CAN总线在分布式变电所自动化系统中的应用
日期：2008-11-9 23:03:43 来源：中国自动化网
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摘 要：对一个把CAN总线应用到分布式变电所自动化系统的例子进行了分析，对于分布式变电所自动化系统来说，通信网络的效率、安全性和实时性具有重要意义，在实际工作中，通过在现行测量、控制和保护单元外增加一个RS232和CAN总线之间的转换器，构成变电所自动化系统的现场总线网络，试运行情况表明：该方案完全能满足系统的要求。
关键词：变电所自动化系统；CAN总线；RS232到CAN接口转换；安全
Application ofCANBusfor the Automatic System ofDistributed Substation
Abstract：A case ofapplication of CAN bus on the distributed automatic system ofsubstation is illustrated．To meet the need ofautomatic controlsystem ofsubstation，a network is necessity because ofthe distributed control units ofthe substation．To shortenthe developed period of the system，an interface bridge between the RS232 and CAN bus is made．The result oftest run shows thatthe requirements ofsystem can be satisfied by the project．
Keywords：comprehensive automatic system for substation；CAN bus；interface bridge between RS232 and CAN；security
1 引 言
随着微机和电子技术的飞速发展，越来越多的智能装置在变电所中得到应用，极大地提高了变电所测量和控制系统的自动化水平。变电所强电磁干扰的工作场所，对自动化设备尤其是对其中涉及到的通信网络的抗干扰能力提出了很高的要求。根据变电所中开关设备和互感器的安装方式、环境以及对系统自动化程度的不同要求，整座变电所的测量控制系统一般采用集中与分散结合的方式构成，控制既可以做到集中控制(在主控制室中的集中控制台或屏上进行)，也可对各开关进行分散控制(由安装在开关设备跟前的控制箱完成)。
变电所自动化系统主要由各种开关的智能控制单元、电气参数测量单元和继电保护装置构成，在这些智能化设备之间存在着信息交换的需要，同时整个变电所自动化系统还要与调度中心进行信息交换。通信网络在变电所测控自动化系统中担当着及时准确地传送控制命令、及时反馈回控制结果、变电所电气参数和设备各种状态的任务，其重要性不言而喻。本文通过一个实际应用例子，讨论把CAN总线应用于分布式变电所自动化系统中方案的确定、软硬件设计中注意的相关问题。
2 变电所测控自动化系统的常用通信模式
2．1 并行通信
并行通信模式多用于各种智能化仪器与微机之间的通讯，具有数据吞吐能力强的优点，同时，系统造价、长距离通信时抗干扰能力是制约其广泛应用于变电所自动化系统的主要原因之一。这种通信方式在变电所中，主要应用在报表打印方面。
2．2 串行通信
RS232，CCITTV．24，V．11等通信标准在计算机数据传输领域内被长期而广泛地应用，较低的价格、较高抗干扰能力是他们的优点，但较低的通信速率和点对点传输方式成为制约他们广泛应用于变电所自动化系统通信网络的主要原因之一。RS232在变电所的各种测量、控制和保护装置上应用较多。
2．3 现场总线
分布式变电所自动化系统是由测量、控制和保护等智能单元构成的一个有机整体，在整个变电所中分散安装有针对以上特点，在最低层次上设计出的一种造价低廉、通信吞吐能力较强而又能有效抵御现场环境电磁干扰的通信系统。
现场总线由于在抗干扰能力、造价等方面的优点，成为自动化系统中网络构成的重要选择对象，现场总线有很多种，各有长处，根据变电所自动化系统的实际情况，在应用中选择了控制器局域网。
控制器局域网是一种支持分布式实时控制系统的通信网络，属于现场总线的一种。CAN总线是一种多主(或无主)总线，总线上各节点均处于平等地位，该总线的一个显著特点是无破坏性信息传输，最高通信速率可以达到1 Mb/s，每次发送报文长度8 B，超过8 B长度的报文必须进行分割和拼接处理。
3 CAN总线应用方案的确定、硬件设计中的注意事项
目前变电所许多测量、控制和保护装置多数带有串行通信接口，在硬件平台和应用软件方面的开发趋于成熟，采用何种通信网络，就不能不兼顾原有系统的技术现状，在对系统进行技术经济比较后，提出如图1所示的系统方案。
