基于CAN總線的牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)

1　引　言

變電站綜合自動化技術(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，對牽引變電站綜合自動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。牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)是在計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不僅越來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)場總線的發(fā)展，目前分散式牽引變電站綜合自動化系統(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，所以無法滿足大量實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?

現(xiàn)場總線即是一個開放的通信網(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)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化系統(tǒng)。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)方式，特別是現(xiàn)場總線技術(shù)來解決牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信問題已成為發(fā)展的趨勢。現(xiàn)場總線有很多標準如FF(基金會總線)，Profibus，ISP，F(xiàn)IP，LonWorks，CAN等，至今還沒有統(tǒng)一的標準來定義現(xiàn)場總線整個體系結(jié)構(gòu)，但從這些總線的產(chǎn)品和特性來看，CAN總線在許多方面有著明顯的優(yōu)勢，許多文獻都對該標準有研究。本文討論CAN總線用于鐵路牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)中。

2　CAN總線特點

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

(1)BITBUS和RS485網(wǎng)絡(luò)上只能有一個主節(jié)點，無法構(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)點只有在收到主節(jié)點的命令后才能響應(yīng)，一些重要的變位信息得不到及時上送，致使系統(tǒng)靈活性差、實時性差。

(3)BITBUS和RS485網(wǎng)的糾錯能力差?！　?BR>
20世紀80年代中后期出現(xiàn)的CAN總線是一個造價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)點可在任一時刻向其他節(jié)點發(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)先級別分組，這樣滿足了不同的實時性要求。

(3)CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當2個節(jié)點同時向網(wǎng)上發(fā)信時，優(yōu)先級低的報文主動停發(fā)送，而不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

(4)CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，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(xiàn)場總線用于牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)　
　
牽引變電所安全監(jiān)控及綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，他由饋線保護測控單元、當?shù)乇O(jiān)控單元、現(xiàn)場總線、視頻監(jiān)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(xiàn)場總線為光纖網(wǎng)，是實現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)功能的核心；通信單元在以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)之間實現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換，同時為全所提供時間基準(GPS)。

CAN現(xiàn)場總線完善的網(wǎng)絡(luò)功能，簡單可靠的硬件，使其在面向?qū)ο蟮淖冸娬揪C合自動化系統(tǒng)中顯示了廣闊的前景，面向?qū)ο蟮谋Ｗo控制綜合單元均可以被視為CAN網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點或子站。采用的CAN現(xiàn)場總線網(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，整個變電站設(shè)備可以分為3個層次，即處理層、間隔層和變電站層。圖1中的CAN 現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，主要是實現(xiàn)間隔單元級通信功能。傳統(tǒng)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以內(nèi))；而RS422/485總線為主從結(jié)構(gòu)，主節(jié)點繁忙時，可能嚴重影響系統(tǒng)的性能，并且其上各I/O單元之間的橫向通信仍需經(jīng)過站級計算機進行，不太適合分層分布式的變電站綜合自動化系統(tǒng)。

變電站間隔層通信信息量有限，以太網(wǎng)的優(yōu)勢在這一層次表現(xiàn)不充分。按照CAN網(wǎng)絡(luò)的指標，采用雙絞線介質(zhì)或光纖介質(zhì)，通信速率可以達到1Mb/s。CAN使用帶預(yù)測的CSMA/CD算法，非常適于總線型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上各節(jié)點平等，均可直接通信；節(jié)點數(shù)可任意改變，任何節(jié)點的移動、投退，在物理上都不會影響網(wǎng)上其他節(jié)點的通信?？紤]到牽引變電站的強電磁干擾環(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

本文提出了一種基于現(xiàn)場總線的牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)的方案，基于CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，各保護測控單元作為其節(jié)點或子站。樣機試驗表明，利用CAN網(wǎng)絡(luò)能對牽引變電站各設(shè)備進行準確、高效的檢測與監(jiān)控。實驗證明，該方法對于實現(xiàn)牽引變電站綜合自動化具有較好的推廣價值。