CAN總線在變電所綜合自動(dòng)化中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

0前言

城市輕軌與地鐵供電系統(tǒng)是一個(gè)特殊的系統(tǒng)，其安全性、可靠性要求高，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)營和管理的自動(dòng)化。變電所綜合自動(dòng)化是電力系統(tǒng)自動(dòng)化基本組成，也是實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)功能的前提。

在電力監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線是變電所綜合自動(dòng)化的流通動(dòng)脈，是變電所綜合自動(dòng)化三大構(gòu)成部分設(shè)備管理層、所內(nèi)通信層和間隔設(shè)備層中的一個(gè)主要構(gòu)成部分即所內(nèi)通信層。通過總線通信，從現(xiàn)場采集的大量信息和數(shù)據(jù)被快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地上傳到監(jiān)控中心，同時(shí)由監(jiān)控中心下達(dá)的控制命令也被準(zhǔn)確無誤地發(fā)送到控制單元，及時(shí)采取措施避免事故發(fā)生。

目前，在既有地鐵運(yùn)營系統(tǒng)中，間隔層供電設(shè)備的微機(jī)保護(hù)測控與其他微機(jī)型的自控裝置間的通信大多通過RS422/RS485通信接口相聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與微機(jī)保護(hù)和自動(dòng)裝置間相互交換數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。采用RS422/RS485通信接口雖然可實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）間的互連，但連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不超過32個(gè)，在變電所規(guī)模稍大時(shí)，滿足不了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的要求；其次，采用RS422/RS485通信接口，其通信方式多為查詢方式，即由主計(jì)算機(jī)提問，保護(hù)單元或自控裝置應(yīng)答，通信效率低，難以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求；再者，使用RS422/RS485通信接口，整個(gè)通信網(wǎng)上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信管理和控制，其余皆為從節(jié)點(diǎn)，這樣主節(jié)點(diǎn)便成為系統(tǒng)的瓶頸，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)的通信便無法進(jìn)行。而20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的現(xiàn)場總線有效地解決了以上問題。

CAN（ControllerAreaNetwork）總線以其通信速率高、可靠性高、連接方便和性價(jià)比優(yōu)等特點(diǎn)成為現(xiàn)場總線的推薦標(biāo)準(zhǔn)之一，在城市輕軌與地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）中有著廣闊的應(yīng)用前景。

1CAN技術(shù)的特點(diǎn)

變電所綜合自動(dòng)化區(qū)別于常規(guī)所最明顯的標(biāo)志之一就是通信功能，變電所內(nèi)間隔層之間信息可充分共享，并通過通信接口與外界信息系統(tǒng)交換信息，同時(shí)節(jié)省大量電纜，構(gòu)成一個(gè)快速、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求，也是電力系統(tǒng)運(yùn)行管理功能的基本前提。

CAN總線是一種有效支持分布控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是一種通信速率可達(dá)1Mb/s的多主總線，具有優(yōu)先搶占方式進(jìn)行總線仲裁的作用機(jī)理，錯(cuò)誤幀可自動(dòng)重發(fā)，永久故障可自動(dòng)隔離，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常工作，可靠性高，而且協(xié)議簡單，開放性強(qiáng)，組網(wǎng)靈活，成本較低，能為電力自動(dòng)化提供開放性、全分布及可互操作性的通信平臺(tái)。CAN總線具有以下主要特點(diǎn)：

（1）良好的實(shí)時(shí)性。CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

（2）良好的傳輸防錯(cuò)能力。CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)最多8個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾幾率低，且每幀信息都具有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施。

（3）全數(shù)字化的雙向傳輸。用以取代傳統(tǒng)的4～20mA信號(hào)，CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速度在5kb/s以下）；最高通信速率可達(dá)1Mb/s（距離在40m以下）。

因此CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)具有多主、實(shí)時(shí)、高可靠性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于在條件十分惡劣的工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

2變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成

地鐵車站牽引降壓混合變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備組成示意圖如圖1所示。

該系統(tǒng)間隔層主要由保護(hù)單元和測控單元組成，每個(gè)測控單元監(jiān)控多路饋進(jìn)饋出，采用先進(jìn)現(xiàn)場總線CAN，現(xiàn)場通信采用屏蔽雙絞線，總線速率達(dá)1Mb/s，通信規(guī)約支持IEC-60870-5-101格式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、方便靈活、成本低，并且CAN總線連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的多主控制器的局域網(wǎng)克服了RS485/422網(wǎng)絡(luò)上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)而無法構(gòu)成多冗余系統(tǒng)的缺陷，具有很高的性價(jià)比。

