WorldFIP现场总线在智能模块化变电所的应用

　
摘要： 本文结合智能模块化变电所自动化系统通讯方案的设计，讨论了WorldFIP现场总线的性能及其在变电所自动化系统中的应用。
关键词：WorldFIP 现场总线
1 引言
　　微机化分散式变电所自动化系统所具有的自动化程度高、组态灵活、运行可靠、占地少、投资省、设计维护简单等诸多优点已成为业内的共识。在变电所自动化技术的发展中，除了单片机技术的发展，保护技术的成熟等因素外，现场总线技术的兴起和普及起到了极为重要的作用。可以说以现场总线为基础的全数字测量控制系统是21世纪自动化控制系统的主流，其中当然也包括电力系统的变电所自动化系统。正是由于传输高效、通讯可靠、接口灵活的现场总线对传统串行通讯方式(如RS232/RS485)的改进，为信息繁杂、组态灵活、运行高速的分散式变电所自动化系统提供了通讯上的保证。同时，选择不同的通讯方式、选择不同的现场总线也相应决定了整个变电所自动化系统的不同特点。
2 通讯方式比较
　　目前，现场总线种类繁多，国际上各大集团出于对现有市场利益的追逐，统一的现场总线国际标准迟迟不能出台。2000年IEC 1158国际标准中将FF的H1，FRHSE、Profibus,Interbus,P-net,Wordfip,ControlNet,Smift-Net等8种总线均列入国际标准，形成多种总线共同竞争的局面。
　　国内不同的自动化厂家出于不同的设计侧重点，总线的选用也不一致，虽然这些总线均以国际标准化组织(ISO)的开放系统互联(OSI)的模型为考虑基础，支持多种通信介质，但由于总线类型、具体协议各不相同，总线的选择也无统一标准。
　　通过对目前国内使用较多的通讯方式的比较，参见表1，并针对智能模块化变电所自动化系统的实际通讯需要，笔者认为WorldFIP现场总线是一种较为理想的现场总线。
3 WorldFIP现场总线的应用
　　WorldFIP现场总线组织于1987年成立，其前期产品是法国的FIP(Factory InstrumentationProtocol)，后采纳现场总线国际标准IEC T158-2成为WorldFIP。1994年，WorldFIP的北美部分与ISP合并成立FF(Field Bus Foundation)，欧洲部分WorldFIP仍保持独立，但可与FF通讯连接。目前WorldFIP组织有包括一些世界著名大公司在内的100多个成员，如阿尔斯通、施耐德、霍尼韦尔等。1999年6月，中国WorldFIP技术推广中心在北京成立，因此WorldFIP在我国应有较好的应用前景。
　　WorldFIP选择OSI中的应用层、数据链路层和物理层，具有高速性、实时性、同步性、可靠性、安全性等特点，能较好的满足智能模块之间的通讯要求。
表1 常见通讯方式的比较
特性以太网CANWorldFIP485
数据编码曼彻斯特不归零曼彻斯特不归零
通信方式全双式/半双工半双工半双工半双工
拓扑关系网络形总线形总线形总线形
传输介质同轴电缆/光纤/网缆双绞线同轴电缆、光纤屏蔽双绞线光纤双绞线光纤
介质访问CSMA/CDCSMA/CD令牌主从
检错码CRCCRCCRC无
体系结构OSI全部7层OSI1,2层OSI1，2，7层-
容量11064×432或16
容错错误检测故障点切错多级冗余

　　WorldFIP的传输速率可达到31.25kbit/s、1Mbit/s、2.5Mbit/s，通讯介质为工业级屏蔽双绞线，利用光纤通讯速率可达到5Mbit。每个网段可包含64个节点末端距离可达1km，通过中继器，可连接多至4个网段。这样的物理层设计完全可以满足变电所自动化系统内智能模块间通讯的要求。
　　WorldFIP的链路层与Ethernet网类似，使用曼彻斯特码传输。但WorldFIP在介质访问控制方式上没有使用Ethernet网及CAN网等通讯方式所采用的CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)技术，而是采用令牌访问方式。WorldFIP网络由仲裁器和若干用户站组成。以WorldFIP特有的"信息生产者"/"信息使用?quot;模式为核心实现通讯调度和数据交换，这种方式较好地满足了智能模块化设计的通讯要求。

