连铸机液压系统故障诊断研究

目录

第一篇绪论 (1)

第一章课题背景 (1)

第二章变电站综合自动化系统存在的问题及改进措施 (4)

第三章变电站自动化技术现状 (9)

第四章变电站综合自动化系统发展方向 (10)

第一节智能电子装置(IED)的发展和光电互感器的应用 (11)

第二节监控系统的发展和遥视系统的应用 (11)

第三节人工智能技术的发展应用 (12)

第四节通信方式的发展和工业以太网的发展应用 (12)

第五节蓝牙技术的发展应用 (12)

第二篇现场总线的应用现状 (13)

RS-458 (13)

LonWorks (13)

F-NET (13)

WorldFIP (13)

第一章 IEC61850标准的应用现状 (14)

第二章现场总线在变电站综合自动化系统应用中的不足 (14)

第一节现场总线作为工控领域的专用网络 (14)

第二节现场总线的拓扑结构多为总线型 (14)

第三节数据通信带宽 (14)

第四节总线产品众多 (14)

第三章变电站综合自动化系统中现场总线应用的发展趋势 (15)

第三篇现场总线的变电站自动化系统 (22)

第一章系统功能 (22)

第二章通讯网络 (24)

第四篇硬统设计件系 (25)

第一章系统总体结构 (25)

第二章系统设计要点 (25)

第五篇系统组态监控软件的设计 (27)

第一章开发工具的选取 (27)

第二章变电站对象模型分析 (27)

第三章面向程序思想方法构建监控组态软件 (28)

结论 (29)

参考文献 (30)

致谢 (31)

第一篇绪论

随着计算机技术、通信技术和网络技术的飞速发展和广泛应用，传统的集中、低速、专用封闭式的远动系统已向开放、高速、综合的网络化方向发展，通过局域网互联和广域网互联，实现系统信息资源共享。变电站自动化技术也得到了较快的发展，全分散式变电站自动化系统是变电站自动化的主要发展方向[1].由于现场总线可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低的特点，变电站综合自动化系统已普遍采用现场总线作为系统的通讯手段，以满足自动化系统全分散、全数字化、双向、多点多站的要求。现场总线是近几年发展起来的应用于自动化领域的互联通信网络，由它构成的各种智能电器网络表现出强大的优势．现场总线作为设备层间的基础

通信网络，具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点，具有较高的实时性，并能适应于信息的频繁交换，因而不同于间隔层和变电站层的数据通信网络[2]．目前，国际上现场总线技术发展很快，本文重点从现场总线的功能和性能阐述在电力系统控制的要求，探讨应用现场总线技术提高变电站的综合自动化水平，说明总线技术是综合自动化变电站现场通讯网络的发展方向。

第一章课题背景

变电站自动化系统名词，国际电工委员会解释为在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统。在国内，我们所说的变电站自动化系统，包含传统的自动化监控系统，继电保护、自动装置等设备。

自20世纪90年代以来，变电站自动化技术一直是我国电力行业的热点技术之一。目前全国已投入运行的35~500kV变电站约20000座(不包括用户变)，而且每年新增变电站的数量约为3%~5%，也就是说每年都有千百座新建变电站投入电网运行，新建变电站基本上都采用了自动化系统模式，同时每年还有许多老变电站的技术改造，也基本上以自动化系统模式为主。

在已采用自动化技术的变电站中，早期采用较多的国外产品有：如ABB、SIEMENS、GE等公司的产品。但随着国内厂家的产品技术含量、工艺水平的提高以及

国家产业政策的支持，目前220kV及以下电压等级变电站的自动化大都采用了国产产品，330kV及以上电压等级变电站也大量使用了国产产品。目前，国产产品厂家主要有：南瑞集团、北京四方、许继电气、国电南自等。

变电站综合自动化系统，是变电站(所)自动化监控管理的重要设备，是集计算机技术、自动控制技术和通讯技术为一体的综合性电力装置，按照变电站自动化整体解决方案，统一规划，设计，具有微机监测，监控，保护、小电流接地选线，备自投、检同期、故障录波、低频减载、电容器自动投切、有载调压、四遥远传等功能，在保护上包括线路距离、速断、过流，过负荷，电容器保护、电抗器保护、主变的差动保护等。综自系统的应用，改变了传统变电站(所)主控室、保护室的主体结构和值守方式，减少投资和减轻劳动强度，以便实现变电站(所)的自动监控、保护，提高供电质量及电网运行的可靠性。其技术日臻完善，并已经在国内电力系统中广泛使用。

