CAN总线在变电所综合自动化中的设计及应用

0 前言

    城市轻轨与地铁供电系统是一个特殊的系统，其安全性、可靠性要求高，为了实现系统的安全可靠运行，必须实现电力系统的调度、运营和管理的自动化。变电所综合自动化是电力系统自动化基本组成，也是实现电力监控系统功能的前提。

    在电力监控系统中，现场总线是变电所综合自动化的流通动脉，是变电所综合自动化三大构成部分设备管理层、所内通信层和间隔设备层中的一个主要构成部分即所内通信层。通过总线通信，从现场采集的大量信息和数据被快速、准确、实时地上传到监控中心，同时由监控中心下达的控制命令也被准确无误地发送到控制单元，及时采取措施避免事故发生。

    目前，在既有地铁运营系统中，间隔层供电设备的微机保护测控与其他微机型的自控装置间的通信大多通过RS422/RS485 通信接口相联接，实现监控系统与微机保护和自动装置间相互交换数据和状态信息。采用RS422/RS485 通信接口虽然可实现多个节点（设备）间的互连，但连接的节点数一般不超过32 个，在变电所规模稍大时，满足不了综合自动化系统的要求；其次，采用RS422/RS485 通信接口，其通信方式多为查询方式，即由主计算机提问，保护单元或自控装置应答，通信效率低，难以满足较高的实时性要求；再者，使用RS422/RS485 通信接口，整个通信网上只能有一个主节点进行通信管理和控制，其余皆为从节点，这样主节点便成为系统的瓶颈，一旦出现故障，整个系统的通信便无法进行。而20 世纪80 年代中期发展起来的现场总线有效地解决了以上问题。

    CAN（Controller Area Network）总线以其通信速率高、可靠性高、连接方便和性价比优等特点成为现场总线的推荐标准之一，在城市轻轨与地铁电力监控系统（SCADA）中有着广阔的应用前景。

1 CAN技术的特点

    变电所综合自动化区别于常规所最明显的标志之一就是通信功能，变电所内间隔层之间信息可充分共享，并通过通信接口与外界信息系统交换信息，同时节省大量电缆，构成一个快速、稳定、可靠的通信网络是变电站自动化系统的基本要求，也是电力系统运行管理功能的基本前提。

    CAN 总线是一种有效支持分布控制和实时控制的串行通信网络，是一种通信速率可达1 Mb/s的多主总线，具有优先抢占方式进行总线仲裁的作用机理，错误帧可自动重发，永久故障可自动隔离，不影响整个网络正常工作，可靠性高，而且协议简单，开放性强，组网灵活，成本较低，能为电力自动化提供开放性、全分布及可互操作性的通信平台。CAN 总线具有以下主要特点：

（1）良好的实时性。CAN 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性。

（2）良好的传输防错能力。CAN 采用短帧结构，数据最多8 个字节，数据传输时间短，受干扰几率低，且每帧信息都具有CRC 校验及其他检错措施。

（3）全数字化的双向传输。用以取代传统的4～20 mA 信号，CAN 的直接通信距离最远可达10 km（速度在5 kb/s 以下）；最高通信速率可达1 Mb/s（距离在40 m以下）。

    因此CAN 现场总线网络具有多主、实时、高可靠性、低成本等优点，特别适用于在条件十分恶劣的工业现场进行实时数据传输。

2 变电所综合自动化系统的构成

    地铁车站牵引降压混合变电所综合自动化系统的设备组成示意图如图1 所示。

 

    该系统间隔层主要由保护单元和测控单元组成，每个测控单元监控多路馈进馈出，采用先进现场总线CAN，现场通信采用屏蔽双绞线，总线速率达 1 Mb/s，通信规约支持IEC-60870-5-101 格式，网络结构简单、方便灵活、成本低，并且CAN 总线连接各个节点形成的多主控制器的局域网克服了RS485/422 网络上只能有一个主节点而无法构成多冗余系统的缺陷，具有很高的性价比。

