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基于CAN总线的牵引变电站综合自动化系统

作者：

西南交通大学电气工程学院潘合玉　来源于：

现代电子技术　发布时间：

2007-5-3110:

15:

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（15m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。

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电力网>技术>电力技术>输电变电>专业论文>正文适用于变电站的CAN现场总线通信适配卡的设计

2008-1-921:

56:

核心提示：

1前言随着变电站自动化程度的不断提高，自动化系统变得庞大和复杂。

在一个变电站自动化系统中往往包括微机监控、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统，而且在各个子系统中，又有多个智能模块。

因此，在变电站自动化系统中必须进行数据通信，实现各个系统内部和1前言

　　随着变电站自动化程度的不断提高，自动化系统变得庞大和复杂。

在一个变电站自动化系统中往往包括微机监控、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统，而且在各个子系统中，又有多个智能模块。

因此，在变电站自动化系统中必须进行数据通信，实现各个系统内部和各子系统之间的信息交换和共享，以提高系统的整体安全性和可靠性［1］。

现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来并应用于生产现场的、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统［2］。

现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表中，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种实际需要的自动控制系统［3］。

　　根据采用的协议的不同，现场总线技术可分为很多种，常用的有：

FF总线，Lonworks总线，PROFIBUS总线，HART总线，CAN总线。

由于CAN总线采用了许多新技术及独特设计，使得其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

目前，在变电站综合自动化系统中CAN总线已有少量应用，其中的通信适配卡多为非智能型的，即在卡上未采用微处理器。

本文所介绍的适配卡采用89C52作为微控制器，将大大减少PC主机的通信负担。

且在设计中使用最新的EPLD器件作为双口RAM的逻辑控制和中断信号控制，使得电路比较简单，而且具有很好的可扩展性。

2CAN现场总线的技术特点及通讯适配卡的功能

　　CAN现场总线的技术特点：

（1）CAN总线是到目前为止唯一有国际标准的现场总线；

（2）CAN为多主工作方式，网络上的任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其它节点发送信息，而不分主从；在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134μs内得到传输；

　　（3）CAN采用非破坏总线仲裁技术；

　　（4）CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据；

　　（5）CAN的直接通信距离可远达10km（输率5kbs以下），通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）；

　　（6）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文采用短帧的结构，传输时间短，受干扰率低，保证了数据出错率极低；

　　（7）CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，具有极好的检错效果；

　　（8）CAN的通信介质可为双绞线，同轴电缆或光缆，选择灵活；CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；CAN总线具有较高的性能价格比。

　　在变电站现场采集到的很多数据通过两根电缆（一般采用双绞线）传到上位机（一台PC微机）上，PC机与CAN总线有两种连接方式［4］：

一种是通过转换器与微机的串口相连；一种是在PC的扩展槽里插一块适配卡，该卡上具有CAN接口和PC扩展接口，对于交换的数据较多时，一般采用这种方式。

CAN适配卡的作用主要有两个：

（1）数据的转发，适配卡把总线上各个节点的信息转发给PC机，并将PC机的命令和数据转发给各个节点；

（2）用于完成CAN总线上用户的部分监控和管理任务。

3CAN通讯适配卡的结构

　　这里研制的CAN适配卡由ISA接口、双口RAM、微控制器89C52、CAN通信控制器SJA1000、CAN收发器82C250、数据缓存器、地址译码与控制逻辑和中断信号控制逻辑等部分组成。

其硬件结构框图如图1所示。

3.1双口RAM及控制电路

　　PC机与CAN控制器之间要进行数据的传送，必须在PC机和适配卡上的微处理器之间建立双向的数据通道［5］。

这里采用共用外部数据存储器的方法。

集成双口RAM是一种性能优良的快速通信器件，适用于多CPU分布式系统及高速数字系统中，它有两路完全独立的端口，每个端口都有完整的地址和数据控制线，这里采用IDT7006双口RAM。

对于双口RAM的应用，一个很重要的问题就是必须避免两个端口的争用，两边同时读/写同一地址单元。

但只要遵循一定的通信规则，使用合理的控制逻辑电路是可以避免争用现象的。

这里采用可编程逻辑器件EPM7128S来实现。

EPN171285是一种典型的EPLD器件，采用了先进的CMOSEEPROM技术，内含2500个逻辑门和128个宏单元，可以在PCB板上直接对芯片进行编程。

在该适配卡中，EPM7128S主要完成数据总线的驱动、中断信号处理以及共享存储器和数据缓冲器的地址译码。

　　适配卡上的双口RAM使用内存映像的方式直接映射到主机内存空间，实现适配卡与主机的数据交换［6］。

内存映象法是将适配卡的数据存储地址配置于PC机的主存储器的高端，PC机可以采用写主存储器的方式将数据直接写在适配卡的数据存储器中，PC机不访问适配卡的微控制器时就可以读写数据存储器的数据。