变电站综合自动化系统按照分层，分布式变电站综合自动化设计理念，对变电站二次系统进行配置组网，即利用目前先进的计算机控制和网络通信技术，采用嵌入式微机系统作为变电站的保护，监测，控制模块，通过现场总线技术，将数据采集到变电站综合自动化系统，处理打包后通过现有的通信信道上发至调度端。反之，将调度指令通过变电站站端监控系统下发至每一间隔执行。从而实现整个变电站的遥测，遥信，遥控、遥调等功能，可实现变电站无人值班。各单元相互独立，功能上不依赖于监控计算机，增强了系统的可靠性和可用性。各保护测控单元可以组屏安装，也可以就近安放在开关柜上或开关场，通过光纤或计算机通信网络实现与变电站计算机通信，交换信息。开放式网络结构充分考虑了用户今后变电站规模及功能扩展的需要，随变电站规模和系统的扩大，不仅可以容易的通过增加功能单元的方法实现，而且还能通过网络拓展，使系统逐步扩展为完善的信息监控中心。

发生事故后，变电站综合自动化单元会动作并发出事故信号传向计算机与调度端，计算机及时发出语言或声光报警。主机一旦死机或临时停机，发生事故后站端值班人员与调度值班员就难以及时发现故障。我们可以将变电站综合自动化单元事故报警输出I：1，并联在一起后接通一电铃，发生事故后电铃被接通而发出音响报警，从综合自动化单元以及主机上出现的报警马上就可以发现事故的地点，性质与名称。这样主机一旦出现死机，值班人员通过电铃警声也能及时发现事故进行处理。

变电站综合自动化系统的主要特点：

(1)分布式系统

将保护功能和测控功能集中于一体，保护、测控既相互独立，又相互融合，保护、测控借助于计算机网络与变电站层计算机监控系统交换数据，减少大量的：次接线，节省了投资，提高了系统可靠性。

(2)支持标准通信协议，开放性好

采用电力行业标准规约，提供保护和测控的综合通信，实时性强，可靠性高，具有不同厂家的同种规约的互操作性，并且具备GPS硬件对时接口。变电站保护系统实时软件系统也可以和变电站已有的或新增的静态或电磁继电器相连。当然，来自这些继电器的信息仅限于继电器的接点信号。

(3)积木式构架

系统包括种类齐全、功能完善的保护装置，自动化装置、控制，测量和监视等功能模块。所有装置和模块均基于微处理器的数字化技术，并与传统设备相兼容。变电站保护系统、实时软件系统中的所有装置均可独立运行，也可组合成为一个完整系统。这就是说，经过逐步扩展后，系统可以从单独装置的独立运作，一步步上升到一个集各类保护、测量控制和监视等为一体的

变电站综合自动化系统。

(4)高可靠性

各模块在电气上完全独立，实现完善的自诊断和在线自检功能，系统中与保护功能相关的任务均由工业等级的功能模块承担。系统中的PC机仅作为人机界面，系统甚至可以脱离PC机工作，商用等级的PC机，接I：1卡等对系统可靠性的影响大大减小。工程经验

综合自动化设备采用分布式设计，测量回路和保护回路分开，采集，保护动作精度高，另外可以接入脉冲电量，实现保护和测控一体化装置内部采用多个CPU协调分工，快速数据处理，大容量的存储单元，更大的故障信启、存储空间。结构上采用新型的端子设计，保证运行过程中PT不会短接，CT回路不会开路。板件设计标准化，具有互换性，使得安装简单，维护更换方便。在设备上配置独立操作箱，具备远方／就地切换功能，跳／合闸按钮不经综自装置可直接控制高压开关，且具有灭弧措施，并易于更换。采用面板液晶显示，全汉化界面，便于调整定值和装置运行参数等操作，装置上具备多组定值，可以根据负载或时间的变化人为切换。变电站系统管理层提供多种组织形式，可以是单机系统，亦可多机系统，灵活性好，可靠性高，且方便系统扩展。变电站层为变电站值班人员、调度运行人员提供变电站监视、控制和

管理功能，界面友好，方便使用另外还提供变电站自动化所需的各种高级应用功能，如变电站中所需的故障报文数据，录波信息分析和处理功能．数据统计和处理，如电量统计、电压合格率统计以及主变负荷率计算等，异常和事故报警及处理、保护及故障信息管理和处理。为变电站安全、稳定，经济运行提供了坚实的基础。在录波功能上，可以提供分段波形，全程跟踪，真实再现事故前后的系统电压、电流波形，便于事故分析，这样综自设备本身就已经具备了故障录波仪的功能，减少了总体投资。

第二章变电站综合自动化系统存在的问题及改进措施

(1)综合自动化装置制造及设计的规范和统一

综合自动化系统是一个庞大的系统，它包括继电保护和自动装置的功能配置，装置的组合、组屏方式及监控系统的结构、硬件设备组成、数据采集和处理方式等等。由于至今没有统一的制造设计标准和规程，目前不同自动化系统的继电保护和自动装置的功能配置不尽相同，装置的组合及组屏更是形式多样。不规范的综合自动化系统给设计安装及运行检修带来了极大的不便，也造成了备品备件的浪费。

