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摘要：本文結合智能模塊化變電所自動化系統通訊方案的設計，討論了WorldFIP現場總線的性能及其在變電所自動化系統中的應用。

關鍵詞：WorldFIP現場總線

1引言

微機化分散式變電所自動化系統所具有的自動化程度高、組態靈活、運行可靠、占地少、投資省、設計維護簡單等諸多優點已成為業內的共識。在變電所自動化技術的發展中，除了單片機技術的發展，保護技術的成熟等因素外，現場總線技術的興起和普及起到了極為重要的作用。可以說以現場總線為基礎的全數字測量控制系統是21世紀自動化控制系統的主流，其中當然也包括電力系統的變電所自動化系統。正是由于傳輸高效、通訊可靠、接口靈活的現場總線對傳統串行通訊方式(如RS232/RS485)的改進，為信息繁雜、組態靈活、運行高速的分散式變電所自動化系統提供了通訊上的保證。同時，選擇不同的通訊方式、選擇不同的現場總線也相應決定了整個變電所自動化系統的不同特點。

2通訊方式比較

目前，現場總線種類繁多，國際上各大集團出于對現有市場利益的追逐，統一的現場總線國際標準遲遲不能出臺。2000年IEC1158國際標準中將FF的H1，FRHSE、Profibus,Interbus,P-net,Wordfip,ControlNet,Smift-Net等8種總線均列入國際標準，形成多種總線共同競爭的局面。

國內不同的自動化廠家出于不同的設計側重點，總線的選用也不一致，雖然這些總線均以國際標準化組織(ISO)的開放系統互聯(OSI)的模型為考慮基礎，支持多種通信介質，但由于總線類型、具體協議各不相同，總線的選擇也無統一標準。

通過對目前國內使用較多的通訊方式的比較，參見表1，并針對智能模塊化變電所自動化系統的實際通訊需要，筆者認為WorldFIP現場總線是一種較為理想的現場總線。

3WorldFIP現場總線的應用

WorldFIP現場總線組織于1987年成立，其前期產品是法國的FIP(FactoryInstrumentationProtocol)，后采納現場總線國際標準IECT158-2成為WorldFIP。1994年，WorldFIP的北美部分與ISP合并成立FF(FieldBusFoundation)，歐洲部分WorldFIP仍保持獨立，但可與FF通訊連接。目前WorldFIP組織有包括一些世界著名大公司在內的100多個成員，如阿爾斯通、施耐德、霍尼韋爾等。1999年6月，中國WorldFIP技術推廣中心在北京成立，因此WorldFIP在我國應有較好的應用前景。

WorldFIP選擇OSI中的應用層、數據鏈路層和物理層，具有高速性、實時性、同步性、可靠性、安全性等特點，能較好的滿足智能模塊之間的通訊要求。

表1常見通訊方式的比較

特性以太網CANWorldFIP485

數據編碼曼徹斯特不歸零曼徹斯特不歸零

通信方式全雙式/半雙工半雙工半雙工半雙工

拓撲關系網絡形總線形總線形總線形

傳輸介質同軸電纜/光纖/網纜雙絞線同軸電纜、光纖屏蔽雙絞線光纖雙絞線光纖

介質訪問CSMA/CDCSMA/CD令牌主從

檢錯碼CRCCRCCRC無

體系結構OSI全部7層OSI1,2層OSI1，2，7層-

容量11064×432或16

容錯錯誤檢測故障點切錯多級冗余

WorldFIP的傳輸速率可達到31.25kbit/s、1Mbit/s、2.5Mbit/s，通訊介質為工業級屏蔽雙絞線，利用光纖通訊速率可達到5Mbit。每個網段可包含64個節點末端距離可達1km，通過中繼器，可連接多至4個網段。這樣的物理層設計完全可以滿足變電所自動化系統內智能模塊間通訊的要求。

WorldFIP的鏈路層與Ethernet網類似，使用曼徹斯特碼傳輸。但WorldFIP在介質訪問控制方式上沒有使用Ethernet網及CAN網等通訊方式所采用的CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)技術，而是采用令牌訪問方式。WorldFIP網絡由仲裁器和若干用戶站組成。以WorldFIP特有的"信息生產者"/"信息使用?quot;模式為核心實現通訊調度和數據交換，這種方式較好地滿足了智能模塊化設計的通訊要求。

