短距离工业无线在变电站中的部署与应用模式研究

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短距离工业无线在变电站中的部署与应用模式研究

许继昌南通信设备有限公司翟文博
华北电力大学许 楠
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许继电气股份有限公司冯帅军王首萌

针对变电站环境中现有的光纤网络、工业以太网、现场总线等通信手段尚不完善，而短距离工业无线技术可实现灵活接入这一现状，研究提出了短距离工业无线网络在变电站监测类应用、分布式控制与监测系统、移动巡检与定位三种场景下的部署与应用模式，为短距离工业无线技术在变电站环境中的应用奠定了基础。

短距离工业无线；变电站；部署；应用模式

1.引言

近年来，随着智能电网的建设与发展，面向变电站环境的短距离工业无线技术受到了广泛的关注，已成为电力通信领域研究的热点之一。短距离工业无线在变电站中的典型应用场景包括变电站环境监测、变电站一次设备状态监测、变电站二次设备状态监测、故障监测和预警、智能巡检、无人值守变电站安全监测、静态图片数据传输、视频数据传输等。作为智能电网泛在互联的通信手段之一，短距离工业无线技术可以实现电网末梢“最后几百米”的接入，在变电站环境下具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

2.短距离工业无线的国内外现状

一般来说，工业生产现场无线信道环境复杂，存在金属屏蔽、多径干扰、电磁干扰等问题，且对数据传输的可靠性、实时性、低功耗等具有更高要求，短距离无线通信技术需要具备强电磁耐受、抗高压场强、低时延、鲁棒自愈、冗余备份等工业级设计，才能够进一步满足应用需求。现阶段短距离工业无线技术尚未在工业现场得到大规模应用，但国内外均已投入并开展了相关的研发工作。

2.1国外现状

2004年，由美国能源部发起，GE、Honeywell、RAE等70多家大公司参与成立了无线工业控制网络联盟（WINA），该联盟专门讨论无线技术在工业控制领域应用的技术难题。同年，美国工业技术计划在“传感器和自动化”方向上设立了4个重点项目，欧盟也集中25个组织启动了RUNES计划，制定了未来10年内无线技术在工业控制和自动化方面发展应用的开发路线图。

针对工厂自动化无线网络的广阔应用前景，国际仪器仪表协会（ISA）成立了专门的工作组着手制定高速、高实时工业无线网络标准。欧洲电信标准化协会（ETSI）成立了无线工厂工作组（WIFA）开展相关的研究工作。欧盟也成立了flexWARE项目旨在建立无线实时通信平台，实现实时环境下的无线自动化。同时很多厂商也加大了这方面的投入，如西门子提出了基于SCALANCE W的工业无线解决方案，ABB公司推出了面向工厂自动化的WISA系统并初步应用于车间级工厂自动化中。

2004年，HART通信基金会宣布开始制定无线HART协议［1］，作为HART现场通信协议第七版HART7.0的核心部分，已于2007年6月正式通过。2004年12月，美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准SP100委员会。2006年7月，现场总线基金会也宣布成立无线工作组，着手制定基于无线通信的基金会现场总线标准。

2.2国内现状

2007年，由中科院沈阳自动化研究所牵头，联合机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、浙江大学、北京科技大学、重庆邮电大学等十余家单位成立了中国无线工业联盟，着手制定WIA-PA标准［2］。WIA-PA标准基于IEEE 802.15.4，已于2008年10月31日经过国际电工标准委员会（IEC）全体成员国的投票通过，作为公共可用规范IEC/PAS 62601标准化文件正式发布。目前，WIA-PA已成为国家标准“GB/T 26790.1-2011工业无线WIA规范”。

2014，由中科院沈阳自动化研究所牵头研究制定的工厂自动化工业无线网络技术规范（WIA-FA）［3］，经IEC/TC65全票通过，作为IEC可公开提供的技术规范发布，成为国际上第一个面向工厂高速自动控制应用的无线技术规范。

3.变电站自动化系统功能逻辑

变电站通信网络是支撑变电站自动化系统的重要基础，对于实现变电站设备及馈线的监视、控制和保护具有重要的作用。此外，变电站通信网络还需要实现变电站自动化系统的维护功能，如系统配置、通信管理或软件管理等。根据文献［4］，传统的变电站自动化系统的功能逻辑可分为三个不同的层，包括站控层、间隔层、过程层。这些功能层和逻辑接口1-10的逻辑关系如图1所示。

