变电站现场总线和以太网技术应用

【摘 要】论文首先概括了现场总线和以太网的定义和它们在揭阳市64座变电站中的应用情况，然后分别对LonWorks，WorldFIP，以及以太网的主要组成元件的功能，通信协议进行详细的描述，并结合实际画出铁山变电站综自系统网络结构图。

【关键词】现场总线；LonWorks；WorldFIP；以太网

前言

现场总线的发展与应用对全面实现设备自动化起到巨大的推动作用，实现了变电站内数据的采集、处理和共享。随着变电站规模越来越大，现场总线传输速率低、成本高等局限性逐渐显现出来，而以太网的出现解决了这些方面的困扰，以太网的可靠性高， 灵活性好， 传输速率高等特点， 使其成为综合自动化变电站广泛应用的通信方式。

1 现场总线和以太网的定义与应用

1.1 现场总线的定义

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。

1.2 以太网的定义

以太网指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。

1.3 在揭阳市变电站综自系统中三种网络方式的应用情况

现阶段，在揭阳市变电站中， 网络通信方式主要有3种：（1）北京四方、许继等生产商的LonWorks 总线；（2）南瑞继保公司采用的WorldFIP 总线；（3）以太网。揭阳市64座综合自动化变电站中，用LonWorks 总线作为数据通信介质的变电站有7座；用WorldFIP作为数据通信介质的变电站有16座；用以太网作为数据通信介质的变电站有43座。

2.现场总线

国内不同的自动化厂站现场总线由于总线类型、具体协议各不相同， 总线的选择也无统一标准。下面对揭阳市变电站现用的两种类型的总线作出详细介绍。

2.1 LonWorks总线

LonWorks是美国Echelon公司于1991 年推出的一种现场总线。LonWorks的核心是Neuron神经元处理芯片和Lon Talk通信协议。

Neuron芯片是LonWorks的核心， 其显著特点是既能管理通信， 又具有I/O 的控制功能， 芯片内部有3个8位处微理器。包括媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器， 其中第一个媒体访问控制处理器实现Lon Talk协议的第1层和第2层，第二个网络处理器实现Lon Talk协议的第3层和第6层， 第三个应用处理器实现Lon Talk协议的第7层执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。

Lon Talk协议是LonWorks技术的网络通信协议，它遵循由国际标准化组织（ISO）定议的开放系统互连（OSI）参考模型。它提供OSI参考模型所定义的全部七层服务，是支持LonWorks节点间可靠能信和有效使用通信介质的各种服务的集合。Neuron芯片的三个处理器分别承担OSI七层协议的服务功能，下表中列出了七层协议相关内容。

2.2 WorldFIP总线

WorldFIP现场总线定义了物理层、数据链路层和应用层3层通信协议。物理层有专用线路驱动芯片管理介质冗余。在一条通道出现故障的情况下， 另一条能自动切入。物理层具有信号检错并通知网络管理以及杂音侦听并中断链路层服务的机制。这为总线的热备份、冗余提供了方便， 提高了总线的安全性。链路层提供两种类型的传输服务：变量交换和消息传递。变量是指周期性数据， 而消息是指非周期性数据。连接到WorldFIP总线上的设备， 执行两种功能：（1）总线仲裁器。管理对传输介质的访问。它只调度通信， 不调度进程；（2）产生者、使用者功能。向总线/从总线接收信息。应用层为数据访问和进程间同步提供服务， 这些服务包括： 本地读写、远程读写、刷新服务、指示服务和数据有效性验证。

3 以太网

目前，以太网通信网络已经成为变电站综自系统的主流，以太网以其通信速率高、设备标准化程度高、功能强大等优点在变电站自动化系统中得到越来越多的应用。以太网中重要的通讯设备是“网卡”， 采用TCP/IP协议，每一个通讯单元均要有唯一的IP地址。

网卡是工作在链路层的网络组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。

TCP/IP 协议，又名网络通讯协议，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。协议采用了4层的层级结构，分别是网络接口层、网络层、传输层、应用层。每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一网设备规定一个地址，IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。

揭阳市220kV铁山变电站综自系统主要由WorldFIP现场总线和以太网相结合而成，设备生产商是南京南瑞继保公司，网络结构图：

4 结束语

在变电站自动化系统中， 现场总线作为站控层和间隔层之间的通信网络，改变了以往站内通信实时性差、自我封闭等缺点，而将以太网应用到综自系统中，更是突破了LonWork和WorldFIP总线的局限性，适应了高压大型变电站自动化系统的要求。本文对LonWorks，WorldFIP及以太网的主要组成元件，通信协议进行详细的说明，并结合铁山变电站的实际情况，画出其网络结构图。

现场总线类型多，这里只介绍揭阳市变电站中现用的两种现场总线和以太网的应用，本文有很多不完善的地方，还有待对课题进一步的深入研究。

5 致谢

本论文的编写已经结束，我在此要感谢所有支持和帮助过我的同事，感谢他们为本文提出了宝贵的意见！

6 参考文献

[1]常春雨.综合自动化变电站现场总线技术分析[J].科技创业家，2014.

[2]王治民.CSN-031F LON/以太站级网关说明书[J].北京四方，2006.