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适用于变电站的CAN现场总线通信适配卡的设计

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本篇文章来源于中国电力信息网|Power.NengYuan.Net原文链接：

摘　要：

基于以太网为代表的局域网技术和以TCP/IP协议为代表的互联网技术是当今世界的两大主流网络技术，也必将成为变电站自动化系统网络通信的必然发展趋势。

本文探讨工业以太网在变电站综合自动化系统的应用。

关键词：

变电站；现场总线；工业以太网；自动化系统

1　引言

变电站是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。

近年来，随着我国经济高速发展电压等级和电网复杂程度大大的提高。

为了提高供电质量，保证电力系统安全、可靠、经济运行变电站综合自动化系统在全国雨后春笋般发展起来。

变电站自动化系统是由多台微机组成的分层分布式控制系统，包括微机监控、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统。

在各个子系统中往往又由多个智能模块组成。

例如：

在微机保护子系统中，有变压器保护、电容器保护、各种线路保护等。

因此在变电站自动化系统内部，必须通过内部数据通信，实现各子系统内部和各子系统之间的信息交换和信息共享，以减少变电站二次设备的重复配置并简化各子系统的互连，这样既减少了重复投资，又提高了系统整体的安全性和可靠性。

2　变电站综合自动化系统对通信网络的要求

经济、可靠的数据通信是变电站综合自动化系统的技术核心，变电站的特殊环境使得变电站自动化系统内的数据通信网络应满足以下要求：

（1）快速的实时响应能力；

（2）高可靠性；（3优良的抗干扰能力；（4）分层式结构。

在电力工业标准中对系统的数据传输都有严格的实时性指标，网络必须保证数据通信的实时性。

1997年8月国际大电网会议上，WG34•03工作组提出了对变电站内通信网络传输时间的要求设备层和间隔层之间、间隔层内各设备之间、间隔层各间隔单元之间为1～100ms，间隔层和变电站层之间为10～1000ms，变电站层各设备之间、变电站和控制中心之间为1000ms。

变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在雷电、电源、跳闸等强电磁干扰和地电位差干扰通信环境恶劣，数据通信网络必须采取相应的措施消除这些干扰的影响，提高通信的可靠性。

3　变电站综合自动化系统通信网络的选择

变电站综合自动化系统的通信功能，由系统与调度中心的通信及系统内部设备间的通信两部分组成。

变电站综合自动化系统网络通信过程原理见图1。

系统与调度中心的通信网络无可争议地选用以太网；系统内部通信网络的选择，受性能、价格、硬件、软件、用户策略等诸多因素的影响目前在选择“接口网络”上很难达成一致。

但是系统内部通信网络的选择应遵循以下原则：

（1）通讯网络的可靠性是第一位的；

（2）通信网络应满足组网灵活，可扩展性好维修调试方便的要求；

（3）应尽量采用国际标准的通信接口，并能兼容目前各种标准的通信接口，系统升级方便；

（4）通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约；

（5）应根据变电站的规模和在系统中所处的地位灵活选择。

系统内部通信网络目前通常采用现场总线或工业以太网。

4　现场总线在变电站综合自动化系统中的应用

在小规模的35kV变电站和110kV终端变电站，以及老站改造中可考虑使用RS422和RS485组成的网络。

RS422和RS485网络的不足在于接点数目比较少，无法实现多主冗余，有瓶颈问题。

RS422的工作方式为点对点，上位机一个通信口最多只能接10个节点，RS485串口构成一主多从，只能接32个节点，此外有信号反射、中间节点问题。

当变电站规模较大时，站内节点数较多，一般在40个以上，多主冗余要求和节点数量增加使RS422和RS485难以胜任，应考虑选择现场总线网络。

现场总线网将所有节点连接在一起，可以方便地增减节点，一般可连接110个节点；具有点对点、一点对多点和全网广播传送数据的功能；常用的有LonWorks网和CAN网，两个网络均为中速网络，500m时LonWorks网传输速率可达1Mb/s，

