串口通讯在变电站保护信息采集方面的问题

在变电站内的保护装置，通讯接口方式多种多样，有采用以太网、串口或其他现场总线方式等。在变电站实际保护信息采集系统中，过去采用串口通讯的比较多，那时候的保护装置一般都只提供串口通讯方式。但串口方式相对于现在的几个通讯方式，存在着通讯速率慢、通讯距离短、抗干扰性弱等几个特点，这对于通讯网络结构的确立也会带来一些困难。下面将对基于串口通讯的保护信息采集系统的组网提供几个实际方案，并介绍这几个方案在实际应用中存在的问题。

1 点对点组网方式
    如今变电站内配置的保护装置比较多，包括各电压等级的线路保护、母线保护、主变保护、电容器保护、备自投装置等(一般110 kV变电站都有50台左右保护装置)。在组网时首先考虑的是一对一的串口通讯方式(如图1所示)，就是每台保护装置都独立拉1根通讯线到采集装置，提供串口一对一接入，这样的好处就是采集系统在采集数据时实时性高，相互信息不会干扰，但实际的工程当中一般的采集装置都提供不了如此多的串口。所以采用这个方案的比较少。

2 一个串口接入的总线方式
    在串口通讯中也可以采用总线方式(RS 485或RS 422方式)，只要把所有的通讯线都挂接在一起，拉1条总线到保护信息采集装置，接入到1个通讯串口(见图2)。
    这样的方案，数据在通讯时必须采用非平衡方式，也就是一问一答方式，所谓的一问一答就是采集装置召唤一帧，装置回应一帧，如果不是这样就会有问题出现，因为串口底层无法控制数据的收发，当几台装置同时发送数据的时候，就有可能在总线上出现信号错乱的现象，也就是在采集装置收到的报文中，会出现前面几个字节是装置1的数据，后面几个字节却是装置2的数据，而串口底层是无法判断哪几个字节是哪个装置发送过来的。这样到应用层时，用来表示数据来自哪里的所谓装置地址就会失效，因为装置收到的不能确认是完整的帧，装置地址位也无从谈起。
    而如果采用一问一答的方式，数据的正确性是可以保证，但突发事件传输实时性会有一些问题，用IEC 60870—5—103规约举例，采集装置在对保护进行完初始化和总召唤命令后，一般轮循召唤2级数据，保护回应2级数据(如遥测)。当保护装置有1级数据(也就是保护有突发数据)的时候，在上送的2级数据中的控制域中有1位ACD位置1来说明保护装置有1级数据需要上送。然后采集装置再发送召唤1级数据命令，保护装置回应1帧1级数据，在此帧并告知还有无后续帧，如有后续帧，采集装置再发召唤1级数据命令，直到1级数据全部发送完毕。其交互过程见图3。

如果实际传输过程是这样，则变电站内如有50台保护设备，空闲时候对这50台保护都轮循发送召唤2级数据命令，因为是一问一答的非平衡方式，所以在采集装置一个命令发出以后必需等到有保护回应以后才能发第2个命令(切记不可连续发命令，然后统一监听，上面已经讲过在非平衡模式下这样发送数据，会让报文错乱)，假设一个回应需要O．5 s(实际情况会长一点)，则50台保护设备的一次轮循就需要25 s时间，当某一台设备有l级数据的时候，采集装置知道的时间也就是O．5～25 s之间；如果刚好是轮循到后面几个保护装置有1级数据需要传送的话，时间一般就是在20 s以后，再加上保护自己的报告生成时间和采集装置报文处理时间，那么这个突发事件的实时性就比较差。所以这样的组网方案在实际工程中一般也不会被采用。

3 多个串口接入的总线方式
    这种方式是考虑到采集装置一般会有多个串口进行通讯，就把保护装置几个一组进行总线组网(考虑到实际情况一般为6个一组，也可以按现场情况决定)，然后接相应的线到采集装置对应的串口接入(见图4)。

这样的组网方式，采集过程和上面讲的一串口接入一样，但每个串口只管几台保护，采用非平衡方式下，保护突发事件的反应时间相对于这个串口一般在0．5～3 s之间，这样从数据可靠性和实时性上考虑，作为保护故障信息系统可以接受的，而且在变电站实际工程中也是比较符合现场情况。

4 和SCADA系统的相容问题
    变电站内一般有实时监控系统，它的串口组网方式也无非是上面几种，可能做的提高实时性和可靠性的办法是把电信号转换为光信号进行传输，但受到保护自身传输和非平衡通讯规约的制约，其实时性一般没有用以太网等其他通讯方式高。如今的保护如果提供2个独立通讯口，保护故障信息系统和SCADA系统各取一个通讯口，不存在信息的相互干扰，通讯能力也是只和保护自身处理能力有关。但如果保护只提供1个通讯口(如早期的LFP系列保护，只提供1个RS 232串口)，则无法独立地接人2套系统。为了解决这个问题，需要一个数据转发处理装置(如RCS 9692，用LFP通讯规约)，把保护设备都先接入到这个转发装置中，并对其提供2个独立的通讯口，所以组网方式变成如图5所示。

如果是这样组网结构，则数据的实时性的好坏很大程序取决于这个数据转发器，而一个透明的命令转发器，只有1个串口接入到保护信息采集装置，其模式就相当于总线方式(1个串口接入)，上面已经提到这个模式下实时性会比较差(而实际在接入RCS 9692这个装置中，它单个命令的回应时间为1～1．5 s)。
    需要注意：实际情况下，RCS 9692的2个通讯口有差别，接通讯口1，则RCS 9692有一个对下轮循机制，RCS9692自动轮循保护并会把保护的突发信息先保存在自己的缓冲区中，当通过通讯口1去询问时，就会把缓冲区里的数据直接回应，但通过通讯口2却没有这个功能，是一个透明的通讯口，而SCADA系统一般需要接入通讯口1。

5 结 语
    正如上面这些情况所言，保护故障信息系统有时采集突发事件反应较慢，因为其与SCADA系统相容问题导致，其实在变电站自动化实施过程中状况已经改变，现在越来越多的通讯采用以太网等方式进行。但为了数据的可靠性，保护装置最好能提供2个独立的通讯口，而且最好2个通讯口都能自由选择提供规约，这样数据不会在通讯中相互干扰，更可提高可靠性，如1个通讯口损坏不会影响另一套系统，保护数据还能有一定的持续性和完整性。S(2AI)A系统比较注重实时性，但保护故障信息系统却更关心数据的完整性，比如对保护扰动数据的采集等。如果保护只提供一个通讯口有数据服务的情况下，那么命令转发器应该做到数据的实时性，与2套系统的不相互干扰性。