综合自动化系统若能做到功能配置及装置的外形尺寸、组屏方式的统一，并且做到装置背面接线方式及端子排的规范一致，综合自动化的各部分若能按照固定的模式做到模块化制造，设计与安装过程就能实现“流水线生产”，这将为设计安装带来极大的便利，大大加快变电站建设的速度。而且，模块化制造作为统一的规则使不同厂家的产品性能指标更容易相互比较，从而促进竞争，加速综合自动化技术的发展。

(2)操作箱和并列装置的组合及组屏方式

对于有内桥接线的变电站，很多厂家将内桥(母分)开关操作箱与主变三侧开关操作箱组合为一个装置，这样做虽然提高了集成度，减少了装置数量，却会导致实际运行维护中的诸多不便与安全性问题。对于一次设备来说，主变和内桥分属于不同的单元，将两者的二次设备集成在一起容易使运行人员混淆位置概念，产生诸多问题：在运行操作时容易跑错间隔；造成错投退压板等误操作。同样，这种集成方式对检修二次设备也会造成一定影响，比如对内桥开关操作箱进行维护检修时，容易误碰相邻设备，有时候为了安全起见，不得不把主变开关操作箱也停下来，扩大停电范围。因此，最好将主变开关操作箱和内桥开关操作箱分离并分开组屏，主变三侧开关操作箱也应该相互独立。同样，某些厂家将110KV与35KV电压并列装置一起组屏放在35KV

开关室不尽合理，也会造成运行人员跑错间隔等问题。所以原则上应该将110KV电压并列装置放在110KV内桥保护测控屏上。现在，单一装置的集成功能越来越多，每个电气间隔的全部二次功能包括保护、测量、自动装置等都要集成在一个装置上，虽然降低了投资，但系统的可靠性和运行检修的方便性也受到了一定的影响。

(3)操作箱与断路器操作机构的衔接

目前综合自动化操作箱和不少断路器的自身控制回路均带有电气防跳回路，在设计中往往将断路器操作机构的防跳回路取消而采用综合自动化操作箱内的防跳回路，有时候需将断路器操作机构内接线进行修改，也难以满足要求。如室外SF6断路器机构箱内常带有就地合闸功能。若也引入防跳回路，就需要拆开综合自动化操作箱内的连线，这样使接线复杂化，破坏了装置的完整性，即使通过修改断路器内部接线勉强满足了要求，也会影响断路器的使用性能。若取消操作箱中防跳回路，由微机保护和监控装置直接去起动断路器分、合闸线圈。这样，则可简化断路器的控制回路，提高可靠性，而且便于实现开关的闭锁，增强装置的完整性。

(4)防误闭锁

在变电站实施综合自动化和无人值班后，除了断路器等具有远方操作的功能外，大部分隔离开关、接地开关、网门、间隔门、端子箱门及临时接地线等仍需要现场就地操作，由于设备操作人员(可能是几个人管理多个变电站)对每个站内的一次设备工作状况并不一定十分熟悉，产生误操作的几率会很高，因而完善的五防闭锁装置显得更为重要。

目前对于110KV终端变电站。由于主绐线简单。电气防误闭锁很容易实现，因此电气防误闭锁是该类变电站的主要防误闭锁形式。对于主结线复杂的110KV枢纽变电站和220KV变电站，电气防误闭锁已不能完全满足需要，而主要采用独立的微机防误装置。目前使用较多的微机防误装置是以变电站一次模拟屏为核心，在模拟屏工控机内预存了所有设备的倒闸操作程序，操作时将操作人员模拟预演正确的操作程序传输给电脑钥匙，从而对电气设备进行逐项对应操作。为了使综合自动化系统和防误闭锁相统一，某些综合自动化系统的操作软件也包含部分防误操作功能利用遥信量和遥测量为判据，在设置闭锁条件下，可对被操作对象加以控制，从而实现倒闸操作的顺序化，但操作对象仅限于具有遥控功能的操作组件，而且多数操作复杂、不直观，还不能解决对变电站内所有一次设备的防误操作。因此，有必要解决微机监控装置与微机五防闭锁装置有机结合的问题，或者利用国内外已有成功运行经验的微机防误装

置，开发出包含完善防误操作功能的综合自动化系统。

(5)遥信误发

准确的事故遥信动作信号对监控中心或调度值班人员判断运行状况十分重要。然而，实际情况是电网事故过程中遥信准确率不高。遥信误发产生的原因很多：

①接点抖动

大量的遥信量取源于各种类型的开关接点，而这些开关接点基本上长时间处于“通”或“断”的状态，从而使接触面产生氧化膜，一旦从一种状态转人另一种状态，极易出现状态不变的假像而造成严重后果。