CAN网在小于40m时达1Mb/s。

CAN网是一种多主总线，采用串行数据通信协议，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。

CAN网的媒介访问方式为问答式，在节点出错时可自动切除与总线的联系。

LonWorks网上的所有节点是平等的，媒介访问方式为载波监听多路访问/冲撞检测（CSMA/CD）方式，内部通信遵循LonTalk协议，对重要信息有优先级。

LonWorks网在监测网络节点异常时可使该节点自动脱网；

LonWorks网是无源网络，通过脉冲变压器隔离，具有很强抗电磁干扰能力。

目前，CAN网一般用于小规模的35kV变电站和110kV终端变电站，而LonWorks网可作为一般中型110kV枢纽变电站自动化通信网络。

现场总线网络与早期的异步串行网络相比具有抗干扰性强、效率高等优点，现场总线网络的出现极大地推动了我国变电站自动化的发展，但也存在着自身无法克服的弊端。

（1）由于带宽有限，而且采用带宽共享机制，有限的带宽使大资料的数据传输延迟，总体性能随节点数的增长迅速下降，不能满足大型变电站综合自动化系统通信网络的要求；

（2）由于强调专用性而牺牲了通用性，长期缺乏统一的国际标准，许多网络设备和软件需专门设计，产品更新换代困难，不能满足变电站综合自动化系统标准化的要求；

（3）总线型拓扑结构在网络的任一点故障时均可能导致整个系统崩溃，且难以诊断故障点。

5　工业以太网在变电站综合自动化系统的应用

工业以太网采用统一的TCP/IP协议，避免了不同协议间不能通讯的困扰，可以直接和局域网的计算机互连而不需额外的硬件设备，它方便数据在局域网的共享；可以用IE浏览器访问终端数据，而不要专门的软件；可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，并且特别适合远程控制，配合电话交换网和GSM、GPRS无线电话网实现远程数据采集；采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。

工业以太网采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此通信确定性和实时性大大提高；工业以太网针对恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等），解决了在极端条件下网络不能稳定工作的问题，稳定性与可靠性大大提高；工业以太网采用CSMA/CD介质访问方式，物理层和链路层遵循IEEE802•3协议，应用层采用TCP/IP协议，传输速率可以达到10Mb/s，而快速以太网传输速率可以达到100Mb/s，可容纳1024个节点，距离可达2•5km。

工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外逐步得到了迅速的普及。

变电站自动化系统选用工业以太网代表了变电站自动化网络技术发展的最新方向。

大型枢纽变电站，特别是220kV以上电压等级变电站节点数目多，站内分布成百上千个CPU，数据信息流大，对速率指标要求高（要求速率130kb/s），LonWorks网络的实时性、宽带和时间同步指标已力不从心，而工业以太网却能很好满足上述要求。

因此，工业以太网可以作为大型枢纽变电站内部的数据通信网络。

工业以太网应用于变电站内部的通信网络一般有2种应用模式：

（1）每个智能电子设备IEDs都配置一嵌入式以太网接口，将该设备作为一个以太网节点直接连到以太网上，如图2所示。

（2）几个不具备以太网接口的IEDS通过RS232/485或现场总线等方式连在一起，然后通过一具有嵌入式以太网接口的通信控制器，将其作为一个以太网节点连到以太网上，如图2所示。

这两种应用模式都必须设计嵌入式以太网接口，本质上没有多大差别。

但从变电站自动化系统的电压等级、配置以及成本考虑，它们的适用范围是有所不同的。

从可靠性考虑，作为站内数据流的枢纽，变电站内通信系统最好是双以太网冗余配置。

这样，即使一个网出现故障也不会影响整个变电站自动化系统的安全稳定运行。

然而目前嵌入式以太网每个节点的成本还较高，对中低压变电站自动化系统而言，若采用应用模式1则设计成冗余的双以太网结构成本过高；若采用应用模式2，可以减少网络节点数，降低成本。

目前，变电站中有很多IEDs（比如完成电度量计量和直流监视等功能的IEDs）的对外通信接口只有RS485或现场总线接口，没有嵌入式以太网接口，因此就无法直接连接到以太网上。

在这上，水利部建设与管理司印发了《2006年水利建设与管理工作要点》。

在该工作要点中提到了2006年水利建设与管理工作，要加强基础工作和能力建设，基本完成……水利建设项目代建制建设同体问题等基础理论研究工作。

”这表明，政府认同了以政府委托代建的模式是符合我国水利工程建设项目管理基本国情的。

结合水利工程建设自身的特点及水利工程实施代建制基础和条件的分析，尽管“代建制”尚处于初级阶段，但有理由相信，随着我国经济体制改革继续深入、政治体制改革不断取得成效，随着工程信用体系和评价体系逐步建立和完善，工程项目管理和工程总承包将日益成为我国工程管理的主要模式。

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