雖然CAN協(xié)議本身具有較強(qiáng)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)能力，但在工業(yè)控制現(xiàn)場，插頭連接不牢固、傳輸介質(zhì)損壞或總線驅(qū)動(dòng)器損壞等都會(huì)破壞CAN的可靠通信。解決這一問題的有效途徑是采用冗余通信控制，采用雙CAN現(xiàn)場總線在內(nèi)部定期對(duì)備用CAN進(jìn)行備用檢測，從而保證通信系統(tǒng)正常運(yùn)行，提高了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的冗余度。

站控層采用雙10/100Mb/s屏蔽雙絞線（或光纖）以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)（能保證變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性），由雙服務(wù)器組成，站控層工作站為值班人員提供全所系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理功能，界面友好，易操作。通過組件技術(shù)，軟件功能實(shí)現(xiàn)“即插即用”，較好地滿足了電氣監(jiān)控系統(tǒng)的需要，軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，開放性較好。

3CAN總線通信系統(tǒng)配置

3.1硬件組成
系統(tǒng)使用2套總線（CAN0、CAN1），每套包含獨(dú)立的總線電纜、總線驅(qū)動(dòng)器和總線控制器，可以實(shí)現(xiàn)物理介質(zhì)、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的全面冗余。符合這一要求的微處理器可以選擇Fujitsu公司推出的帶雙CAN控制器的16位微控制器MB90F543。

系統(tǒng)中2套總線采用熱備份方式運(yùn)行：一個(gè)CAN控制器作為系統(tǒng)上電后默認(rèn)的CAN（可稱為主CAN）；另一個(gè)為系統(tǒng)的備用CAN（稱之為從CAN），作為主CAN的冗余。系統(tǒng)正常工作時(shí)，主CAN總線（CAN0）投入運(yùn)行。當(dāng)主CAN總線發(fā)生故障時(shí)，從CAN總線（CAN1）投入運(yùn)行。

如上電檢測到主CAN總線故障，則從CAN總線自動(dòng)投入運(yùn)行。這樣在一套總線發(fā)生故障時(shí)，另一套總線自動(dòng)繼續(xù)工作，保證整個(gè)系統(tǒng)的通信功能正常運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了CAN總線的全面冗余設(shè)計(jì)。另外，也可以根據(jù)需要，由軟件設(shè)定采取冗余方式或非冗余方式，對(duì)于非冗余方式只采用主CAN總線運(yùn)行。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案如圖2所示，其中RT為總線終端匹配電阻，用于抑制信號(hào)發(fā)射干擾，RT=100Ω或120Ω。網(wǎng)絡(luò)采用屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在雙CAN冗余系統(tǒng)中，較之硬件結(jié)構(gòu)而言，軟件設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。一般的CAN總線通信程序必須包括CAN初始化程序、CAN發(fā)送程序和CAN接收程序3個(gè)基本部分。在本冗余系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，上面3部分作為3個(gè)最基本的模塊，供系統(tǒng)其他軟件模塊調(diào)用。

由于系統(tǒng)采用雙CAN冗余熱備份方式運(yùn)行，所以2個(gè)CAN控制器必須都處于熱備份狀態(tài)。系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的2個(gè)CAN控制器經(jīng)初始化后都隨時(shí)準(zhǔn)備接收信息，但有且只有一個(gè)CAN控制器在發(fā)送信息。換言之，在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，系統(tǒng)中有且僅有一路CAN通道在工作，另一路處于監(jiān)聽狀態(tài)（正常工作時(shí)）或故障狀態(tài)（發(fā)生故障時(shí)）。

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，除了用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信程序外，還包括用于對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理的通信管理程序?？偩€管理功能程序供通信節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間調(diào)用，以此判斷所有的節(jié)點(diǎn)是否都在線：如果所有節(jié)點(diǎn)都在線，則認(rèn)為總線正常；否則識(shí)別離線節(jié)點(diǎn)，并作相應(yīng)處理。若總線通信節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，由其他節(jié)點(diǎn)接管其工作，繼續(xù)實(shí)施總線管理。通信程序流程如圖3所示。

4結(jié)束語

CAN總線以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想、優(yōu)良的性能和極高的可靠性，越來越受到人們的重視。CAN只采用了ISO/OSI參考模型的1層和2層，對(duì)應(yīng)用層需由用戶自行定義。由于協(xié)議相對(duì)簡單，所以CAN最突出的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉物美，具有較高的抗干擾能力。其多主機(jī)工作方式，使分布于不同地點(diǎn)的各個(gè)監(jiān)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換變得更為靈活和直接。因此，CAN總線特別適合于工業(yè)過程控制中實(shí)現(xiàn)各控制設(shè)備之間的互連，在城市軌道交通電力監(jiān)控領(lǐng)域中的應(yīng)用也將日益廣泛。