智能模塊化變電所自動化系統中的"模塊"是指一組具備一定基本功能(如交流量測量、開關量測量、開關控制等)、具有統一通訊接口的智能模塊，它是"組裝"上一級功能單元或子系統的"基石"，因此它們之間的通訊可按其功能、時效分為幾類標準通訊方式。有些信息要求周期性同步掃描，以供各模塊實時，可靠的共享；有些信息屬突發事件但要求及時上送。WorldFIP總線較好地滿足這樣的要求。

WorldFIP在網段內為每個模塊設定一個IP，并在適當的時間內指定某個模塊成為"信息生產者"，此時其它的模塊都可以成為一個"信息消費者"。通過總線仲裁器按一定時序為每個生產者分配一個時段，逐個呼叫每個"信息生產者"向網上傳送相應數據信息，從而使功能單元或小系統內的信息得以同步可靠的共享。

當然WorldFIP采用令牌式介質訪問控制方式不具備CAN網等CSMA/CD方式的總線在多主通訊、報文主動上傳等方面的優勢，但同時它也避免了通訊沖突，避免了沖突所帶來的重發及等待延時，保證了數據的實時、同步共享，這對于需要模塊組態，協同工作的模塊化設計是非常需要的，同時WorldFIP也為非周期突發的信息提供了較好的通信方案。

實際上WorldFIP將信息分為周期性同步數據，周期性異步數據和非周期性信息包。同步數據嚴格按照臨界時間變量傳輸，臨界時間的控制不受其他報文傳輸的影響。接下來傳輸對同步性要求不太高的周期性數據，數據將按事件變量的方式傳輸。最后呼叫那些非周期性的信息包。

下面以由多個測控模塊組態成的主變測控單元為例簡單介紹WorldFIP的通訊過程。斷路器的狀態、有載檔位由入模塊測量，電壓、電流等信息則由模擬量模塊測量，測量結果在完成諸如負荷控制、有載調壓、備自投等功能時有較高的實時性要求，信息格式固定。這類信息應按臨界時間變量進行傳輸，它們嚴格按設定的臨界時間進行傳遞。遙信事件只在狀態變化時進行傳輸，可作為周期性異步事件進行傳輸，而對于設置類報文、自診斷類報文，操作類報文、記錄類報文等則歸入非周期的信息包發送。

在典型的"令牌傳遞"總線中，總線全部用于傳遞報文，臨界時間數據不能保證準確的臨界時間，而WorldFIP允許周期性報文和非周期報文，同步信息和異步信息，互不干擾也在一體總線上同時傳遞，就好像不同類型的信息有各自的信道一樣。

同時由于不同模塊的各種測量結果嚴格按時序出現在總線上，可近似地認為總線上有一個以時序為索引，臨界時間變量的同步實時數據庫，從而方便地實現在功能單元或子系統內的信息共享，進而實現諸如負荷控制、有載調壓、備自投、防誤操作等綜合功能。

WorldFIP總線除了在性能上滿足智能模塊化變電所自動化裝置的通訊要求，針對安全可靠性方面也有著充分的考慮，WorldFIP總線包含多種冗余措施，最大限度地提高總線通訊可靠性。

(1)介質冗余，WorldFIP支持雙電纜冗余，由網管控制總線的投退。

(2)誤碼自檢，當誤碼退出設定值后，物理層中斷鏈路層并通告網管。

(3)鏈路層自動幀同步，由鏈路層自行屏蔽非法應答報文。

(4)CRC幀校驗可確保，低于10-12的幀錯率。

(5)仲裁器冗余。仲裁器自動轉移使一個總線上允許有多個仲裁器互為備用。

此外WorldFIP廠家還提供網管裝置和軟件及內嵌WEB服務器，可實時監控總線報文，無縫連接Internet，同時又不影響實時數據的傳送。

WorldFIP總線的應用：

FULLFIP2芯片可作為仲裁器或用戶站通訊控制芯片。MICROFIP芯片只能作為用戶站通訊控制芯片。兩者均可完成WorldFIP總線全部鏈路層及網管功能。FIELDRIVE和FIELDTR則完成接口芯片到屏蔽電纜之間的聯接。

具體應用中，系統設計十分簡單。通訊模塊上設計有FULLFIP2芯片及相應接口芯片。FULLFIP2完成網絡收發、網絡管理及網絡數據維護。主CPU通過設置BA總線通訊調度表設定總線通訊時序，通過讀寫命令寄存器和FIF0即可完成數據的收發。交流測量模塊、開關量測量模塊、遠方控制模塊則選用MICROFIP芯片及相應接口芯片，模塊CPU按照指定地址讀寫MICROFIP的接口存儲器即可完成數據及信息報文的收發。