Lonworks总线在变电站自动化系统中的应用

摘　要：根据变电站自动系统的特点及其智能化的要求，介绍了Lonworks总线技术及其特点，以及Lonworks总线在变电站自动化系统中的应用;同时根据构建变电站的各智能节点的需要，采用了基于主体的节点设计方案，并设计实现了110KV线路保护单元。

关键词：现场总线;Lonworks总线;Neuron芯片;变电站自动化

引　言

现场总线控制技术是当今自动化控制领域中技术发展的热点之一。具有许多传统控制无法与之比拟的优点，它是一种全数字化的、全开放式的、可互操作的新型控制系统。它的广泛应用大幅度地降低了控制系统的投资，显著地提高了控制质量，目前国际上有几种现场总线技术已逐渐形成其影响，它们分别为基金会现场总线(FF)、Lonworks总线、CAN总线和HART总线等。其中Lonworks总线以其支持OSI/RM七层模型、支持多种通信媒介及易于实现等诸多特征，受到了广泛的关注。同时由于Lonworks总线还具有很强的抗干扰、抗震动等性能，适合于变电站较恶劣的环境，可保证变电站的可靠性，实现变电站自动化。

LonWorks总线技术及其特点

Lonworks总线技术是美国Echelon公司于1993年推出的计算机局部操作网技术。LonWorks技术所采用的LonTalk通信协议遵循由国际标准化组织(ISO)定义的开放系统互联模型(OSI)，同时提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务，这是使Lonworks技术具有开放性的最突出的特点。Lontalk协议支持多种通信介质和多种网络拓扑结构。LonWorks网络将各智能节点连接起来，智能节点的核心是同时具有通信与控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片内部有3个CPU、RAM、ROM以及通信和I/O接口。3个8位CPU分别是：媒体访问控制CPU、通信CPU及应用CPU。ROM中固化了操作系统、通信协议和I/O函数库。

Lonworks总线技术的特点为：网络结构简单、系统扩展方便，增减控制节点不必改变网络的物理结构;接口能直接接收、转换和传送各种传感器、变送智能仪器仪表的开关量、数字量和模拟量等信息，适用于各类自动检测和控制系统组网;采用扩频技术，抗干扰能力强;系统可靠性高，某个控制节点发生故障只影响与该节点相连的设备，而不会造成系统的瘫痪;网络通信协议已固化又配有面向用户的开发平台，能大大缩短研制和开发周期。

变电站自动化系统中的应用

变电站自动化系统是90年代发展起来的多专业综合技术，它以计算机、通信、网络以及自动控制等技术为基础，改变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，是当代电网发展的必然趋势。Lonworks现场总线网是一种使用较广泛的全分布式智能控制网络，是实现分布式的变电站自动化系统网络层的成熟产品。

系统整体设计
利用Lonworks现场总线网实现变电站自动化系统的系统图如图1所示。系统采用了分层的概念，整个系统可以分为四层：变电站层负责管理实时计算机局域网，它利用智能节点(即主站)通过网络层同间隔层通信、通过RS232串行口同就地监控PC机和远方调度中心通信;网络层则采用Lonworks现场总线网实现各个间隔的信息集成并传送到各主站，同时下达主站的控制命令给各间隔;间隔层则由各种智能节点(即间隔)组成，经过常规二次电缆与设备层相连，主要完成数据采集和输出、就地保护以及与网络上其他间隔交换信息等功能;设备层包括各种一次设备，如开关、电流互感器、电压互感器等。


系统中有三个相互独立的主站，每个主站都装设了Neuron芯片以与Lonworks网和PC机及远方调度中心进行通信，所以，称为智能节点。主站1管理系统监控，它有一个含Neuron芯片的监控总线网卡与Lonworks监控总线相连，还通过RS232接口接入具有人机界面(MMI)的PC机，用作后台监控。通过Modem将监控信息传送给远方的调度中心。将主站2设计与主站1完全相同，使远方调度中心的计算机，就如同就地监控的PC机。主站3即工程师站，具有两个总线网卡分别接管监控总线和录波总线，同时有两个RS232串行接口，一个接监控总线的PC机，另一个通过Modem接至公用电话通信网，因而工程师还可以在任何有电话的地方如同就地PC机一样同网上任意元件通信。

