访问控制子层(MAC)对CSMA做了改进，采用一种新的称作Predictive P-Persistent CSMA的CSMA，根据总线负载随即调整时间槽n(1～63)，从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化。

2.4 FF总线

现场总线基金会(Fieldbus Foundation，FF)是国际公认的惟一不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织，宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无需专利许可，可供任何人使用。这是以美国Fisher－Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1，2，7层)，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF主要特性如下［12］。

(1)物理层:基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kb/s，通信距离可达1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mb/s和2.5Mb/s两种，其通信距离为750m和500m。传输速率为 31.25Kbps(1900m)、1Mbps(750m)、2.5Mbps(500m)。传输介质可采用有限电缆、光缆和无线通信，支持总线型、树型和点－点型拓扑结构，信号采用曼切斯特编码。

(2)数据链路层:由上下两部分组成，下层部分的功能是对传输介质传送的信号进行发送、接收和控制;上层部分的功能是对数据链路进行控制。

(3)应用层:由访问子层FAS和报文规范FMS组成。FAS提供3类服务:发布/索取、客户机/服务器和报文分发。FMS规定了访问应用进程AP和报文的格式与服务。

(4)用户层:规定了标准的功能模块供用户组态使用。利用功能块数据结构执行数据采集、处理、控制和输出，因而给用户带来极大的方便。

可以看出，FF总线标准不仅仅是信号和通信标准，更是一个系统标准，这也是FF和其他现场总线系统标准的关键区别。

3）气体管道维护。由于垃圾堆体的沉降而导致气体导排管弯沉，以及HDPE材质的气体导排管的线性膨胀系数高，在日间和夜间伸缩明显，容易导致气管支撑滑脱，气管弯曲积水。气体管道的维护主要是对气体导排管内部的冷凝水进行疏导，保证气体管道通畅，确保收气效果。气管冷凝水疏导工作为日常工作，需要每日进行巡检，维护。

3 在线监测系统的特点

目前的在线监测系统从结构上可以分为两类:一种是分布式;一种是集中式。分布式将信号的处理下放各个现场单元，即在现场就完成模数转换，综合监测主屏只负责数据的显示和存储等功能;集中式将现场获取的状态参数按照顺序依次传送到监测主屏，由主控机完成信号的处理、显示和存储等功能，因为集中式只需在监测主屏里面设置模数转换模块，因此成本更低，但是不可避免的会出现模拟信号在传输过程中存在衰减和受到电磁干扰的问题。集中式的系统总线只需承担通讯功能，模拟信号通过专有的信号线传送到监测主屏，而分布式不仅要承担通讯功能，还要承担状态数据的上传功能。

表1 典型电力设备绝缘监测特征参量

在线监测对象和监测的特征参量不同，获取的状态参数的数据量大小也不同，比如避雷器的特征参量包含动作次数，这个在数据帧中仅需很少的字节就可以表征，但局部放电的监测因为进行放电脉冲的采样会有大量的状态信息需要传送，系统总线上的数据量很大。在电力系统中，通常需要进行在线监测的电力设备包括:电力变压器、电力电缆、断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器、电抗器及隔离刀闸等。GIS随着广泛的应用也成为监测的对象，同时电厂的发电机也是主要的监测对象。

不论是分布式还是集中式的监测系统，同其他领域的自动化系统有所不同，它的特点主要表现在。

(1)可靠性要求高。在线监测通常处于电磁干扰非常强烈的环境，系统总线必须能够正确地发送数据和接收数据，避免产生冲突。

(2)只进行监测工作，没有复杂的控制任务。在线监测系统通常只向控制单元或者中心传送设备工作状态的参数，设备出现问题后只需报警交由控制中心人员进行处理，本身没有控制作用，主从方式就可以满足工作需要。

(3)实时性要求不高。高压设备绝缘的劣化通常是渐进式发生的，除去特殊情况一般不会突然发生故障，因此在线监测系统在数据的实时获取、传输和显示上要求不高，每天也只需工作特定时段就可满足监测要求。

(4)采用巡检方式。当需要获取电力设备的状态参数时，并不是同时获得所有监测对象的参数，而是由上位机发送指令，依次连接每一个现场单元，顺序获取每一个对象的状态参数，因此在系统总线上不会出现在同一时刻多个设备监测数据传送的情况。

(5)具有良好的扩充性。系统总线只需根据监测对象的增加与减少增减相应的监测节点，不必更改系统总线的物理结构，造成额外的成本支出。

(6)能够方便的与电力系统综合自动化系统有机兼容和接入。目前，电力系统控制越来越趋向于自动化和综合化，在接口方面，在线监测要能与综合自动化系统能够无缝连接，且与综合自动化系统没有硬件兼容问题。