该方案考虑了原有的测量、控制和保护等装置，软硬件上不作改动，只是在原装置与网络之间增加一个RS232和CAN总线的转换器，考虑到变电所网络信息的吞吐量不大，该转换器以51单片机为核心，利用单片机的RS232接口与微机测量、微机控制和微机保护进行通信，在51单片机上扩展一个CAN总线接口，所需的＋5 V电源也从测量、控制和保护装置中获得(51的RS232接口芯片采用单一＋5 V电源的那种)。此外，主控台以工业控制机为核心，同时担负变电所内部通信管理任务和与远方调度中心的通信任务，在工业控制机中直接选用一块CAN总线插卡就可以了。
该方案的优点是开发周期短，无需对原有测量、控制和保护装置进行大的改动。值得注意的是，CAN总线对网络节点数是有限制的。另外，在选择通信速率时，也要考虑通信距离的限制，在实际应用中，根据系统通信流量的评估和变电所实际情况，选择通信速率为50 kb/s，对应的通信距离限制为1．3 km。
4 CAN总线应用中编程注意事项
CAN总线协议根据接口芯片不同可以有版本2．0A和2．0B两种，两者差别不大，对于应用者来说，更重要的是如何收发信息。
在变电所自动化系统中，有些信息的字节数可以比较短(如开关变位信号的传送)，在8 B内，这种报文可以一次发送完毕。而有些信息的字节数较长(如测量数据)，无法把一帧报文一次发送完毕，因此，在发送软件模块中需要进行把报文分成几段，每次发送一段。同样地，在接收时，需要进行判别，如果是在8 B长度内的报文，则无需另外处理，如果报文内容的字节数超过8 B，就对所接收的信息进行报文恢复处理。为了对报文进行恢复，在进行报文帧打包时，在报文中加入报文长度内容。只有完全接收完毕的报文才送入报文解析处理环节中。
在应用中应该注意的另外一个问题是，CAN总线控制器在实际运行中，存在着进入总线脱离状态的可能，在应用软件中应加入访问总线状态的模块，如果发现控制器处于总线脱离状态，要及时对总线控制器进行复归操作。
5 结语
本文所提以CAN总线网络为核心的变电所自动化系统已经通过调试后投入实际运行，网络通信速率采用50 kb/s，运行情况良好，控制响应快、状态变位上传迅速，整个系统运行情况完全达到设计要求。
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关键词：变电所自动化系统；CAN总线；RS232到CAN接口转换；安全
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Application ofCANBusfor the Automatic System ofDistributed Substation
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Abstract：A case ofapplication of CAN bus on the distributed automatic system ofsubstation is illustrated．To meet the need ofautomatic controlsystem ofsubstation，a network is necessity because ofthe distributed control units ofthe substation．To shortenthe developed period of the system，an interface bridge between the RS232 and CAN bus is made．The result oftest run shows thatthe requirements ofsystem can be satisfied by the project．
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Keywords：comprehensive automatic system for substation；CAN bus；interface bridge between RS232 and CAN；security
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1 引 言
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随着微机和电子技术的飞速发展，越来越多的智能装置在变电所中得到应用，极大地提高了变电所测量和控制系统的自动化水平。变电所强电磁干扰的工作场所，对自动化设备尤其是对其中涉及到的通信网络的抗干扰能力提出了很高的要求。根据变电所中开关设备和互感器的安装方式、环境以及对系统自动化程度的不同要求，整座变电所的测量控制系统一般采用集中与分散结合的方式构成，控制既可以做到集中控制(在主控制室中的集中控制台或屏上进行)，也可对各开关进行分散控制(由安装在开关设备跟前的控制箱完成)。
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变电所自动化系统主要由各种开关的智能控制单元、电气参数测量单元和继电保护装置构成，在这些智能化设备之间存在着信息交换的需要，同时整个变电所自动化系统还要与调度中心进行信息交换。通信网络在变电所测控自动化系统中担当着及时准确地传送控制命令、及时反馈回控制结果、变电所电气参数和设备各种状态的任务，其重要性不言而喻。本文通过一个实际应用例子，讨论把CAN总线应用于分布式变电所自动化系统中方案的确定、软硬件设计中注意的相关问题。