②电磁干扰

变电站是一个复杂的强电磁干扰场，真空断路器的动作和继电器的触点抖动放电都会产生几兆甚至几百兆的高频干扰。

③遥信回路串模干扰、通道误码等其它原因

对于这些干扰因素，目前尚无完全根除的方法，但可以采取措施减少。一方面要求自动化设备厂家应能对实时采集的开关里进行消除接点抖动的滤波处理，并建议采用220V光藕或110V光祸取代现有的24V光藕，以提高氧化的击穿电压，从而正确反映接点的位置状态；另一方面，在工程设计建设中应注意：①在综合自动化变电站设计时应保证RTU屏、主控屏的合理布置，不可与交流电源屏、直流屏相邻，以防干扰影响设备的正常运行，远动系统与二次设备连接的电缆采用屏蔽电缆。②在工程施工时，尽量使强电和弱电电缆分开布线，且尽可能不平行走线。RTU的输人导线应尽可能短，需交叉时应垂直交叉。在电源人口处(即在机箱电源线人口处)增设电源滤波器来防止电源干扰的侵入，并采取必要的隔离措施和屏蔽措施。③保证远动装置合理、可靠地接地。将接地系统分为信号地、功率地和机壳地，三套接地自成系统，最后用铜导线作为接地母线汇集一点与接地系统相连。

(6)现场总线通信网

现场总线通信网是控制系统中最底层的通信网络，而目前只是覆盖了保护测控等间隔层设备，还未完全底层化，即一次设备与间隔层之间仍然通过二次电缆连接。将现场总线通信网进一步延伸到现场一次设备，可省去大量的控制信号电缆，仅保留开关操作机构跳、合闸所需的高压交、直流电源的动力电缆。这样现场智能设备和智能仪表可采用低压电源，解决因装置采用逆变电源的许多问题，并能提高设备的抗干扰能力，提高整个变电站综合自动化系统的可靠性，大大减少二次设计的工作量。

(7)故障录波和接地选线

目前多数变电站综合自动化系统并不具备完善的故障录波功能，有的只录有故障前后几个周波，而根据保护动作时间，这远远达不到要求，因此需要专门的故障录波装置。同样，目前多数变电站综合自动化系统没有完善的接地选线功能，同样不能取消专用的接地选线装置。虽然已有自动化厂家在这方面做了一些工作，如有些保护测控装置设有试验拉路回路。仍然和实际相差较远。由于接地选线从原理上在不断进步(如故障电流注入法等)，随着技术和工艺的进步，这方面将有所突破。如果综合自动化系统能够做到将完善的故障录波及接地选线功能与保护测控装置功能合一，该部分大量的二次电缆可以全部取消。

(8)系统遥视功能

遥视功能应包括：在主站可以观测变电站装设的多个摄像头拍摄的视频信息，视频信息可以录像和回放；可以在主站对视频信息采集设备进行远方控制和调整。总之，遥视功能必须满足主站的运行人员或其它部门用户以最佳的视觉效果观察各个变电站内的电气设备或环境的技术，解决变电站现场的可视化及环境监控问题，为实现无人值班、无人值守提供可靠的保证。图象监控系统作为遥视技术的雏形，目前部分综合自动化变电站已有应用。但图象监控未与综合自动化联网，自成系统，造成资源浪费，综合自动化应该在资源共享方面作出一些积极的尝试。

(9)技术标准问题

目前变电站综合自动化系统的设计还没有统一标准，因此标准问题（其中包括技术标准、自动化系统模式、管理标准等问题）是当前迫切需要解决的问题。

(10)生产厂家的问题

目前在变电站综合自动化系统选型当中存在着如所选系统功能不够全面，产品质量不过关，系统性能指标达不到要求等情况，主要有以下问题：由于变电站综合自动化设备的生产厂家过分重视经济利益，用户又过分追求技术含量，而不重视产品的性能及实用性，因而一批技术含量虽较高，但产品并不过关，甚至结构、可靠性很差的所谓高技术产品不断被使用。厂家只要有人买就生产，改进的积极性不高，甚至有些产品生产过程中缺乏起码的质量保证措施，有些外购部件更是缺乏管理，因而导致部分投产的变电站问题较多；有些厂家就某产品只搞技术鉴定，没搞产品鉴定；另外，生产厂家对变电站综合自动化系统的功能、作用、结构及各项技术性能指标宣传和介绍不够，导致电力企业内部专业人员对系统认识不透彻，造成设计漏洞较多。

