電力電子系統(tǒng)在風能電網(wǎng)中的應用與發(fā)展前景

從變電站自動化系統(tǒng)對站內(nèi)通信網(wǎng)的要求入手，分析了設計站內(nèi)局域網(wǎng)的思路， 總結了網(wǎng)絡通信技術在SAS中的實際應用情況，探討了站內(nèi)通信網(wǎng)的發(fā)展方向。
【關鍵詞】變電站自動化 網(wǎng)絡通信 局域網(wǎng) 以太網(wǎng)
0 引 言
　　現(xiàn)代的變電站自動化是在計算機技術和網(wǎng)絡通信技術的基礎上發(fā)展起來的。我國的變電站自動化從九十年代開始，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)絡通信技術的進步對變電站自動化的發(fā)展起著極大的推動作用。
　　IEC61850對變電站自動化系統(tǒng)(SAS)的定義是：在變電站內(nèi)提供包括通信基礎設施在內(nèi)的自動化?？梢娬緝?nèi)通信網(wǎng)是變電站自動化系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅在站內(nèi)提供各種智能電子設備(IED)之間的互聯(lián)，而且作為調(diào)度自動化系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過網(wǎng)關，對上承擔遠動功能，地位之重要是不言而喻的。
　1 SAS對站內(nèi)通信網(wǎng)的要求
　1997年國際大電網(wǎng)會議(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) 遠動功能 　　　　　(2) 自動控制功能
　(3) 測量表計功能 　　　(4) 繼電保護功能
　(5) 與繼電保護有關功能 (6) 接口功能
　(7) 系統(tǒng)功能
　上述各組功能對通信均有各自不同的要求，但是我們不難將其歸納總結為:
　　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，應避免一個裝置損壞而導致站內(nèi)通信中斷。雖然目前繼電保護的動作不依賴于通信網(wǎng)，但并不能降低對其可靠性的要求，隨著無人值班技術發(fā)展，作為承擔“四遙”功能的核心環(huán)節(jié)，我們會更加依賴于站內(nèi)通信網(wǎng)，因此，一個可靠的通信網(wǎng)是首要條件。
　　1.2 開放性: 站內(nèi)通信網(wǎng)作為調(diào)度自動化的一個子系統(tǒng)，除了保證站內(nèi)IED設備互連、便于擴展外，它還應服從電網(wǎng)調(diào)度自動化的總體設計，硬件接口應滿足國際標準，選用符合國際標準的通信協(xié)議，方便用戶的系統(tǒng)集成。
　　1.3實時性: 因測控數(shù)據(jù)、保護信號、遙控命令等都要求實時傳輸，雖然正常工作時，站內(nèi)數(shù)據(jù)流量不太大，但出現(xiàn)故障時要傳送大量數(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。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)絡中的節(jié)點增加、刪除比較容易等優(yōu)點，被成功地引入到SAS中。
　2 站內(nèi)局域網(wǎng)的設計思路
　局域網(wǎng)(LAN)是微型計算機在有限(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)。針對變電站的具體運行環(huán)境和要求，設計局域網(wǎng)時應考慮以下幾個方面:
　　2.1 網(wǎng)絡拓樸結構: 即網(wǎng)絡中各節(jié)點相互連接的方法和形式。最基本的拓樸結構有星形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、總線網(wǎng)等。星形網(wǎng)因其每一節(jié)點都是通過連接線與中心節(jié)點相連，中心節(jié)點成了可靠性的瓶頸，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)點串聯(lián)起來，雖網(wǎng)絡中每個節(jié)點地位平等，但信息須經(jīng)許多節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，任一節(jié)點損壞會引起斷環(huán)，此種方式亦不大采用，而總線網(wǎng)是將網(wǎng)絡各節(jié)點和一根總線相連，每一節(jié)點都可以和其它接點直接通信，消除了瓶頸現(xiàn)象，可靠性較高，成為當前站內(nèi)通信網(wǎng)的首選。
基本網(wǎng)絡拓樸結構可以相互組合成各種復雜的局域網(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(CSMA/CD)方式。
主－從網(wǎng)絡一般運行polling規(guī)約，總線型網(wǎng)絡規(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令牌在各個節(jié)點間循環(huán)。一個節(jié)點只有在收到了令牌后方能發(fā)送數(shù)據(jù)。若這個節(jié)點不需要發(fā)送，令牌會自動轉(zhuǎn)向下一個節(jié)點。因采用此方式要使用很多模擬部件，管理復雜，節(jié)點增減不靈活，造價高，應用并不廣泛。CSMA/CD是一種競爭性規(guī)約，各節(jié)點要發(fā)送信息時，先偵聽總線是否空閑，若空閑，則發(fā)信，若網(wǎng)絡忙，則等待后再偵聽發(fā)送，直至發(fā)送成功。這種方式當網(wǎng)絡中節(jié)點少時，傳輸速度較快，但當節(jié)點超過一定數(shù)量時，網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量增大，碰撞幾率增加，影響傳輸?shù)膶崟r性?？奢o以優(yōu)先級設置，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)絡拓樸為何結構，網(wǎng)絡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。實際應用的主要是同軸細纜。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。由于其造價低，在低電壓等級變電站的SAS中常采用。C、光纖: 它用特種玻璃纖維構成介質(zhì)波導，光波沿玻璃絲傳播，由于各層的介電系數(shù)不同，傳播時光波基本不外漏。其優(yōu)點是損耗小、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，但其造價較高，不便于支接，安裝、維護較為復雜，多用于高電壓等級SAS中，隨著光纖技術的發(fā)展，其以后的應用會越來越廣泛。
　　以上三種介質(zhì)可在同一網(wǎng)絡中混合使用。
　3 局域網(wǎng)通信技術在SAS中的實際應用
　從變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展過程來看，其通信技術的發(fā)展大致可分為兩個階段:
　　3.1 串口、并口等通訊方式(RS232C、RS422、RS485總線等)
　　此種方式應用于早期SAS產(chǎn)品中，大多數(shù)為主－從結構，加之其傳輸速率較低，可靠性較差，限制了它的應用。特別對于大型變電站，站內(nèi)功能節(jié)點較多的情況下，信息實時性將受到很大的影響。局域網(wǎng)技術的發(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)按其拓撲結構可分為主－從網(wǎng)和對等網(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。
　　國際上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格比現(xiàn)場總線(Field Bus)局域網(wǎng)絡技術。它有許多衍生品種。一般采用平等式網(wǎng)絡，結構上遵循ISO/OSI協(xié)議設計，有傳輸速率高、抗干擾能力強等優(yōu)點，成為目前國內(nèi)SAS中的主流通信技術?；诂F(xiàn)場總線的SAS的典型結構示意如圖1所示:

