基于CAN總線的牽引變電站綜合自動化系統

1　引　言

變電站綜合自動化技術的研究和應用，首先是在電力系統中，隨著電氣化鐵路的發展，對牽引變電站綜合自動化也提出了迫切的需求，逐步得到應用并發展成為必然趨勢。牽引變電站綜合自動化系統是在計算機技術和網絡通信技術基礎上發展起來的，不僅越來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。隨著現場總線的發展，目前分散式牽引變電站綜合自動化系統，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據傳輸的要求。

現場總線即是一個開放的通信網絡，又是一種全分布控制系統。他是智能設備的聯系紐帶，把掛接在總線上、作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及控管一體化的綜合自動化系統。應用網絡方式，特別是現場總線技術來解決牽引變電站綜合自動化系統的通信問題已成為發展的趨勢。現場總線有很多標準如FF(基金會總線)，Profibus，ISP，FIP，LonWorks，CAN等，至今還沒有統一的標準來定義現場總線整個體系結構，但從這些總線的產品和特性來看，CAN總線在許多方面有著明顯的優勢，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中。

2　CAN總線特點

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

(1)BITBUS和RS485網絡上只能有一個主節點，無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，從節點只有在收到主節點的命令后才能響應，一些重要的變位信息得不到及時上送，致使系統靈活性差、實時性差。

(3)BITBUS和RS485網的糾錯能力差。　　

20世紀80年代中后期出現的CAN總線是一個造價低廉而又適用于電力系統監控的控制網。將CAN用于變電站監控系統，有著BITBUS和RS485無法比擬的特性，能夠從根本上改變變電站監控系統的性能，如：

(1)網上任一節點可在任一時刻向其他節點發信，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協議，可把優先級別分組，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，當2個節點同時向網上發信時，優先級低的報文主動停發送，而不會導致網絡癱瘓。

(4)CAN采用短幀結構，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網絡糾錯能力差的情況。

3　CAN現場總線用于牽引變電站綜合自動化系統　
　
牽引變電所安全監控及綜合自動化系統的結構如圖1所示，他由饋線保護測控單元、當地監控單元、現場總線、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現場總線為光纖網，是實現綜合自動化系統功能的核心；通信單元在以太網和CAN網之間實現規約轉換，同時為全所提供時間基準(GPS)。

CAN現場總線完善的網絡功能，簡單可靠的硬件，使其在面向對象的變電站綜合自動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網絡上的一個節點或子站。采用的CAN現場總線網絡，具有良好的開放性、互操作性和7層完整的網絡通信協議，提供RS232通信接口。

從結構層次上看，整個變電站設備可以分為3個層次，即處理層、間隔層和變電站層。圖1中的CAN 現場總線結構，主要是實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以內)；而RS422/485總線為主從結構，主節點繁忙時，可能嚴重影響系統的性能，并且其上各I/O單元之間的橫向通信仍需經過站級計算機進行，不太適合分層分布式的變電站綜合自動化系統。

變電站間隔層通信信息量有限，以太網的優勢在這一層次表現不充分。按照CAN網絡的指標，采用雙絞線介質或光纖介質，通信速率可以達到1Mb/s。CAN使用帶預測的CSMA/CD算法，非常適于總線型網絡，網上各節點平等，均可直接通信；節點數可任意改變，任何節點的移動、投退，在物理上都不會影響網上其他節點的通信。考慮到牽引變電站的強電磁干擾環境，為了保證數據傳輸可靠性，宜用光纖作為傳輸介質。

4　結　語

本文提出了一種基于現場總線的牽引變電站綜合自動化系統的方案，基于CAN網絡設計，各保護測控單元作為其節點或子站。樣機試驗表明，利用CAN網絡能對牽引變電站各設備進行準確、高效的檢測與監控。實驗證明，該方法對于實現牽引變電站綜合自動化具有較好的推廣價值。