(11)不同产品的接口问题

接口是综合自动化系统中非常重要而又长期以来未得到妥善解决的问题之一，包括RTU、保护、小电流接地装置、故障录波、无功装置等与通信控制器、通信控制器与主站、通信控制器与模拟盘等设备之间的通信。这些不同厂家的产品要在数据接口方面沟通，需花费软件人员很大精力去协调数据格式、通信规约等问题。当不同厂家的产品、种类很多时，问题会很严重。如果所有厂家的自动化产品的数据接口遵循统一的、开放的数据接口标准，则上述问题可得到圆满解决，用户可以根据各种产品的特点进行选择，以满足自身的使用要求。

(12)抗干扰问题

关于变电站综合自动化系统的抗干扰问题，亦即所谓的电磁兼容问题，是一个非常重要然而却常常被忽视的方面。传统上的变电站综合自动化设备出厂时抗干扰试验手段相当原始，仅仅做一些开关、电焊机、风扇、手提电话等定性实验，到现场后往往也只加上开合断路器的试验，一直没有一个定量的指标，这是一个极大的隐患。变电站综合自动化系统的抗干扰措施是保证综合自动化系统可靠和稳定运行的基础，选择时应注意，合格的自动化产品，除满足一般检验项目外，主要还应通过高低温试验、耐湿热试验、雷电冲击电压试验、动模试验，而且还要重点通过四项电磁兼容试验，分别是：1 MHz脉冲干扰试验、静电放电干扰试验、辐射电磁场干扰试验、快速瞬变干扰试验。

(13)传输规约和传输网络的选择问题

变电站和调度中心之间的传输规约。目前国内各个地方情况不统一，变电站和调度中心之间的信息传输采用各种形式的规约，如部颁CDT、SC-1801、DNP3.0等。 1995年IEC为了在兼容的设备之间达到互换的目的，颁布了IEC 60870-5-101传输规约，为了使我国尽快采用远动传输的国际标准，1997年原电力部颁布了国际101规约的国内版本DL/T 634-1997，并在1998年的桂林会议上进行了发布。该规约为调度端和站端之间的信息传输制定了标准，今后站端变电站综合自动化设备与远方调度传输协议应采用101规约。

站内局域网的通信规约。目前许多生产厂家各自为政，造成不同厂家设备通信连接的困难和以后维护的隐患。 1997年IEC颁布了IEC 60870-5-103规约，国家经贸委在1999年颁布了国际103规约的国内版本DL/T 667-1999，并在2000年的南昌会议上进行了发布，103规约为继电保护和间隔层（IED）设备与变电站层设备间的数

据通信传输规定了标准，今后变电站综合自动化系统站内协议要求采用103规约。电力系统的电能计量传输规约。对于电能计量采集传输系统，IEC在1996年颁布的IEC 60870-5-102标准，即我国电力行业标准DL/T 719-2000，是我们在实施变电站电能计量系统时需要遵守的。上述的三个标准即常说的101、102、103协议，运用于三层参考模型（EPA）即物理层、链路层、应用层结构之上，是相当一段时间里指导变电站综合自动化技术发展的三个重要标准。这些国际标准是按照非平衡式和平衡式传输远动信息的需要制定的，完全能满足电力系统中各种网络拓扑结构，将得到广泛应用。

IECTC57即将制定无缝远动通信体系结构，具有应用开放和网络开放统一的传输协议 IEC 61850。该协议将是变电站(RTU或者变电站综合自动化系统)到控制中心的唯一通信协议，也是变电站综合自动化系统，甚至控制中心的唯一的通信协议。目前各个公司使用的标准尚不统一，系统互联和互操作性差，因此，在变电站综合自动化系统建设和设备选型上应考虑传输规约问题，即在变电站和控制中心之间应使用101规约，在变电站内部应使用103规约，电能量计量计费系统应使用102规约。新的国际标准IEC 61850颁布之后，变电站综合自动化系统从过程层到控制中心将使用统一的通信协议。

第三章变电站自动化技术现状

变电站二次部分传统按功能分为四大类产品：继电保护、故障录波、当地监控和远动。按系统模式出现顺序可将变电站自动化发展分为三个阶段：

(1)第一阶段：面向功能设计的集中式RTU加常规保护模式

80年代及以前，是以RTU为基础的远动装置及当地监控为代表。该类系统实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设RTU装置，功能主要为与远方调度通信实现“二遥”或“四遥”(遥测、遥信、遥控、遥调)；与继电保护及安全自动装置的联结通过硬接点接入或串行口通信较多。此类系统称为集中RTU模式，目前在一些老站改造中仍有少量使用，此阶段为自动化的初级阶段。

(2)第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式

第二阶段始于90年代初期，单元式微机保护及按功能设计的分散式微机测控装置得以广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到后台或调度端计算机。特点是继电保护(包括安全自动装置)按功能划分的测控装置独

