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摘要：变电站中的数据通信是影响整个系统性能的重要因素。本文简要介绍了现场总线的种类及其特点。并介绍了变电站自动化系统中基于现场总线的数据通信模块的运行方式。阐述了现场总线技术能够更高层次上将变电站的各种设备连接起来，实现实时可靠的数据交换和信息共享。
关键词：现场总线；变电站自动化；数据通信
作者简介：樊新军（1971-），男，河南宝丰人，三峡电力职业学院新能源工程学院院长，副教授。（湖北 宜昌 443000）
中图分类号：TM647 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0143-02
随着计算机、通信和电力电子技术的飞速发展，集计算机、通信、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制技术于一体的现场总线技术也得到了迅猛的发展。加之现场总线技术给仪表和自动化领域带来了深刻的影响，特别是用数字信号取代模拟信号和控制功能向现场的下移，使得传统的控制系统结构发生了根本性的变革。现场总线技术也为变电站自动化系统的分散式、开放式、智能式的设计和实现提供了新的途径和方法，给变电站自动化系统的最终用户带来更大的实惠和方便。变电站自动化是将变电站中的微机保护、微机监控等装置通过计算机网络和现代通信技术集成为一体化的自动化系统。将现场总线应用到变电站自动化系统，正是这种先进通信技术解决了变电站自动化系统高质量、高稳定的运行要求。
一、现场总线的特点
简单地概括现场总线技术的特点就是信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放、互操作性强、费用低等。具体概述为：
1.数字化的信号传输
使用数字化通信完成对现场设备的联络和控制，在网络通信中采用信息防撞与纠错技术，实现了高速及双向多点之间的可靠通信。
2.功能转移
现今市场上控制现场的智能化设备和基于现场的控制单元，包括先进的标准数字通讯链路的发展相互促进，促使简单的控制任务迁移到现场设备，能够处理微积分算法和控制逻辑的现场微处理器接管了大部分简单的控制任务。
3.方便的互操作性
现场总线技术强调“互联”和“互操作性”。实现真正的“即接即用”，即所谓互操作性。这样，用户也能自由地集成现场总线控制系统，从而极大的方便了用户。
4.开放的互联网络
现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，不同制造商的网络互连十分简便，用户不必在硬件或软件上花多大力气。
5.多种传输媒介和拓扑结构
现场总线技术由于采用数字通信方式，因此可采用多种传输介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便。
6.简化结构降低费用
现场总线技术由于采用智能仪表和总线传输方式，可以减少大量的隔离器，端子框及电缆等，从而降低系统复杂程度，节省施工费用。
二、现场总线的种类
由于现场总线的国际标准尚未建立，所以各种总线技术风起云涌，各具特色。尽管IEC经过长达15年的努力，推出了现场总线标准IEC61158，但离一个标准的目标有很大差距，并没有真正解决统一成单一现场总线的问题。与此同时，出于生产和商业的需要，诸如LonWorks、CAN、HART、Modbus等一些实力雄厚的总线产品也获得了广泛的应用。现主要介绍一下在电力系统中用得较多的几种总线技术。
1.基金会现场总线(FF)
FF（Foundation FieldBus）是以美国Fisher-Rosemount公司为首的80多家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的150多家公司制定的World FIP协议在1994年合并成立的FF基金会。FF以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。FF分为低速现场总线H1和高速现场总线H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps，通信距离为1.9km，并且支持总线供电和本质安全性；H2的传输速率可为1M和1.5Mbps两种，通信距离分别为0.5km和0.75km。
FF总线具有一定的权威性、广泛性和公正性，因而在电力实验系统、化工、废水处理、油田等过程自动化领域获得广泛应用。
2.PROFIBUS总线
PROFIBUS（Process Field Bus）即过程现场总线技术是以德国SIEMENS为主的10多家公司共同推出，1996年3月被批准为欧洲标准，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS组成PROFIBUS系列。DP用于设备级控制系统与分散式I/O通信，传输速率为9.6Kbps～12Mbps，传输距离12Mbps为0.1km，1.5Mbps为0.4km；PA用于过程自动化，并有本质安全区域，传输速率为31.25Kbps；FMS用于生产车间级的监控网络，执行数据量较大的数据交换。
PROFIBUS总线技术应用于电力、制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通等自动化领域。
