基于CAN总线的牵引变电站综合自动化系统

1　引　言

变电站综合自动化技术的研究和应用，首先是在电力系统中，随着电气化铁路的发展，对牵引变电站综合自动化也提出了迫切的需求，逐步得到应用并发展成为必然趋势。牵引变电站综合自动化系统是在计算机技术和网络通信技术基础上发展起来的，不仅越来越普遍地采用智能设备(IED)，而且其控制模式也逐渐从传统的集中式向全分散式转变。随着现场总线的发展，目前分散式牵引变电站综合自动化系统，其各部件之间已有的串行通信方式(RS232，RS422，RS485总线等)，由于传输速度慢，易受干扰，通信距离受限制且通信方式不灵活，所以无法满足大量实时数据传输的要求。

现场总线即是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。他是智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化系统。应用网络方式，特别是现场总线技术来解决牵引变电站综合自动化系统的通信问题已成为发展的趋势。现场总线有很多标准如FF(基金会总线)，Profibus，ISP，FIP，LonWorks，CAN等，至今还没有统一的标准来定义现场总线整个体系结构，但从这些总线的产品和特性来看，CAN总线在许多方面有着明显的优势，许多文献都对该标准有研究。本文讨论CAN总线用于铁路牵引变电站综合自动化系统中。

2　CAN总线特点

在以往的变电站监控系统中，使用过BITBUS网和RS485网，但他们存在以下缺陷：

(1)BITBUS和RS485网络上只能有一个主节点，无法构成多主冗余系统，导致系统可靠性较差。

(2)数据通信方式是命令式，从节点只有在收到主节点的命令后才能响应，一些重要的变位信息得不到及时上送，致使系统灵活性差、实时性差。

(3)BITBUS和RS485网的纠错能力差。　　

20世纪80年代中后期出现的CAN总线是一个造价低廉而又适用于电力系统监控的控制网。将CAN用于变电站监控系统，有着BITBUS和RS485无法比拟的特性，能够从根本上改变变电站监控系统的性能，如：

(1)网上任一节点可在任一时刻向其他节点发信，而不分主从，这样可构成真正的多主系统。

(2)在CAN应用层使用DeviceNet协议，可把优先级别分组，这样满足了不同的实时性要求。

(3)CAN采用非破坏性仲裁技术，当2个节点同时向网上发信时，优先级低的报文主动停发送，而不会导致网络瘫痪。

(4)CAN采用短帧结构，传输时间短，受干扰少。
　　
(5)CAN的CRC校验及其他校验措施，大大改善了BITBUS和RS485网络纠错能力差的情况。

3　CAN现场总线用于牵引变电站综合自动化系统　
　
牵引变电所安全监控及综合自动化系统的结构如图1所示，他由馈线保护测控单元、当地监控单元、现场总线、视频监控单元和通信单元等组成。

各保护测控单元完成变电所的继电保护、测量、控制功能，CAN现场总线为光纤网，是实现综合自动化系统功能的核心；通信单元在以太网和CAN网之间实现规约转换，同时为全所提供时间基准(GPS)。

CAN现场总线完善的网络功能，简单可靠的硬件，使其在面向对象的变电站综合自动化系统中显示了广阔的前景，面向对象的保护控制综合单元均可以被视为CAN网络上的一个节点或子站。采用的CAN现场总线网络，具有良好的开放性、互操作性和7层完整的网络通信协议，提供RS232通信接口。

从结构层次上看，整个变电站设备可以分为3个层次，即处理层、间隔层和变电站层。图1中的CAN 现场总线结构，主要是实现间隔单元级通信功能。传统的间隔级通信多采用串口通信，如RS232C或RS422/485标准，但RS232通信的有效距离很有限(15 m以内)；而RS422/485总线为主从结构，主节点繁忙时，可能严重影响系统的性能，并且其上各I/O单元之间的横向通信仍需经过站级计算机进行，不太适合分层分布式的变电站综合自动化系统。

变电站间隔层通信信息量有限，以太网的优势在这一层次表现不充分。按照CAN网络的指标，采用双绞线介质或光纤介质，通信速率可以达到1Mb/s。CAN使用带预测的CSMA/CD算法，非常适于总线型网络，网上各节点平等，均可直接通信；节点数可任意改变，任何节点的移动、投退，在物理上都不会影响网上其他节点的通信。考虑到牵引变电站的强电磁干扰环境，为了保证数据传输可靠性，宜用光纤作为传输介质。

4　结　语

本文提出了一种基于现场总线的牵引变电站综合自动化系统的方案，基于CAN网络设计，各保护测控单元作为其节点或子站。样机试验表明，利用CAN网络能对牵引变电站各设备进行准确、高效的检测与监控。实验证明，该方法对于实现牵引变电站综合自动化具有较好的推广价值。