現場(chǎng)總線(xiàn)在電力遠程監測管理系統中的應用

利用極為普遍的公用電話(huà)網(wǎng)實(shí)現MODEM遠程抄表是目前電力遠程監測管理的主要方式之一。常見(jiàn)的MODEM抄表系統是管理中心通過(guò)電話(huà)網(wǎng)以發(fā)散的形式與分散于各臺變區域的集中器連接，形成1對N的星型通信網(wǎng)絡(luò )。由于利用電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行通信通常需要較長(cháng)時(shí)間進(jìn)行握手應答和線(xiàn)路續接，數據點(diǎn)較多時(shí)通信效率很低;另外，當集中器數目較多時(shí)，租用的電話(huà)線(xiàn)也較多，尤其在居民密集的城區，集中器的密度很大，管理中心的電話(huà)租借費用將相當高。因此，上述缺點(diǎn)限制了傳統的基于電話(huà)網(wǎng)的電力遠程監測管理系統的推廣使用。

為此，筆者開(kāi)發(fā)了一種基于CAN總線(xiàn)的電力遠程監測管理系統。該系統打破了傳統的一個(gè)集中器一部電話(huà)的組建模式，而將位置相對集中的多個(gè)集中器用CAN總線(xiàn)組成局域網(wǎng)，一個(gè)局域網(wǎng)只需一部電話(huà)與管理中心通信。這種組建方式一方面大大減少了集中器電話(huà)租借數目，大大降低了通信成本;另一方面，利用CAN總線(xiàn)特有的廣播通信方式，可有效提高系統的實(shí)時(shí)通信能力。

1 電力遠程監測管理系統構成

基于CAN總線(xiàn)的電力遠程監測管理系統是一個(gè)三級分布式檢測系統，主要由管理中心、集中器、采集單元、通信信道、采集終端等5部分組成，系統結構如圖1所示。

圖1中，系統信道包括電話(huà)線(xiàn)、CAN總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)。采用電話(huà)線(xiàn)撥號方式，三級通信包括管理中心與主集中器之間的MODEM通信、主集中器與從集中器之間的CAN總線(xiàn)通信、集中器與采集單元（或采集模塊、采集終端）之間的RS-485總線(xiàn)通信，通過(guò)MODEM的調制和解調功能，能夠及時(shí)、方便地進(jìn)行系統的遠程信息傳輸，與主集中器實(shí)現信息交換：每臺主集中器通過(guò)CAN總線(xiàn)，可以管理10 km內安放在各配電變壓器附近的從集中器（CAN節點(diǎn)），從集中器為1～110個(gè);從集中器通過(guò)RS-485總線(xiàn)，采用的SN65LBC184芯片規定的從機個(gè)數為1～64個(gè)，因此系統采集終端的個(gè)數也為1～64個(gè)，（即1～1024戶(hù)居民用戶(hù)電表），管理變壓器采集單元和低壓居民用戶(hù)采集終端;每個(gè)采集終端可以實(shí)現1～16戶(hù)居民用戶(hù)的電量采集與采集信息傳輸。

圖1 基于CAN總線(xiàn)的電力遠程監測管理系統

2 CAN總線(xiàn)通信系統設計

CAN總線(xiàn)是電力遠程監測管理系統主、從集中器之間的通信鏈路，CAN總線(xiàn)通信的穩定可靠是電力遠程監測管理系統運行成敗的關(guān)鍵。

2.1 CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議，屬于現場(chǎng)總線(xiàn)范圍。CAN總線(xiàn)具有較強的糾錯能力，支持差分收發(fā)，因而適合高噪聲環(huán)境，并具有較遠的傳輸距離，特別適合中小型分布式測控系統。由于CAN具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、抗干擾能力強、傳輸距離遠、通信速度快、采用短信息幀結構和多主通信方式以及可使用多種通信介質(zhì)等許多優(yōu)點(diǎn)，在航空、航海、汽車(chē)、建筑物環(huán)境控制、機床、醫療設備等領(lǐng)域以及各種工業(yè)自動(dòng)化控制系統中得到了廣泛的應用。

2.2 CAN總線(xiàn)分布式測控網(wǎng)絡(luò )的組建方法

多個(gè)CAN節點(diǎn)通過(guò)傳輸介質(zhì)按一定的形式互連，就可以組成CAN通信網(wǎng)絡(luò )。與RS-485總線(xiàn)類(lèi)似，CAN總線(xiàn)只支持總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò )。CAN總線(xiàn)通信只用到兩根導線(xiàn)CAN_H、CAN_L，對通信介質(zhì)的要求較低，雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖均可，通常采用廉價(jià)的雙絞線(xiàn)即可。由集中器節點(diǎn)組成的CAN總線(xiàn)分布式測控網(wǎng)絡(luò )結構如圖2所示。

圖2 CAN總線(xiàn)分布式測控網(wǎng)絡(luò )結構圖

圖2中，總線(xiàn)的兩個(gè)末端均接有抑制信號反射的終端電阻RT，一般取RT=100～120Ω。在實(shí)際組網(wǎng)時(shí)，應根據現場(chǎng)情況決定圖中的3個(gè)參數：節點(diǎn)分支長(cháng)度D應小于0.3米;相鄰節點(diǎn)的距離S和不加中繼的可靠通信距離L取決于總線(xiàn)的通信速率，速率越高，其允許值越小。按照CAN國際標準ISO11898的建議，在總線(xiàn)位速率為1Mbps時(shí)，S和L的值應小于40m，但當總線(xiàn)位速率小于5Kbps時(shí)，L的允許值可達10Km。