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　　智能模块化变电所自动化系统中的"模块"是指一组具备一定基本功能(如交流量测量、开关量测量、开关控制等)、具有统一通讯接口的智能模块，它是"组装"上一级功能单元或子系统的"基石"，因此它们之间的通讯可按其功能、时效分为几类标准通讯方式。有些信息要求周期性同步扫描，以供各模块实时，可靠的共享；有些信息属突发事件但要求及时上送。WorldFIP总线较好地满足这样的要求。
　　WorldFIP在网段内为每个模块设定一个IP，并在适当的时间内指定某个模块成为"信息生产者"，此时其它的模块都可以成为一个"信息消费者"。通过总线仲裁器按一定时序为每个生产者分配一个时段，逐个呼叫每个"信息生产者"向网上传送相应数据信息，从而使功能单元或小系统内的信息得以同步可靠的共享。
　　当然WorldFIP采用令牌式介质访问控制方式不具备CAN网等CSMA/CD方式的总线在多主通讯、报文主动上传等方面的优势，但同时它也避免了通讯冲突，避免了冲突所带来的重发及等待延时，保证了数据的实时、同步共享，这对于需要模块组态，协同工作的模块化设计是非常需要的，同时WorldFIP也为非周期突发的信息提供了较好的通信方案。
　　实际上WorldFIP将信息分为周期性同步数据，周期性异步数据和非周期性信息包。同步数据严格按照临界时间变量传输，临界时间的控制不受其他报文传输的影响。接下来传输对同步性要求不太高的周期性数据，数据将按事件变量的方式传输。最后呼叫那些非周期性的信息包。
　　下面以由多个测控模块组态成的主变测控单元为例简单介绍WorldFIP的通讯过程。断路器的状态、有载档位由入模块测量，电压、电流等信息则由模拟量模块测量，测量结果在完成诸如负荷控制、有载调压、备自投等功能时有较高的实时性要求，信息格式固定。这类信息应按临界时间变量进行传输，它们严格按设定的临界时间进行传递。遥信事件只在状态变化时进行传输，可作为周期性异步事件进行传输，而对于设置类报文、自诊断类报文，操作类报文、记录类报文等则归入非周期的信息包发送。
　　在典型的"令牌传递"总线中，总线全部用于传递报文，临界时间数据不能保证准确的临界时间，而WorldFIP允许周期性报文和非周期报文，同步信息和异步信息，互不干扰也在一体总线上同时传递，就好像不同类型的信息有各自的信道一样。


　　同时由于不同模块的各种测量结果严格按时序出现在总线上，可近似地认为总线上有一个以时序为索引，临界时间变量的同步实时数据库，从而方便地实现在功能单元或子系统内的信息共享，进而实现诸如负荷控制、有载调压、备自投、防误操作等综合功能。
　　WorldFIP总线除了在性能上满足智能模块化变电所自动化装置的通讯要求，针对安全可靠性方面也有着充分的考虑，WorldFIP总线包含多种冗余措施，最大限度地提高总线通讯可靠性。
　　(1)介质冗余，WorldFIP支持双电缆冗余，由网管控制总线的投退。
　　(2)误码自检，当误码退出设定值后，物理层中断链路层并通告网管。
　　(3)链路层自动帧同步，由链路层自行屏蔽非法应答报文。
　　(4)CRC帧校验可确保，低于10??-12?的帧错率。
　　(5)仲裁器冗余。仲裁器自动转移使一个总线上允许有多个仲裁器互为备用。
　　此外WorldFIP厂家还提供网管装置和软件及内嵌WEB服务器，可实时监控总线报文，无缝连接Internet，同时又不影响实时数据的传送。
　　WorldFIP总线的应用：
　　FULLFIP2芯片可作为仲裁器或用户站通讯控制芯片。MICROFIP芯片只能作为用户站通讯控制芯片。两者均可完成WorldFIP总线全部链路层及网管功能。FIELDRIVE和FIELDTR则完成接口芯片到屏蔽电缆之间的联接。
　　具体应用中，系统设计十分简单。通讯模块上设计有FULLFIP2芯片及相应接口芯片。FULLFIP2完成网络收发、网络管理及网络数据维护。主CPU通过设置BA总线通讯调度表设定总线通讯时序，通过读写命令寄存器和FIF0即可完成数据的收发。交流测量模块、开关量测量模块、远方控制模块则选用MICROFIP芯片及相应接口芯片，模块CPU按照指定地址读写MICROFIP的接口存储器即可完成数据及信息报文的收发。