浅谈应用计算机监控的水电站站内通信

朱雪雄

摘 要：水电站计算机监控系统是现代水电站的重要组成部分，其技术水平、安全可靠性及其运行维护水平对水电站的安全稳定与经济运行密切相关。目前，我国大、中型水电站已普遍采用计算机监控，计算机监控设备之间利用通信系统连接。该文首先阐述水电站站内通信常用通信介质双绞线、光纤的结构，并比较了两种通信介质，其次分析了水电站站内下位机之间的RS485通信、现场总线通信以及上位机与下位机之间的以太网通信，最后分析了水电站计算机监控系统与MIS系统、状态监测系统的通信方式。

关键词：双绞线 光纤 串行通信 现场总线 以太网

中图分类号：TV73 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（a）-0006-03

应用计算机监控的水电站站内通信系统通常有水电站计算机监控系统、水电站状态监测系统、水电站MIS系统等。各个通信系统有双绞线、光纤、交换机、路由器等通信介质和通信设备。水电站站内通信具有通信系统可靠性要求高、通信方式多样化、传输信息种类繁多等特点。因此，通信系统是水电站正常运行的可靠保障，要求在任何情况下均能畅通。

1 水电站站内通信常用通信介质

1.1 双绞线

双绞线是目前使用最广的一种传输介质，它有价格便宜、易于安装、适用于多种网络拓扑结构等优点。双绞线一般由两根绝缘铜导线相互缠绕而成，实际使用时，双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的。典型的双绞线有四对的，也有更多对双绞线放在一个电缆套管里的。双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两类。UTP易受外部干扰，包括来自环境噪声和附近其他双绞线的干扰。[1]屏蔽双绞线STP就是在其外面加上金属包层来屏蔽外部干扰，虽然抗干扰性能更好，但比UTP贵，且安装也较困难。双绞线与网络设备的接口是RJ-45接口。

水电站通信用双绞线一般有2种线序：直连线、翻转线。水电站通信直连线用得最多，主要用于水电站上位机与交换机连接；翻转线用于对水电站路由器、交换机等网络设备进行设置。

1.2 光纤

光纤是一根很细的可传导光线的纤维媒体，其半径为几微米至一、二百微米。制造光纤的材料可以是超纯硅、合成玻璃或塑料。一根或多根光纤再由外皮包裹构成光缆。按照光纤中光的传输模式分为单模光纤和多模光纤，单模光纤只允许一束光传播，多模光纤，即发散为多路光波，每一路光波走一条通路。[2]

如图1所示，光缆连接器有用户通道连接器（Subscribers Channel-SC）、直插式连接器（Straight-tip，ST）、MT-RJ连接器3种。其中用户通道连接器用于有线电视，采用推拉式固定方法。直插式连接器将光缆连接到网络设备，使用卡口式固定方法。MT-RJ连接器与RJ-45规格一样。水电站通信用光缆连接器一般用的是直插式连接器和MT-RJ连接器。

1.3 双绞线、光纤在水电站站内通信的比较

在水电站站内通信的应用中， 双绞线与光纤比较而言，光纤具有以下优点。

（1）布线方便。

在具有相同信息传输能力的情况下，光纤要比双绞线细得多，也轻便得多。给水电站通信布线带来明显的优势，光纤即可降低对支撑物的要求也可减小管道的体积。

（2）低衰减。

水电站站内上位机和下位机的范围可能达到几百米，双绞线在100 m范围内才能达到数百Mb/s的数据速率，100 m以上范围信号会衰减。相对于双绞线，使用光纤信号的衰减要小得多，不加中继或放大直接传输，其速率达若干Gb/s。

（3）抗电磁干扰。

水电站高低压设备运行时会产生强大的电磁场，双绞线传输的信号是电信号，会受到电磁干扰影响通信效果。而光纤传输的是光信号，在水电站使用不受外部电磁场的影响。此外，光纤也不向外辐射电磁场，不会对水电站的上位机和下位机造成电磁干扰。

2 水电站站内通信方式

2.1 水电站监控系统下位机之间通信

下位机设备的互联通信可以增加数据采集的灵活性和数量、节省大量电缆，减少施工时间，常用的通信互联方式包括串行通信、现场总线通信方式。

（1）串行通信接口。

串行通信接口RS485是目前监控系统下位机设备之间相互连接的一种通信接口方式。由于水电站下位机需要通信互联的设备较多，且各设备通信接口和规约标准不一，串行通信接口和编程比较简单且形式多样，能比较好地适应当前下位机各设备接入的实际情况。如图2所示，参与控制的设备需直接接入主PLC控制器，监控系统一般均配置通信工作站、嵌入式智能通信装置、串口转现场总线设备等，提供8～16个串行口接入现场串行通信设备，并通過网络接口连接监控系统网络。

（2）现场总线网。

现场总线网采用RS485通讯接口，通讯波特率多在4 800～19 200 bps之间，最远传输距离为1 000 m左右，一般采用屏蔽双绞线或同轴电缆作为通讯介质。[3]如图3所示，水电站采用现场总线将分散在现场的微机保护系统、调速系统、励磁系统、PLC、非电气量测量等连接成一体，组成现地控制子系统，提高了系统的自治性和可靠性，节省了大量信号电缆和控制电缆。

2.2 水电站监控系统上位机与下位机之间的以太网通信

水电站监控系统上位机与下位机之间的以太网通信是使用交换机来连接通信设备，交换机的高速背板和强大的存储转发功能，使得上位机与下位机可以独自享用10 Mbps或100 Mbps的传输速率，网络的实际带宽大幅度提高。[4]如图4所示，水电站上位机与下位机以太网通信方式互联。这种通讯方式可靠性高，设备直接上网，便于网络控制和管理，提高了系统响应速度。

2.3 水电站监控系统与MIS系统、水电站状态监测系统通信

水电站监控系统位于生产控制大区，MIS系统、水电站状态监测系统位于管理信息大区（安全Ⅲ区）。根据《电力二次系统安全防护规定》，生产控制大区与管理信息大区两个系统间数据双向交换需通过电力专用正反向物理隔离装置，专用正反向物理隔离装置需经国家指定部门检测认证。图5是水电站监控系统与MIS系统、状态监测系统经隔离装置隔离后的以太网通信。

3 结语

该文分析了水电站站内通信常用通信介质双绞线、光纤的结构及水电站站内通信方式。得出以下结论：光纤具有布线方便、低衰减、抗电磁干扰等特性，水电站站内通信应采用光纤作为通信介质。以太网通信方式可靠性高，设备直接上网便于网络控制和管理，提高了系统响应速度，水电站监控系统上位机与下位机、下位机之间应采用以太网通信。水电站计算机监控系统与MIS系统、状态监测系统的通信方式应采用隔离装置和以太网通信。

参考文献

[1] 赵乾，钱建平，郭恩全，等.双绞线电磁干扰防护研究[J].电子测量与仪器学报，2010，24（3）：279-282.

[2] 王惠文.光纤传感技术与应用[M].国防工业出版社，2001.

[3] 汪志强，彭煜民，张学峰.清远抽水蓄能电站监控系统下位机网络设计综述[J].水电与抽水蓄能，2016，2（5）.

[4] 郑文，薛晔，高嬿.水电站计算机监控系统的局域网络通信[J].长春工程学院学报：自然科学版，2003，4（2）：67-69.