3.LonWorks总线
LonWorks（Local Operating Network）是美国Echelon公司推出的、具有强劲实力的现场总线技术，它采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron神经元芯片而得以实现。它采用ISO/OSI模型的全部七层通讯协议及面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信简化为参数设置，其通信速率范围为3Kbps～1.5Mbps，直接通信距离可达2.7km。Lon Works网络包括现场控制节点（这些节点可以是直接采用神经元芯片作为通信的处理器和测控处理器，也可以是基于神经元芯片的HostBase节点）、通信介质和通信协议。
Lonworks总线应用广泛，主要包括楼宇自动化、数据采集、SCADA系统、变电站自动化系统、家庭自动化、保安系统等领域。
4.CAN总线
CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络。最早是由德国的BOSCH公司推出的。它是一种具有很高可靠性、支持分布式实时控制的串行通信网络。国际化标准组织ISO/TC22技术委员会已制定了CAN协议的国际标准ISO11898和ISO11519。CAN总线的最大特点是废除了传统的站地址编码，采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制。CAN总线仍遵循ISO/OSI的标准参考模型。CAN协议实现ISO/OSI模型的1、2两层。物理层定义了传送过程中的所有电气特性；目标层和传输层包括了ISO/OSI定义的数据链路层的所有功能。通信速率高达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km /5Kbps，可挂接110个设备。
CAN总线在我国的变电站自动化和配电自动化工程中得到了广泛应用，另外，在电梯、数控机床和楼宇自动化等场合也有应用。
四、变电站自动化技术的发展
20世纪80年代，由于微机技术的发展，远动终端RTU、当地监控等装置更新换代，建立了在RTU基础上的一台微机为中心的变电站自动化系统。这套系统不涉及继电保护，并保留了原有传统的控制平台。20世纪90年代，微机保护技术得到广泛的应用，此时变电站自动化系统是在变电站控制室内设置计算机系统作为变电站自动化的心脏，另外设置一数据采集和控制部件用以采集数据和发出控制命令。随着计算机软硬件及网络技术的发展，现在一般的变电站自动化系统都实现了分散分布式的结构，将整个系统分为变电站层和间隔层。变电站层包括综合操作屏、应用主机、实现软件开发和管理的工程师主机、全站性的监控、通讯、远动主机；间隔层一般按断路器间隔进行划分，每个间隔层设备实现一个断路器的功能。
目前，国内外已有许多公司开发出基于CAN和LonWorks总线等现场总线控制的变电站自动化系统，取得了良好的效果。1987年清华大学电机工程系成功开发了国内第一个符合国情的综合自动化系统。该系统由3台微机组成，是一个以LonWorks技术为基础的集测量、控制、保护系统为一体的装置，1987年在山东威海望岛变电站成功投入运行。我国已推出基于LonWorks总线的CSC2000型变电站综合自动化系统，并已在上海、宁波和深圳等地的110kV及220kV的变电站投入运行。瑞典的ABB公司于1994年在其SCS100型变电站控制系统中使用LON总线，更新了原有SPA总线。国外也有的公司亦生产采用LonWorks现场总线的变电站自动化系统，其在组建分布式监控网络方面有优越的功能，应用范围几乎包括了测控应用的所有范围，具有丰富的通信规约，可以与不同厂家、不同网络的智能电子设备（IED）相连。南瑞集团开发的 BJ系列变电站综合自动化系统就是采用多种通信方式，按实际情况采用RS485和现场总线等多种通信方式，即对数据量小、实时性要求不高的现场设备使用RS485，而对实时性要求高的现场设备使用现场总线。
现介绍一种基于CAN总线与变电站层的数据通讯系统组织原理图（如图2所示）。其中从保护测控装置到PC机（Personal Computer，个人计算机）的数据传输由数据通信模块实现，主要包括三部分：RS－485／CAN转换，CAN总线，CAN到PC机的通讯。这种设计方式的特点是接口简单，传输速率比传统的RS485高，传输可靠性高，可实现CSMA/CD方式传输数据。
变电站自动化系统需要在变电站各种二次设备及其他相关职能设备间进行信息交换、共享，这就决定其信息传输的多元性和复杂性。这种多元性不但表现为信源各异，信息构成多变，传输要求也是多样的。现场总线在技术上满足了上述要求，建立在现场总线基础上的变电站自动化中，智能设备自身具备不依赖于主控或站级设备的测量控制能力，在完成测控功能上是分散的。现场总线在更高层次上将各种设备连接起来，实时可靠地数据交换和信息共享。
五、结束语
综上所述，变电站通信正朝着网络化、互联的方向发展，它就是一个广域网/局域网/现场总线并存的网络结构。变电站的信息传输将呈现多层次、多局部交错互联的形态，并由此实现信息的沟通、汇集和共享。
参考文献：
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
[2]陈堂.配电系统及其自动化技术[M].北京:中国电力出版社,2008.