立运行，应用了现场总线和网络技术，通过数据通信进行信息交换。此系统电缆互联仍较多，扩展性功能不强。

(3)第三阶段：面向间隔、面向对象(Object-Oriented)设计的分层分布式结构模式

第三阶段始于90年代中期，随着计算机技术、网络及通信技术的飞速发展，采用按间隔为对象设计保护测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成真正意义上的分层分布式自动化系统。

目前国内外主流厂家均采用了此类结构模式。110kV以下电压等级变电站，保护测控装置要求一体化、110kV几以上电压等级保护测控大多按间隔分别设计，对超高压变电站的规模比较大的系统，为减少中间环节，避免通信瓶颈，要求装置直接上以太网与监控后台通信，甚至要求保护和监控网络独立组网，由于采用了先进的网络通信技术和面向对象设计，系统配置灵活、扩展方便。

第四章变电站综合自动化系统发展方向

变电站综合自动化系统的结构将从集中控制功能分散逐步向分散型网络发展。传统的系统结构是按功能分散考虑的。发展趋势将从一个功能模块管理多个电气单元或间隔单元向一个模块管理一个电气单元或间隔单元、地理位置高度分散的方向发展。这样，自动化系统故障时对电网可能造成的影响大大地减小了，自动化设备的独立性、适应性更强。

尤其在高压线路保护方面，经多年研究，微机保护的性能比较完善，可以适应复杂的运行及故障条件。由于通信通道技术的限制，早期的全线速动纵联保护主要由专用闭锁式或允许式纵联方向保护和纵联距离保护构成。随着通信技术的发展，分相式光纤电流纵联差动保护由于原理简单可靠而广泛应用。主设备保护方面，与线路微机保护相比，虽然起步较晚，经过多年的研究已克服了早期的元件微机型保护可靠性不高，灵敏度低，动作速度慢。在110kV及以下电压等级的变电站综合自动化系统中，主变后备保护、线路(馈线)保护、电容器保护等继电保护装置普遍采用保护测控一体化技术，即所谓的四合一装置。每个四合一装置不但可完成继电保护功能，而且还可完成测量、控制、数据通信功能，成为电力系统计算机网络上的一个智能设备。

第一节智能电子装置(IED)的发展和光电互感器的应用

IED实际上就是一台具有微处理器、输入输出部件、并能满足各种不同的工业应用环境的嵌入式装置，它的软件则因应用场合的不同而不同。其实，变电站综合自动化系统中的测控装置、继电保护装置、RTU都可以理解为是一种智能电子装置。现在计算机的发展使设备的功能仅由软件决定，硬件因I／O所要求的数量而异，开发通用标准型的灵活的硬件和软件平台是一种趋势，这样就能适用于所有保护和控制，使系统具有开放性和数据一致性的特点，为变电站综合自动化系统向分散型发展提供有利条件。

光电互感器采用光纤传送信号，无铁心(不存在磁饱和和铁磁谐振问题)、频率响应范围宽、容量大、抗电磁干扰能力强，所以测量单元与微机保护单元互感器可共用，简化了二次设备，这样可以将测量单元与保护单元融合在一起，实现一个模块管理一个电气单元或间隔单元，为变电站综合自动化系统结构实现分散式提供了技术支持。

第二节监控系统的发展和遥视系统的应用

监控系统的发展主要表现在两方面，即变电站遥视系统的逐步应用和人工智能在故障诊断应用中的不断完善。

遥视系统是将变电站内采用摄像机拍摄的视频图象远距离传输到调度中心或集控站(主站)，使主站的运行、管理人员可以借此对变电站电气设备的运行环境进行监控，以保证无人值班变电站的安全运行。遥视系统的视频图象监视在本质上还属于图象获取系统，将计算机视觉技术运用到图象信息的分析与理解中，可以实现变电站系统图象信息的智能处理。计算机视觉技术在变电站领域已成功应用的例子有指针式仪表表示值的自动检定、移动物体的自动识别报警和跟踪运行人员的操作过程。随着与计算机视觉相关的一些技术的不断发展应用，其在变电站领域显示出了良好的应用前景。

第三节人工智能技术的发展应用

近年来，随着人工智能的发展，诊断自动化、智能化的要求逐渐变为现实，其中基于知识的专家系统目前在诊断中已有成功的应用。模糊理论通常和专家系统结合，作为前处理和后处理。神经网络技术由于它强大的并行计算能力和自学习功能及联想能力，很适合作故障分类和模式识别，近年来，已成为本领域的研究热点，发展迅速。综合几种智能技术的优缺点来看，人工智能技术在故障诊断领域的发展方向主要有：神经网络与各种诊断理论的结合、神经网络与信号处理的融合、神经网络结构的改进、基于知识的专家系统与神经网络诊断系统的综合及智能诊断系统的微型化和“傻瓜”化。

