基于CAN總線(xiàn)的牽引變電站綜合自動(dòng)化系統

1　引　言

變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的研究和應用，首先是在電力系統中，隨著(zhù)電氣化鐵路的發(fā)展，對牽引變電站綜合自動(dòng)化也提出了迫切的需求，逐步得到應用并發(fā)展成為必然趨勢。牽引變電站綜合自動(dòng)化系統是在計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的，不僅越來(lái)越普遍地采用智能設備(IED)，而且其控制模式也逐漸從傳統的集中式向全分散式轉變。隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展，目前分散式牽引變電站綜合自動(dòng)化系統，其各部件之間已有的串行通信方式(RS232，RS422，RS485總線(xiàn)等)，由于傳輸速度慢，易受干擾，通信距離受限制且通信方式不靈活，所以無(wú)法滿(mǎn)足大量實(shí)時(shí)數據傳輸的要求。

現場(chǎng)總線(xiàn)即是一個(gè)開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò )，又是一種全分布控制系統。他是智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線(xiàn)上、作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的智能設備連接為網(wǎng)絡(luò )系統，并進(jìn)一步構成自動(dòng)化系統，實(shí)現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化系統。應用網(wǎng)絡(luò )方式，特別是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)來(lái)解決牽引變電站綜合自動(dòng)化系統的通信問(wèn)題已成為發(fā)展的趨勢?，F場(chǎng)總線(xiàn)有很多標準如FF(基金會(huì )總線(xiàn))，Profibus，ISP，FIP，LonWorks，CAN等，至今還沒(méi)有統一的標準來(lái)定義現場(chǎng)總線(xiàn)整個(gè)體系結構，但從這些總線(xiàn)的產(chǎn)品和特性來(lái)看，CAN總線(xiàn)在許多方面有著(zhù)明顯的優(yōu)勢，許多文獻都對該標準有研究。本文討論CAN總線(xiàn)用于鐵路牽引變電站綜合自動(dòng)化系統中。

2　CAN總線(xiàn)特點(diǎn)

在以往的變電站監控系統中，使用過(guò)BITBUS網(wǎng)和RS485網(wǎng)，但他們存在以下缺陷：

(1)BITBUS和RS485網(wǎng)絡(luò )上只能有一個(gè)主節點(diǎn)，無(wú)法構成多主冗余系統，導致系統可靠性較差。

(2)數據通信方式是命令式，從節點(diǎn)只有在收到主節點(diǎn)的命令后才能響應，一些重要的變位信息得不到及時(shí)上送，致使系統靈活性差、實(shí)時(shí)性差。

(3)BITBUS和RS485網(wǎng)的糾錯能力差?！　?BR>
20世紀80年代中后期出現的CAN總線(xiàn)是一個(gè)造價(jià)低廉而又適用于電力系統監控的控制網(wǎng)。將CAN用于變電站監控系統，有著(zhù)BITBUS和RS485無(wú)法比擬的特性，能夠從根本上改變變電站監控系統的性能，如：

(1)網(wǎng)上任一節點(diǎn)可在任一時(shí)刻向其他節點(diǎn)發(fā)信，而不分主從，這樣可構成真正的多主系統。

(2)在CAN應用層使用DeviceNet協(xié)議，可把優(yōu)先級別分組，這樣滿(mǎn)足了不同的實(shí)時(shí)性要求。

(3)CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當2個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)上發(fā)信時(shí)，優(yōu)先級低的報文主動(dòng)停發(fā)送，而不會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )癱瘓。

(4)CAN采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾少。
　　
(5)CAN的CRC校驗及其他校驗措施，大大改善了BITBUS和RS485網(wǎng)絡(luò )糾錯能力差的情況。

3　CAN現場(chǎng)總線(xiàn)用于牽引變電站綜合自動(dòng)化系統　
　
牽引變電所安全監控及綜合自動(dòng)化系統的結構如圖1所示，他由饋線(xiàn)保護測控單元、當地監控單元、現場(chǎng)總線(xiàn)、視頻監控單元和通信單元等組成。

各保護測控單元完成變電所的繼電保護、測量、控制功能，CAN現場(chǎng)總線(xiàn)為光纖網(wǎng)，是實(shí)現綜合自動(dòng)化系統功能的核心；通信單元在以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)之間實(shí)現規約轉換，同時(shí)為全所提供時(shí)間基準(GPS)。

CAN現場(chǎng)總線(xiàn)完善的網(wǎng)絡(luò )功能，簡(jiǎn)單可靠的硬件，使其在面向對象的變電站綜合自動(dòng)化系統中顯示了廣闊的前景，面向對象的保護控制綜合單元均可以被視為CAN網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)節點(diǎn)或子站。采用的CAN現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，具有良好的開(kāi)放性、互操作性和7層完整的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，提供RS232通信接口。

從結構層次上看，整個(gè)變電站設備可以分為3個(gè)層次，即處理層、間隔層和變電站層。圖1中的CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)結構，主要是實(shí)現間隔單元級通信功能。傳統的間隔級通信多采用串口通信，如RS232C或RS422/485標準，但RS232通信的有效距離很有限(15 m以?xún)?；而RS422/485總線(xiàn)為主從結構，主節點(diǎn)繁忙時(shí)，可能?chē)乐赜绊懴到y的性能，并且其上各I/O單元之間的橫向通信仍需經(jīng)過(guò)站級計算機進(jìn)行，不太適合分層分布式的變電站綜合自動(dòng)化系統。

變電站間隔層通信信息量有限，以太網(wǎng)的優(yōu)勢在這一層次表現不充分。按照CAN網(wǎng)絡(luò )的指標，采用雙絞線(xiàn)介質(zhì)或光纖介質(zhì)，通信速率可以達到1Mb/s。CAN使用帶預測的CSMA/CD算法，非常適于總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)上各節點(diǎn)平等，均可直接通信；節點(diǎn)數可任意改變，任何節點(diǎn)的移動(dòng)、投退，在物理上都不會(huì )影響網(wǎng)上其他節點(diǎn)的通信?？紤]到牽引變電站的強電磁干擾環(huán)境，為了保證數據傳輸可靠性，宜用光纖作為傳輸介質(zhì)。

4　結　語(yǔ)

本文提出了一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)的牽引變電站綜合自動(dòng)化系統的方案，基于CAN網(wǎng)絡(luò )設計，各保護測控單元作為其節點(diǎn)或子站。樣機試驗表明，利用CAN網(wǎng)絡(luò )能對牽引變電站各設備進(jìn)行準確、高效的檢測與監控。實(shí)驗證明，該方法對于實(shí)現牽引變電站綜合自動(dòng)化具有較好的推廣價(jià)值。