在线监测系统的这些要求，理论上 RS－485，CAN，Lonwork以及FF现场总线都能够达到，并且还具有各自的优点，如何确定应用哪种系统总线，需要权衡考虑，合理选取。

4 在线监测系统总线的分析

RS－485采用平衡差分传输，抗干扰能力强，传输距离远，适用于主从网络，能允许挂接32个节点，变电站中所有电力设备都能够作为一个节点单元，因此非常适合作为在线监测的系统总线。对于变压器、GIS和电力电缆等电力设备的局部放电等绝缘参量在分布式结构下进行在线监测时，RS－485也能满足局部放电的数据传输，文献［16］中已经将其作为局部放电模数转换后数据传输的总线。虽然RS－485作为传统意义上的系统总线，就其先进性和技术性上确实不如现场总线技术，但是，它具有现场总线技术不能比拟的性能价格比，组建一个RS－485的系统网络只需要很低的成本，硬件电路只需通过一个总线收发器就可以挂接到总线上，不同IC厂商的收发器可以直接互换，能够在多种系统条件下工作。同时，RS485的物理层标准同时还被CAN、FF、LonWorks等总线采用，足见其底层应用的广泛。但RS－485最大传输距离为1200m，这在比较大型的变电站或者发电厂作为系统总线时显得捉襟见肘。随着对电力系统可靠性要求的提高，监控一体化成为电力系统的发展趋势，要求在线监测获得绝缘状态参量后能够通过专家系统判断故障并自行切除，同时还能够将这种功能下发到现场单元，在这种实时性要求很高的条件下RS－485也难以胜任。

CAN是4种总线中传输距离最长的(能够达到10km)，所以非常适合大型的变电站或者发电厂。CAN规约中数据长度有限制，数据帧最多只能为8个，因此每个数据帧只能发送8个字节有用信息。在线监测中为了获取足够的信息，比如现场的温湿度值再加上地址和检验值，下位机向上位机发送的帧格式可能大于8个字节，这样造成CAN使用起来不方便。CAN总线只规定了物理层、数据链路层和应用层3层，因此要真正方便地实现各种集成也不是很容易。

LonWorks采用神经元芯片，并将LonTalk通讯协议固化在芯片中，节点间可以对等通信，但若采用LonWorks总线，首先需要购买一套昂贵的开发工具平台Lon Builder和Node Builder，并且要求开发人员要求有很丰富的网络知识和经验，这无形之中增加了在线监测系统的成本，制约了LonWorks总线的应用。而且，LonWorks总线不在IEC61158中推荐的总线标准之内，其最终应用前景很难预料。

FF总线因为有广大企业的支持成为目前应用前景最好的总线技术，适合于通信任务比较复杂、安全性能要求比较高的工业过程控制场合，而且已经成熟的运用，但目前并未进行在线监测领域，因此还需观望。

实质上，RS－485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议;而现场总线是一个定义了硬件接口和通信协议的标准，要有相同的硬件接口和通信协议才能互相连接。虽然现场总线技术相比RS－458存在着技术上的众多优势，但实际上现场总线自身标准的不统一却抑制了这种发展，各个厂商的产品互不兼容，同时，昂贵的价格也让客户望而却步。现场总线因为加入现场处理单元其成本是RS－485的数倍，而一般情况下在线监测的投入并不大，因此也不会在现场总线上面投入更多的资金。相比之下，RS－485原理简单，一般的人员只需阅读相关资料就可进行设计。RS－485只涉及物理层和数据链路层，对高层没有要求，这就留给设计人员很大的想象和设计空间，能够充分研发符合用户需要的产品，做到成本与效益的完美结合。

5 结论

(1)RS－485因为其原理简单、布网方便、成本低廉仍然是目前在线监测系统总线的首选，并且由于许多设备继续沿用这种总线在系统升级或者扩充时不会造成系统兼容问题。

(2)RS－485比较适用于中小型变电站在线监测系统;现场总线比较适用于大型的变电站和发电厂。

(3)目前现场总线的标准并没有统一，购买的产品很可能与现有产品产生兼容问题，因此对现场总线的选取需要慎重考虑。同时，相关部门还应该加快我国现场总线应用标准的制定工作，推动产业发展。

(4)随着信息技术和控制技术的发展以及监控一体化的客观要求，今后在线监测系统总线应该转向现场总线，在其基础上仔细分析、合理选取。

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