    虽然CAN 协议本身具有较强的检错、纠错能力，但在工业控制现场，插头连接不牢固、传输介质损坏或总线驱动器损坏等都会破坏CAN 的可靠通信。解决这一问题的有效途径是采用冗余通信控制，采用双CAN 现场总线在内部定期对备用CAN进行备用检测，从而保证通信系统正常运行，提高了内部网络的冗余度。

    站控层采用双10/100 Mb/s 屏蔽双绞线（或光纤）以太网结构（能保证变电站自动化系统内部通信网络传输的实时性），由双服务器组成，站控层工作站为值班人员提供全所系统的监视、控制和管理功能，界面友好，易操作。通过组件技术，软件功能实现“即插即用”，较好地满足了电气监控系统的需要，软件系统采用模块化结构，开放性较好。

3 CAN总线通信系统配置

3.1 硬件组成

    系统使用2 套总线（CAN0、CAN1），每套包含独立的总线电缆、总线驱动器和总线控制器，可以实现物理介质、物理层、数据链路层及应用层的全面冗余。符合这一要求的微处理器可以选择Fujitsu 公司推出的带双CAN控制器的16 位微控制器MB90F543。

    系统中2 套总线采用热备份方式运行：一个CAN 控制器作为系统上电后默认的CAN（可称为主CAN）；另一个为系统的备用CAN（称之为从 CAN），作为主CAN 的冗余。系统正常工作时，主CAN 总线（CAN0）投入运行。当主CAN 总线发生故障时，从CAN 总线（CAN1）投入运行。

    如上电检测到主CAN 总线故障，则从CAN 总线自动投入运行。这样在一套总线发生故障时，另一套总线自动继续工作，保证整个系统的通信功能正常运行，大大提高了系统的可靠性，实现了CAN总线的全面冗余设计。另外，也可以根据需要，由软件设定采取冗余方式或非冗余方式，对于非冗余方式只采用主 CAN 总线运行。本系统的结构方案如图2 所示，其中RT 为总线终端匹配电阻，用于抑制信号发射干扰，RT =100Ω或120Ω。网络采用屏蔽双绞线作为通信介质。

 

3.2 系统软件设计

    在双CAN 冗余系统中，较之硬件结构而言，软件设计相对复杂。一般的CAN 总线通信程序必须包括CAN 初始化程序、CAN 发送程序和CAN接收程序3 个基本部分。在本冗余系统软件设计中，上面3 部分作为3 个最基本的模块，供系统其他软件模块调用。

    由于系统采用双CAN 冗余热备份方式运行，所以2 个CAN 控制器必须都处于热备份状态。系统中所有节点的2 个CAN 控制器经初始化后都随时准备接收信息，但有且只有一个CAN 控制器在发送信息。换言之，在一个时间点上，系统中有且仅有一路CAN 通道在工作，另一路处于监听状态（正常工作时）或故障状态（发生故障时）。

    在本系统的软件设计中，除了用于数据发送和接收的实时数据通信程序外，还包括用于对各个节点进行管理的通信管理程序。总线管理功能程序供通信节点每隔一段时间调用，以此判断所有的节点是否都在线：如果所有节点都在线，则认为总线正常；否则识别离线节点，并作相应处理。若总线通信节点发生故障，由其他节点接管其工作，继续实施总线管理。通信程序流程如图3 所示。

 

4 结束语

    CAN总线以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性，越来越受到人们的重视。CAN只采用了ISO/OSI参考模型的1层和2层，对应用层需由用户自行定义。由于协议相对简单，所以CAN最突出的优点是价廉物美，具有较高的抗干扰能力。其多主机工作方式，使分布于不同地点的各个监控设备之间的数据交换变得更为灵活和直接。因此，CAN总线特别适合于工业过程控制中实现各控制设备之间的互连，在城市轨道交通电力监控领域中的应用也将日益广泛。