基于CAN總線的牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

1　引　言

變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用，首先是在電力系統(tǒng)中，隨著電氣化鐵路的發(fā)展，對(duì)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(yīng)用并發(fā)展成為必然趨勢(shì)。牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，不僅越來(lái)越普遍地采用智能設(shè)備(IED)，而且其控制模式也逐漸從傳統(tǒng)的集中式向全分散式轉(zhuǎn)變。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，目前分散式牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，其各部件之間已有的串行通信方式(RS232，RS422，RS485總線等)，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)法滿足大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?

現(xiàn)場(chǎng)總線即是一個(gè)開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。他是智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)方式，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來(lái)解決牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信問(wèn)題已成為發(fā)展的趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)總線有很多標(biāo)準(zhǔn)如FF(基金會(huì)總線)，Profibus，ISP，F(xiàn)IP，LonWorks，CAN等，至今還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義現(xiàn)場(chǎng)總線整個(gè)體系結(jié)構(gòu)，但從這些總線的產(chǎn)品和特性來(lái)看，CAN總線在許多方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，許多文獻(xiàn)都對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)有研究。本文討論CAN總線用于鐵路牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中。

2　CAN總線特點(diǎn)

在以往的變電站監(jiān)控系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)，無(wú)法構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性較差。

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

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

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

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

(3)CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)上發(fā)信時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的報(bào)文主動(dòng)停發(fā)送，而不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

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

3　CAN現(xiàn)場(chǎng)總線用于牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)　
　
牽引變電所安全監(jiān)控及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，他由饋線保護(hù)測(cè)控單元、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控單元、現(xiàn)場(chǎng)總線、視頻監(jiān)控單元和通信單元等組成。

各保護(hù)測(cè)控單元完成變電所的繼電保護(hù)、測(cè)量、控制功能，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線為光纖網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)功能的核心；通信單元在以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換，同時(shí)為全所提供時(shí)間基準(zhǔn)(GPS)。

CAN現(xiàn)場(chǎng)總線完善的網(wǎng)絡(luò)功能，簡(jiǎn)單可靠的硬件，使其在面向?qū)ο蟮淖冸娬揪C合自動(dòng)化系統(tǒng)中顯示了廣闊的前景，面向?qū)ο蟮谋Ｗo(hù)控制綜合單元均可以被視為CAN網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)或子站。采用的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，具有良好的開放性、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(jié)構(gòu)層次上看，整個(gè)變電站設(shè)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(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，主要是實(shí)現(xiàn)間隔單元級(jí)通信功能。傳統(tǒng)的間隔級(jí)通信多采用串口通信，如RS232C或RS422/485標(biāo)準(zhǔn)，但RS232通信的有效距離很有限(15 m以內(nèi))；而RS422/485總線為主從結(jié)構(gòu)，主節(jié)點(diǎn)繁忙時(shí)，可能嚴(yán)重影響系統(tǒng)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(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行，不太適合分層分布式的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

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

4　結(jié)　語(yǔ)

本文提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的方案，基于CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，各保護(hù)測(cè)控單元作為其節(jié)點(diǎn)或子站。樣機(jī)試驗(yàn)表明，利用CAN網(wǎng)絡(luò)能對(duì)牽引變電站各設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的檢測(cè)與監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)證明，該方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)牽引變電站綜合自動(dòng)化具有較好的推廣價(jià)值。