图1　变电站自动化系统功能层和逻辑接口示意图

站控层功能分为过程有关站层功能和接口有关站层功能。过程有关站层功能是使用一个以上间隔层数据或者整个变电站的数据，控制一个以上间隔层的一次设备或整个变电站，例如站级连锁、自动顺序控制、母线保护。接口有关站层功能表示变电站自动化系统与就地变电站运行人员人机接口、与远方控制中心接口（远动接口）或与远方监视和维护工程师办公接口（远方监视接口）等功能。

间隔层使用间隔层数据，作用于间隔层内的一次设备。间隔层功能的定义考虑了变电站一次结构中的某些广义的子结构和有关这种子结构的二次系统（变电站自动化）某些就地功能，即自治功能。一些功能如线路保护、间隔控制，在间隔层内经逻辑接口3通信，经逻辑接口4和5与过程层，即与远方I/O、智能传感器和控制器通信。

过程层功能指与过程接口的全部功能，基本状态量和模拟量输入输出功能，如数据采集（包括采样）、发出控制命令等。

4.短距离工业无线在变电站中的部署与应用

从第3节的分析中可知，变电站自动化系统为典型的“三层两网”结构。三层即为站控层、间隔层、过程层；两网分别是：过程层与间隔层之间的网络、间隔层与站控层之间的网络。变电站短距离无线通信网络的主要应用包括设备状态和运行环境监测、接地网在线监测、GIS局放监测等监测类应用，分布式控制与监测系统，移动巡检与定位等三类。本节基于我国自主的WIA-PA和WIA-FA标准，分别针对上述三类应用，探讨短距离工业无线网络在变电站中的典型部署与应用模式。

4.1监测类应用

过程层与间隔层之间的网络主要面向监测类应用，主要具有以下特征：

（1）报文以上行报文（从过程层至间隔层的报文）为主，主要包括低速报文、原始数据报文、文件报文以及时间同步报文等4种报文类型，对实时性要求均较低，对速率要求约几十kbps；

（2）网络数据流向为自下往上，上级节点汇聚来自多个节点的采集数据，需具有较强的数据处理能力；

（3）网络终端节点通常为传感节点。在变电站环境中取电困难且大部分传感节点未采用自取电技术，能耗是影响节点寿命的关键因素之一，因此，短距离工业无线网络需采用节能机制；

（4）网络通常需要包含中继节点。因传感节点通常位于待监测设备内部或者附近，某些情况下与数据汇聚节点间的距离较远，单跳可能无法满足通信质量；

（5）变电站环境需要监测的状态量较多，每种状态量的数据量及监测频率不同，监测网络需能够满足上述差异化的需求。

综上所述，过程层与间隔层间的网络特性与无线传感网络类似，是典型的Mesh网络，需要考虑多跳、节能及自组网等问题。本小节提出设备、环境监测类应用系统主要由监测设备和通信网关构成，在某些特殊的情况下，通信网关可将监测到的数据上传至基站，进而传至服务器；或者服务器、基站通过通信网关向监测设备发送信息。过程层中各种无线监测终端安装在设备运行现场，主要对各种设备的状态和运行环境进行监测，具体监测内容如表1所示。采集的监测数据可以通过WIA-PA网络传送给间隔层的无线通信网关，无线通信网关与站控层的通信基站主要通过WIA-FA网络的方式进行通信。通信基站可内嵌IEC61850协议转换模块，支持以IEC61850协议规范与站内监测主机通信。

表1　变电站设备状态与运行环境监测主要内容

变电站现场根据实际应用的要求，需布置多个无线通信网关，每个无线通信网关都集成WIA-PA和WIA-FA两种通信模块，下行与各种无线监测终端通信，组成多个独立的WIA-PA无线通信网络，上行与通信基站实现WIA-FA无线通信。

4.2分布式控制与监测系统

间隔层网络主要面向分布式控制与监测系统应用，如继电保护装置、测控装置、故障录波等。变电站的分布式控制与监测系统用于保证变电站的稳定运行，故障发生时及时进行保护与控制，最大程度缩小变电站内的故障区域，控制故障影响在单间隔内，减少装置受损程度，保证变电站运行不受较大影响。