[3]赵祖康.变电站自动化系统综述[J].电力自动化设备,2000,(1).
（责任编辑：麻剑飞）
关键词：现场总线；变电站自动化；数据通信
作者简介：樊新军（1971-），男，河南宝丰人，三峡电力职业学院新能源工程学院院长，副教授。（湖北 宜昌 443000）
中图分类号：TM647 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0143-02
随着计算机、通信和电力电子技术的飞速发展，集计算机、通信、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制技术于一体的现场总线技术也得到了迅猛的发展。加之现场总线技术给仪表和自动化领域带来了深刻的影响，特别是用数字信号取代模拟信号和控制功能向现场的下移，使得传统的控制系统结构发生了根本性的变革。现场总线技术也为变电站自动化系统的分散式、开放式、智能式的设计和实现提供了新的途径和方法，给变电站自动化系统的最终用户带来更大的实惠和方便。变电站自动化是将变电站中的微机保护、微机监控等装置通过计算机网络和现代通信技术集成为一体化的自动化系统。将现场总线应用到变电站自动化系统，正是这种先进通信技术解决了变电站自动化系统高质量、高稳定的运行要求。
一、现场总线的特点
简单地概括现场总线技术的特点就是信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放、互操作性强、费用低等。具体概述为：
1.数字化的信号传输
使用数字化通信完成对现场设备的联络和控制，在网络通信中采用信息防撞与纠错技术，实现了高速及双向多点之间的可靠通信。
2.功能转移
现今市场上控制现场的智能化设备和基于现场的控制单元，包括先进的标准数字通讯链路的发展相互促进，促使简单的控制任务迁移到现场设备，能够处理微积分算法和控制逻辑的现场微处理器接管了大部分简单的控制任务。
3.方便的互操作性
现场总线技术强调“互联”和“互操作性”。实现真正的“即接即用”，即所谓互操作性。这样，用户也能自由地集成现场总线控制系统，从而极大的方便了用户。
4.开放的互联网络
现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，不同制造商的网络互连十分简便，用户不必在硬件或软件上花多大力气。
5.多种传输媒介和拓扑结构
现场总线技术由于采用数字通信方式，因此可采用多种传输介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便。
6.简化结构降低费用
现场总线技术由于采用智能仪表和总线传输方式，可以减少大量的隔离器，端子框及电缆等，从而降低系统复杂程度，节省施工费用。
二、现场总线的种类
由于现场总线的国际标准尚未建立，所以各种总线技术风起云涌，各具特色。尽管IEC经过长达15年的努力，推出了现场总线标准IEC61158，但离一个标准的目标有很大差距，并没有真正解决统一成单一现场总线的问题。与此同时，出于生产和商业的需要，诸如LonWorks、CAN、HART、Modbus等一些实力雄厚的总线产品也获得了广泛的应用。现主要介绍一下在电力系统中用得较多的几种总线技术。
1.基金会现场总线(FF)
FF（Foundation FieldBus）是以美国Fisher-Rosemount公司为首的80多家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的150多家公司制定的World FIP协议在1994年合并成立的FF基金会。FF以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。FF分为低速现场总线H1和高速现场总线H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps，通信距离为1.9km，并且支持总线供电和本质安全性；H2的传输速率可为1M和1.5Mbps两种，通信距离分别为0.5km和0.75km。
FF总线具有一定的权威性、广泛性和公正性，因而在电力实验系统、化工、废水处理、油田等过程自动化领域获得广泛应用。
2.PROFIBUS总线
PROFIBUS（Process Field Bus）即过程现场总线技术是以德国SIEMENS为主的10多家公司共同推出，1996年3月被批准为欧洲标准，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS组成PROFIBUS系列。DP用于设备级控制系统与分散式I/O通信，传输速率为9.6Kbps～12Mbps，传输距离12Mbps为0.1km，1.5Mbps为0.4km；PA用于过程自动化，并有本质安全区域，传输速率为31.25Kbps；FMS用于生产车间级的监控网络，执行数据量较大的数据交换。
PROFIBUS总线技术应用于电力、制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通等自动化领域。
3.LonWorks总线