第四节通信方式的发展和工业以太网的发展应用

与现场总线相比，工业以太网是统一的总线网络技术，存在通用优势，而且具有价格低、速度快、易于组网等优点。工业以太网有两种模型：一种是混合模型(以太网和其它总线相连)；另一种是所谓的“透明工厂”型，即从高层到底层都采用统一的工业以太网的通信协议。混合型工业以太网的技术已经十分成熟，“透明工厂”型工业以太网是工业控制领域的研究热点，目前国内外已经提出了多种解决方案，每种方案也都有许多学者在研究，在不断地发展、完善中，相信未来的一段时期，工业以太网会给变电站自动化系统带来新的活力。

第五节蓝牙技术的发展应用

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信开放性全球规范，它是一种以低成本的近距离无线连接为基础、为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术，解决了以太网用于变电站自动化布线难的问题。该技术具有小功率、微型化、低成本以及与网络时代相适应的特点。蓝牙技术是一项发展中的技术，其应用正处于起步阶段，但蓝牙技术标准统一、知识产权共享的优势是非常明显的，其未来的发展不可限量。可以预见，变电站内许多设备间采用无线方式通信在不久的将来就可以实现。

第二篇现场总线的应用现状

变电站是强电磁环境，站内的综合自动化系统对系统通信的可靠性有极高的要求。现场总线作为工控的主要通信手段在变电站综合自动化系统中广泛应用。目前在国内的应用情况见表l.

第一章 IEC61850标准的应用现状

自IEC 6l850系列标准[3]发布以来，该标准在全球范围内得到了广泛应用。在国内，国家发改委于2004年6月1日起实施批准了99项电力行业标准，这表明我国变电站自动化系统标准又向国际标准迈进了重要一步。IEC 6l850作为国际变电站自动化系统的标准，对国内变电站自动化技术的发展必起到巨大的促进作用。

第二章现场总线在变电站综合自动化系统应用中的不足

随着变电站综合自动化技术的不断发展，现场总线所固有缺陷已不能满足变电站综合自动化系统运行的需要，主要表现在以下几方面。

第一节现场总线作为工控领域的专用网络

虽然价格低廉，但通信速率低，当变电站通信节点超过一定数量后响应速率迅速下降到不能接受的水平，无法作为变电站自动化系统的主干通信网，更不能适应大型变电站综合自动化系统对通信的要求。

第二节现场总线的拓扑结构多为总线型

当总线型拓扑结构在网络的任一点故障时，如接地、短路或断线等，均可能导致整个系统通信中断，由于变电站的设备检修需要对相应间隔进行停电，并且站内二次电缆及通讯电缆数量大且敷设隐蔽复杂，所以难以查找诊断故障点。

第三节数据通信带宽

由于现场总线有限的数据通信带宽，无法满足变电站综合自动化系统中对大数据量快速传输的要求，如故障录波系统、遥视系统等。

第四节总线产品众多

目前产品的标准不统一，使变电站综合自动化系统中不同子系统问通信互联往往

需要另行专门设计数据通信接口，不仅影响了系统的运行性能，还增加了系统维护、升级的难度。

第三章变电站综合自动化系统中现场总线应用的发展趋势

变电站综合自动化系统中现场总线应用的发展趋势主要有以下几方面：

(1)应用国外的先进技术，进一步向高性能、高可靠性方向发展。

(2)多种现场总线并存发展，系统集成技术进一步融合。由于各种现场总线协议互不兼容，不同现场总线设备不能直接进行信息互访和交换，将进电力自动化系统中多种现场总线系统集成技术的发展。这种集成技术包括三方面，即调度主站与变电站自动化系统的集成、变电站自动化系统各种现场总线间的集成以及变电站自动化系统现场总线与站内相关子系统之间的集成。

(3)高速以太网将得到更广泛的应用。现场总线的不足让我们认识到变电站自动化系统的通信需要宽带通用和符合国际标准的网络技术。目前以太网已广泛应用于变电站自动化系统站控层，并有向下延伸直接应用于间隔层的趋势。我国已开发拥有自主知识产权的高速以太网的现场总线控制设备，使高速以太网广泛应用于工业自动化仪表与控制系统成为可能，现在调度主站通过光纤通信已实现了与变电站自动化系统数据通信的高速连接。

(4)IEC 6l850将促进国内变电站自动化技术的变革。IEC 6l850为不同厂商的设备提供互操作性，这使得IEC 6l850将成为国内变电站自动化技术的发

展的重要内容，新的IEC 6l850系列标准也将随着国内变电站自动化技术的发展逐步得到批准实施。

(5)自IEC 6l850系列标准发布以来，该标准在全球范围内得到了广泛应用。在国内，国家发改委于2004年6月1日起实施批准了99项电力行业标准，这表明我国变电站自动化系统标准又向国际标准迈进了重要一步。IEC 6l850作为国际变电站自动化系统的标准，对国内变电站自动化技术的发展必然起到巨大的促进作用。