3 主、從集中器之間的通信方式

在本電力遠程監測管理系統中，主、從集中器之間是一種典型的分布式通信系統，以主從方式進(jìn)行通信，即系統中必須且僅需一個(gè)主集中器，其余均為從集中器。所有通信皆由主集中器發(fā)起，從集中器之間不能、也無(wú)必要通信。

3.1 主、從集中器地址分配

CAN協(xié)議的報文標識符可以使不同的數據發(fā)往不同的節點(diǎn)，也可以使不同的節點(diǎn)同時(shí)收到相同的數據。若定義某CAN節點(diǎn)只接收以某個(gè)特定的標識符開(kāi)始的數據，則可以近似地把該標識符作為此節點(diǎn)的“地址”。

電力遠程監測管理系統中，主、從集中器作為CAN總線(xiàn)的節點(diǎn)都工作于增強模式（PeliCAN mode），以擴展幀雙濾波方式傳遞報文。對于擴展幀而言，濾波器1由ACR0、ACR1、AMR0和AMR1構成，濾波器2由ACR2、ACR3、AMR2和AMR3組成，擴展幀格式的CAN信息幀的29位標識符中也只有高16位（ID28～ID13）參與了濾波。兩個(gè)濾波器在過(guò)濾數據時(shí)是“或”的關(guān)系，即只要CAN信息幀通過(guò)其中任意一個(gè)濾波器的驗收，就可以被接收。如圖3所示即為擴展幀格式的雙濾波器驗收濾波流程圖。

圖3 擴展幀格式的雙濾波器驗收濾波流程

系統為每個(gè)CAN節點(diǎn)的濾波器1的驗收碼寄存器ACR定義了不同的數值，用以區分不同的集中器，即為集中器分配了地址，其中主集中器的地址為0001，這是區分主、從集中器的標志。有了這個(gè)CAN節點(diǎn)地址，分布式系統中的主集中器就可以和系統中任意一個(gè)從集中器交換數據，即進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)雙向通信。所有從集中器的濾波器2的ACR值均為FFFFH，作為接收主集中器廣播數據的地址。主、從集中器的地址分配如表1所示。

表1 主、從集中器的地址分配

由上可見(jiàn)，基于CAN總線(xiàn)的分布式通信系統中，主、從集中器之間實(shí)質(zhì)上存在著(zhù)兩條信息通道，即所有CAN節點(diǎn)的濾波器1構成了點(diǎn)對點(diǎn)信息交換通道（點(diǎn)名通道），所有CAN節點(diǎn)的濾波器2構成了一點(diǎn)對多點(diǎn)的信息交換通道（廣播通道）。其中點(diǎn)名通道是雙向的，廣播通道是單向的，即CAN信息幀由主集中器發(fā)出，所有從集中器進(jìn)行接收。CAN總線(xiàn)分布式測控網(wǎng)絡(luò )信息通道抽象示意圖如圖4所示。

圖4 CAN總線(xiàn)信息通道抽象示意圖

3.2 點(diǎn)名通信

進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)雙向通信（點(diǎn)名）時(shí)，主集中器發(fā)送的信息幀高16位標識符即為從集中器的地址（點(diǎn)名地址）。系統所有從集中器的驗收屏蔽碼AMR全為0，即要求濾波器1和濾波器2進(jìn)行全值濾波，只有當從集中器的濾波器1驗收碼ACR設定值與主集中器發(fā)送的點(diǎn)名地址完全相符時(shí)，該從集中器才可以接收數據。主集中器的驗收屏蔽碼AMR全為1，實(shí)現無(wú)條件濾波，可以接收所有從集中器的數據，這個(gè)特點(diǎn)是主從式通信系統中主機所應具備的特點(diǎn)。

點(diǎn)名通信由主集中器發(fā)起，通過(guò)總線(xiàn)送出信息幀后，所有從集中器均進(jìn)行濾波，但只有符合點(diǎn)名地址的那個(gè)從集中器才能接收到命令和數據，由其CAN控制器SJA1000向CPU發(fā)出中斷請求。從集中器的中斷服務(wù)程序根據接收的命令或數據執行相應的操作，然后向主集中器發(fā)送返回信息。

3.3 廣播通信

進(jìn)行廣播通信時(shí)（如整點(diǎn)對時(shí)、發(fā)布統一費率等），主集中器發(fā)送的信息幀高16位標識符是FFFFH，所有從集中器均可通過(guò)各自的濾波器2接收數據，從而實(shí)現全局廣播通信。廣播通信可以使同一CAN局域網(wǎng)內的所有從集中器同時(shí)接收主集中器的命令或數據，體現了通信的實(shí)時(shí)性和同步性。

4 結束語(yǔ)

基于CAN總線(xiàn)的電力遠程監測管理系統利用CAN總線(xiàn)實(shí)現了位置相對集中的變壓器臺區的組網(wǎng)通信，大大減少了MODEM抄表所需的電話(huà)租借數目，大幅降低電話(huà)租借費用，取得了良好的經(jīng)濟效益。實(shí)際運行表明：CAN總線(xiàn)可以實(shí)現主、從集中器之間的可靠通信。因此，本系統所采用的CAN總線(xiàn)通信方式可推廣到其它類(lèi)似的分布式測控系統。