目前，智能变电站内的分布式控制与监测的通信网络为以太网、光纤等构建的有线环形网络为主，而且大部分采用一主一备两个环形网络的冗余结构。采用有线的通信方式构建变电站内的分布式控制与监测系统施工量大、成本高，而且在变电站故障维护与设备更新上工作量与工作难度都较大。根据DL/T 860标准的要求，变电站内分布式控制与监测系统的传输时间要求根据性能类分级而有所不同，其保护与控制中的中速报文的传输时间要求为≥100ms，一些保护与控制的报文通信时间要求达到500ms甚至1000ms。短距离工业无线网络应用于智能变电站的分布式控制与监测系统的方式为：无线通信节点与监测控制端智能电子设备（IED）实现集成，构成基于无线的智能电子设备，即无线式IED。前端监测控制端IED与前端电流互感器（CT）等监测装置连接，接收CT等监测装置上传的数据信息，当前端IED接收到前端CT监测到的过电流等故障信息后通过短距离无线方式与间隔内的通信网关或无线接入点（AP）通信，通信网关或无线AP向该间隔后端监测控制端IED发送保护信息，后端IED接到信息后及时执行相应控制保护操作，断开后端线路断路器，保护后端线路及变压器等一次设备不受故障冲击。同时，通信网关、无线AP可将间隔内故障信息上传至控制室内的监测服务器进行分析处理。

4.3移动巡检与定位

智能移动巡检是及时发现变电站电力设备隐患，高效进行检修且避免出现漏检和错检的有效方式。在智能移动巡检通信网络中，巡检人员和设备的定位、巡检数据的快速高效获取是亟需解决的两个重要问题。

变电站移动巡检与定位系统结构如图2所示，主要由变电站在线监测设备、手持移动终端（或可穿戴设备）、巡检机器人、定位基站、站内通信基站组成。

图2　变电站移动巡检与定位系统结构

在巡检定位应用中，手持移动终端（或可穿戴设备、巡检机器人）内嵌定位模组作为定位标签，变电站现场部署的WIA网关、仪表都可以作为定位基站。一般情况下，通过获得WIA网络的信号强度使用指纹定位，即可满足通常的定位精度要求；在高精度场合，可以实现1m精度的精确定位；当巡检设备在不同区域漫游时，通过融合定位技术可以保证定位轨迹的连续性。为了满足覆盖要求，可根据现场情况适当增加定位基站，以提高定位精度。定位巡检设备除了可以实现变电站范围内的精确定位之外，还可以同时记录行进轨迹，并将定位信息通过触摸屏实时显示。此外，还可完成边界预警和资产管理等功能。

4.4部署及应用建议

综上所述，从业务量角度来说，过程层主要传输基本状态量、模拟量信息、控制命令信息等，总体来说数据量相对较小，对时延的要求也相对较小。此外，该网络面向设备或环境监测类应用，有可能通过多跳和中心节点（间隔层）连接，网络属性类似于无线传感网络，可采用低速工业无线通信网络技术，如基于WIA-PA的低速高可靠工业无线技术等。

间隔层不仅要收集过程层的数据，其自身也会产生一些数据，总体来说数据量较大，对时延的要求也较高。不同间隔层网元单元之间可实现相互通信，间隔层和站控层之间也可以实现相互通信。该网络属性和无线局域网非常类似，故可采用高速无线局域网技术，如基于WIA-FA的高速高可靠工业无线技术等。

总结应用场景、需求与技术的对应关系，提出短距离工业无线在变电站中的部署与应用模式如表2所示。

表2　　短距离工业无线在变电站中的部署与应用模式

5.结束语

在大力推动智能电网建设与发展的背景下，短距离工业无线技术在电网中的应用得到了广泛关注。变电站作为电网的核心环节，存在很多适用短距离工业无线的应用场景。本文主要对短距离工业无线在变电站中的部署与应用模式展开研究，为短距离无线通信在变电站环境中的应用奠定了基础。短距离工业无线作为智能电网通信技术的一个重要方向，预期将得到进一步快速的发展。

［1］彭瑜.无线HART协议——一种真正意义上的工业无线短程网协议的概述和比较［J］.仪器仪表标准化与计量，2007，31-37.

［2］IEC 62601，Industrial communication network-Fieldbus specifications WIAPA communication network and communication profile［S］.Geneva IEC，2008.

［3］张晓玲，梁炜.第四十七讲:WIA-FA工厂自动化无线网络［J］.仪器仪表标准化与计量，2014，17-21+33.

［4］DL/T 860.5-2006.变电站通信网络和系统:第5部分功能的通信要求和装置模型.

国家电网公司科技项目“电力复杂电磁环境下高可靠短距离无线通信关键技术研究”资助。