现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。

一、现场总线的发展不会被计算机通信技术取代

在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器（program mable logic controller， PLC）以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入PLC，计算机通信技术被引入现场总线；PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。

在分散型控制系统（distribution control system， DCS）的发展历程中，较早地在站间通信中采用了局域网（local area netw ork， LAN）技术。随着电子技术的发展，许多站的功能已经可以在现场实现，因此通信也逐渐延伸到现场。

在过程控制领域，曾经采用过许多通信协议。随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网（ethernet）垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCP／IP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。

这里我们看到了两种趋势，第一是现场有越来越多的信息需要往上送，第二是计算机通信技术越来越向下延伸。人们不禁要问：包括Internet技术内的现代计算机通信技术是否会最终延伸到现场，并取代现场总线?

我们认为现代计算机通信技术有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术，但是计算机通信技术不会取代现场总线。因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。

1、功能

计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是：①经济、安全、可靠地传递信息；②正确使用所传信息；③及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。

正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息，这就是现场总线的可互操作性要求。及时处理信息要求现场装置不要将信息过多地在网络上往返传递，要尽可能地就地处理信息。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的，但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势--信息处理现场化。

2、要求

对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。

（1）传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。

（2）响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的：①仪表或执行器控制中断的能力；②信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；③等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。

（3）巡回时间短指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统，当高优先级事件发生比较频繁时，低优先级事件会长时间得不到响应；对这类通信协议，巡回时间是随机量，预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。

响应时间和巡回时间反映了实时性，而实时性与通信协议有很密切的关系。

现场总线采用两种技术来实现实时性。

一种是简化技术。将网络形式简化成线形（实际上已经不成其为“网”了）；将通信模型简化为只有一、二层；将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主-从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。

另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性，这是一种很复杂的技术。一般认为，分时式实时系统的响应具有可预知性，但资源利用率低；抢先式实时系统资源利用率高，但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度，以达到某种平衡。

随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms，过程控制对系统的实时性要求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。

3、结构

计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的。大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。线状结构的优点是：①解决网络供电比较容易；②解决本安防爆比较容易；

③使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。很显然，在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况，各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。

我们目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容是随着电缆的长度增加的，因此由于电磁感应产生的火花能量，也是随着电缆的长度而增加。在这种情况下，要解决网状结构的本安防爆问题是很难的。本安防爆理论的现状对现场总线的推广应用限制极大。因为它限制电缆的长度和总线上负载的数量。现场总线的主要优点在这些限制下，大部分都消失了。因此现场总线要求本安防爆理论要有所发展，目前各国都在对现场总线本质安全概念（fieldbus intri nsical safety concept，FISCO）理论加强研究，争取有所突破。克服本安防爆对现场总线的限制是现场总线在应用理论上的发展趋势。

现场总线的线状结构的优点在前面说明了，它的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。对于网状结构，断了一、二条支路，信息还能够通过其它路径传递；系统的性能会下降，但不会瘫痪。这个问题是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之一，也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一。

上述情况说明现场总线并不只是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。虽然并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。虽然我们已经看到一些直接通过因特

网访问现场仪表的例子，但这都是一些对控制和实时性没有严格要求的检测系统。我们认为计算机通信技术不会取代现场总线。

二、国内现场总线的发展趋势

国内现场总线的发展趋势是：①多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；②国内自己开发的现场总线产品开始投入市场；③国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。

现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。

现在认为，这种争论在初期对宣传现场总线是有好处的，它促使更多的人了解现场总线，为今后现场总线的推广做了很好的准备。但是要想通过这种争论来搞清楚到底哪种现场总线更好，那是不可能的。

对于目前的争论，看法是：从国内标准化的角度讲，我们应该紧跟国际标准化的潮流，加大对IEC标准的学习、宣传力度，使更多的人了解国际现场总线发展的趋势。从现场总线产品的开发角度讲，应把有限的资金集中在有限的目标上，不宜搞太多的现场总线。对一个企业来讲，已经投资在哪种总线上，应坚持做下去；不宜过多地变换目标。从现场总线的应用角度讲，我们支持各种现场总线在我国的推广应用。多种总线的竞争，有利于降低产品价格，有利于加快现场总线在我国的推广。每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不是最好的。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中，今天存在的问题明天可能就克服了。从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对HART、FF等现场总线展开研究和开发。到现在已经取得了阶段性成果，HART仪表已经开始批量试用，FF仪表也即将投入试用。此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。但是总的来说暂时还不能满足广大用户的要求。

国内企业要推广现场总线产品，目前的主要困难是：①产品尚不成熟；②扩充和配齐品种规格所需的开发力量（资金和人才）不足；③市场开发的投入不足。因此国内企业应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。现场总线的市场打开后，国内企