　　四方公司生產(chǎn)的CSC2000就是采用了LonWork網(wǎng)絡技術，形成實時可靠的站內(nèi)局域網(wǎng)。但是，現(xiàn)場總線畢竟是專為小數(shù)據(jù)量工業(yè)領域的通信而設計的廉價網(wǎng)絡，它只適合于字節(jié)傳輸，而不適合于文件傳輸，且通信節(jié)點超過一定數(shù)量時，響應速率會迅速下降。為彌補現(xiàn)場總線技術的不足，一種可行的方法是采用復合網(wǎng)。在110kV及以上變電站中，通常將網(wǎng)絡分為兩層，在下位網(wǎng)(間隔層)采用現(xiàn)場總線，上位網(wǎng)(站控層)采用以太網(wǎng)方式，上位網(wǎng)與下位網(wǎng)通過前置機互聯(lián)。以太網(wǎng)的應用為SAS開辟了新的發(fā)展空間。
　　以太網(wǎng)的帶寬高達10Mbps以上，網(wǎng)絡十分健壯，現(xiàn)已有廠家開發(fā)出全以太網(wǎng)的SAS，如國電南自的PS-6000變電站自動化系統(tǒng)采用10M/100M以太網(wǎng)來架構通信網(wǎng)絡，IED設備直接通過以太網(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。與復合網(wǎng)方案相比，省去了異種網(wǎng)絡接口設備，減小了維護工作量，簡化了系統(tǒng)。
　　　　　　　表1給出了幾種目前SAS中常用的網(wǎng)絡形式的對照比較:

　在特別重要和大型的變電站中，還可以采用網(wǎng)絡分段或雙網(wǎng)配置來提高可靠性。
　4 網(wǎng)絡通信技術在SAS中的應用前景
　　4.1 伴隨著變電站自動化功能的開發(fā)，如遙視警戒功能、開關實時狀態(tài)監(jiān)測、火災報警及消防聯(lián)動等功能。需要傳送視頻信號，運行更加復雜的數(shù)據(jù)庫。站內(nèi)局域網(wǎng)必將向?qū)拵Щ姆较虬l(fā)展，多媒體通信技術也將進入到SAS中。快速以太網(wǎng)在帶寬、可擴性、可靠性、經(jīng)濟性、通用性等方面具有明顯優(yōu)勢，其應用會更加廣泛。異步傳輸模式(ATM)是基于信元的傳輸技術，可以提供高達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，這種技術會受到重視。
　　4.2 目前，SAS中的繼電保護功能相對獨立，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、實時性滿足要求，繼電保護功能也可以通過站內(nèi)通信網(wǎng)來完成?？梢栽O想如果母線保護通過通信網(wǎng)采集信息和傳送命令，SAS的分布式結構會變得非常理想。
　5 結論
　變電站自動化發(fā)展到目前的階段，雖然達到了一定的水平，但它仍處于一個高速發(fā)展的時期，產(chǎn)品難以定型。因此無論是生產(chǎn)廠家還是運行單位,在設計和選擇SAS產(chǎn)品時，應根據(jù)變電站的規(guī)模、地位和投資情況綜合考慮。
　　5.1 對于變電站自動化系統(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 對于傳輸介質(zhì)應針對不同的電壓等級，結合具體的應用環(huán)境進行選擇使用，力爭取得較高的性能價格比。對于電磁干擾比較強的場所宜選用光纖。
　　5.3 SAS生產(chǎn)廠家較多，產(chǎn)品更是復雜，但其SAS的通信網(wǎng)絡必須滿足開放性要求，貫徹IEC60870的標準，支持TCP/IP協(xié)議，使自己的產(chǎn)品與其它計算機系統(tǒng)方便地完成通信與數(shù)據(jù)交換。
　　現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術正朝著數(shù)字化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。它將引領著變電站自動化系統(tǒng)向更高的層次邁進。

參 考 文 獻
1.Neil Jenkins & Stan Schatt著.計算機局域解析.孫義等譯.機械工業(yè)出版社，1997
2.孫旭影等.計算機網(wǎng)絡實用技術.電子工業(yè)出版社，2000
3.金午橋.變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展策略.電力自動化產(chǎn)品信息，2001，20(1)
4.PS6000變電站自動化系統(tǒng)技術說明書.國電南京自動化股份有限公司