LonWorks（Local Operating Network）是美国Echelon公司推出的、具有强劲实力的现场总线技术，它采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron神经元芯片而得以实现。它采用ISO/OSI模型的全部七层通讯协议及面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信简化为参数设置，其通信速率范围为3Kbps～1.5Mbps，直接通信距离可达2.7km。Lon Works网络包括现场控制节点（这些节点可以是直接采用神经元芯片作为通信的处理器和测控处理器，也可以是基于神经元芯片的HostBase节点）、通信介质和通信协议。
Lonworks总线应用广泛，主要包括楼宇自动化、数据采集、SCADA系统、变电站自动化系统、家庭自动化、保安系统等领域。
4.CAN总线
CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络。最早是由德国的BOSCH公司推出的。它是一种具有很高可靠性、支持分布式实时控制的串行通信网络。国际化标准组织ISO/TC22技术委员会已制定了CAN协议的国际标准ISO11898和ISO11519。CAN总线的最大特点是废除了传统的站地址编码，采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制。CAN总线仍遵循ISO/OSI的标准参考模型。CAN协议实现ISO/OSI模型的1、2两层。物理层定义了传送过程中的所有电气特性；目标层和传输层包括了ISO/OSI定义的数据链路层的所有功能。通信速率高达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km /5Kbps，可挂接110个设备。
CAN总线在我国的变电站自动化和配电自动化工程中得到了广泛应用，另外，在电梯、数控机床和楼宇自动化等场合也有应用。
四、变电站自动化技术的发展
20世纪80年代，由于微机技术的发展，远动终端RTU、当地监控等装置更新换代，建立了在RTU基础上的一台微机为中心的变电站自动化系统。这套系统不涉及继电保护，并保留了原有传统的控制平台。20世纪90年代，微机保护技术得到广泛的应用，此时变电站自动化系统是在变电站控制室内设置计算机系统作为变电站自动化的心脏，另外设置一数据采集和控制部件用以采集数据和发出控制命令。随着计算机软硬件及网络技术的发展，现在一般的变电站自动化系统都实现了分散分布式的结构，将整个系统分为变电站层和间隔层。变电站层包括综合操作屏、应用主机、实现软件开发和管理的工程师主机、全站性的监控、通讯、远动主机；间隔层一般按断路器间隔进行划分，每个间隔层设备实现一个断路器的功能。
目前，国内外已有许多公司开发出基于CAN和LonWorks总线等现场总线控制的变电站自动化系统，取得了良好的效果。1987年清华大学电机工程系成功开发了国内第一个符合国情的综合自动化系统。该系统由3台微机组成，是一个以LonWorks技术为基础的集测量、控制、保护系统为一体的装置，1987年在山东威海望岛变电站成功投入运行。我国已推出基于LonWorks总线的CSC2000型变电站综合自动化系统，并已在上海、宁波和深圳等地的110kV及220kV的变电站投入运行。瑞典的ABB公司于1994年在其SCS100型变电站控制系统中使用LON总线，更新了原有SPA总线。国外也有的公司亦生产采用LonWorks现场总线的变电站自动化系统，其在组建分布式监控网络方面有优越的功能，应用范围几乎包括了测控应用的所有范围，具有丰富的通信规约，可以与不同厂家、不同网络的智能电子设备（IED）相连。南瑞集团开发的 BJ系列变电站综合自动化系统就是采用多种通信方式，按实际情况采用RS485和现场总线等多种通信方式，即对数据量小、实时性要求不高的现场设备使用RS485，而对实时性要求高的现场设备使用现场总线。
现介绍一种基于CAN总线与变电站层的数据通讯系统组织原理图（如图2所示）。其中从保护测控装置到PC机（Personal Computer，个人计算机）的数据传输由数据通信模块实现，主要包括三部分：RS－485／CAN转换，CAN总线，CAN到PC机的通讯。这种设计方式的特点是接口简单，传输速率比传统的RS485高，传输可靠性高，可实现CSMA/CD方式传输数据。
变电站自动化系统需要在变电站各种二次设备及其他相关职能设备间进行信息交换、共享，这就决定其信息传输的多元性和复杂性。这种多元性不但表现为信源各异，信息构成多变，传输要求也是多样的。现场总线在技术上满足了上述要求，建立在现场总线基础上的变电站自动化中，智能设备自身具备不依赖于主控或站级设备的测量控制能力，在完成测控功能上是分散的。现场总线在更高层次上将各种设备连接起来，实时可靠地数据交换和信息共享。
五、结束语
综上所述，变电站通信正朝着网络化、互联的方向发展，它就是一个广域网/局域网/现场总线并存的网络结构。变电站的信息传输将呈现多层次、多局部交错互联的形态，并由此实现信息的沟通、汇集和共享。
参考文献：
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
[2]陈堂.配电系统及其自动化技术[M].北京:中国电力出版社,2008.
[3]赵祖康.变电站自动化系统综述[J].电力自动化设备,2000,(1).
（责任编辑：麻剑飞）