系统中有多个相互独立的间隔，每个间隔都装设了Neuron芯片以便与Lonworks网进行通信，同时对一次设备进行采集和控制，所以，间隔也是智能节点。按全分布式系统的构成原则，各间隔能独立完成测试、控制、保护和通信等功能。

智能节点的设计
基于Lonworks技术的变电站自动化系统中Lonworks技术为其提供了一个开放性强的局部操作网络，而其功能的实现主要体现在使用其功能强大的神经芯片来设计的智能节点上。智能节点具有两种类型：基于神经芯片的节点和基于主机的节点。在我们设计的基于Lonworks技术的变电站自动化系统中，由于各个智能设备要完成对各一次设备的测试、控制、保护和通信等功能，需要很大的处理和输入输出能力，所以采用基于主机的节点来设计。基于主机的节点(Host Base)是将神经芯片作为通信处理器，用高级主机的资源来完成复杂的测控功能。基于主机的节点的结构图如图2所示。


从结构上来说，本系统的各智能节点的主体结构基本相同，只是其中的检测、控制电路及其监控软件不同以实现不同的功能。下面就110KV线路保护单元的设计来说明智能节点的设计。110KV线路保护单元的硬件结构从功能上来分可分为以下几个部分：

(1)交流部分(AC)：用模拟量输入变压器将电压互感器、电流互感器二次侧强电信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起隔离和抗干扰的作用。一般可用九个变压器分别用于三相电压、三相电流、3U₀、3I₀和重合闸检同期用的线路抽取电压U_X。

(2)模数转换部分(VFC)：采用九路电路结构完全相同的电压频率变换器(VFC芯片)分别将交流部分输出的五路电压和四路电流变换成脉冲频率随输入模拟量幅值大小变化的脉冲量，并经快速光耦光电隔离后送至主CPU部分中的计数器计数，实现模数转换。

(3)故障录波部分：该部分本身就是一个基于主机的节点，分为单片机扩展和网络通信两部分，两者之间通过并行口通信。单片机扩展部分有VFC来的多路模拟量输入(AI)、多路开关量输入(DI)，并设有2K串行EEPROM用于存放定值和参数，128K掉电不丢失FLASHRAM用于存放重要录波报告和数据，0。5M字节RAM用于存放录波采样数据。还设了两路开关量输出用于报警。网络通信部分由神经芯片MC143120和FFT-10收发器组成，以双绞线为传输介质，支持自由拓扑结构。神经芯片通过并口从单片机获取数据信息，经收发器向Lonworks录波网络发送，再经网络主站送至PC机，PC机可存储大量的录波数据。

(4)继电保护部分：该部分包括启动继电器，报警线路，跳、合闸出口和备用出口。不仅可实现本单元的保护合闸、跳闸，监控异常等，也可由远方或就地值班员通过通信网络经主CPU部分下达命令实现远方跳闸和远方合闸，还可完成手动同期合闸驱动。完成的保护功能有：三段电流保护、过负荷保护、低周减载、零序过电流保护、零序电压保护、三相一次重合闸及手合、重合加速跳等等。

(5)主CPU部分：该部分主要由80C51单片机、神经芯片MC143120、FFT-10收发器及外围电路组成，是本单元完成采集、控制和通信的主要部分。一方面它采集VFC来的各种模拟量和开关量，并根据不同输入信号发出不同的驱动继电保护信号或报警信号给继电保护部分;另一方面，它将采集的数据根据需要构成报文经网络通信部分送往监控主站，或接受各主站下达的命令并转换为控制信号送往一次设备，以实现远方监控。为了保证数据实时并有序的传输，在80C51单片机与Lonworks之间共设有5条I/0口，其中有4个是用来做相互间的数据传输，另一个I/0端口是用来标示是否有SOE事件等重要数据。

(6)人机接口部分(MMI)：该部分主要由80C51单片机、键盘和液晶显示器及其外围电路组成，完成测量数据的实时显示及系统工作参数的本地端设置、修改，以实现人机对话功能。

结束语

Lonworks总线是现代高科技快速发展的产物，它在控制系统中应用广泛。Lonworks总线技术用于变电站自动化是一种很现实的先进技术，可用于建成无人值守变电站，是今后电力系统变电站自动化、大型企业的变电站自动化等领域的发展方向。