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2 变电所测控自动化系统的常用通信模式
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2．1 并行通信
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并行通信模式多用于各种智能化仪器与微机之间的通讯，具有数据吞吐能力强的优点，同时，系统造价、长距离通信时抗干扰能力是制约其广泛应用于变电所自动化系统的主要原因之一。这种通信方式在变电所中，主要应用在报表打印方面。
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2．2 串行通信
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RS232，CCITTV．24，V．11等通信标准在计算机数据传输领域内被长期而广泛地应用，较低的价格、较高抗干扰能力是他们的优点，但较低的通信速率和点对点传输方式成为制约他们广泛应用于变电所自动化系统通信网络的主要原因之一。RS232在变电所的各种测量、控制和保护装置上应用较多。
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2．3 现场总线
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分布式变电所自动化系统是由测量、控制和保护等智能单元构成的一个有机整体，在整个变电所中分散安装有针对以上特点，在最低层次上设计出的一种造价低廉、通信吞吐能力较强而又能有效抵御现场环境电磁干扰的通信系统。
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现场总线由于在抗干扰能力、造价等方面的优点，成为自动化系统中网络构成的重要选择对象，现场总线有很多种，各有长处，根据变电所自动化系统的实际情况，在应用中选择了控制器局域网。
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控制器局域网是一种支持分布式实时控制系统的通信网络，属于现场总线的一种。CAN总线是一种多主(或无主)总线，总线上各节点均处于平等地位，该总线的一个显著特点是无破坏性信息传输，最高通信速率可以达到1 Mb/s，每次发送报文长度8 B，超过8 B长度的报文必须进行分割和拼接处理。
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3 CAN总线应用方案的确定、硬件设计中的注意事项
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目前变电所许多测量、控制和保护装置多数带有串行通信接口，在硬件平台和应用软件方面的开发趋于成熟，采用何种通信网络，就不能不兼顾原有系统的技术现状，在对系统进行技术经济比较后，提出如图1所示的系统方案。
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该方案考虑了原有的测量、控制和保护等装置，软硬件上不作改动，只是在原装置与网络之间增加一个RS232和CAN总线的转换器，考虑到变电所网络信息的吞吐量不大，该转换器以51单片机为核心，利用单片机的RS232接口与微机测量、微机控制和微机保护进行通信，在51单片机上扩展一个CAN总线接口，所需的＋5 V电源也从测量、控制和保护装置中获得(51的RS232接口芯片采用单一＋5 V电源的那种)。此外，主控台以工业控制机为核心，同时担负变电所内部通信管理任务和与远方调度中心的通信任务，在工业控制机中直接选用一块CAN总线插卡就可以了。
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该方案的优点是开发周期短，无需对原有测量、控制和保护装置进行大的改动。值得注意的是，CAN总线对网络节点数是有限制的。另外，在选择通信速率时，也要考虑通信距离的限制，在实际应用中，根据系统通信流量的评估和变电所实际情况，选择通信速率为50 kb/s，对应的通信距离限制为1．3 km。
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4 CAN总线应用中编程注意事项
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CAN总线协议根据接口芯片不同可以有版本2．0A和2．0B两种，两者差别不大，对于应用者来说，更重要的是如何收发信息。
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在变电所自动化系统中，有些信息的字节数可以比较短(如开关变位信号的传送)，在8 B内，这种报文可以一次发送完毕。而有些信息的字节数较长(如测量数据)，无法把一帧报文一次发送完毕，因此，在发送软件模块中需要进行把报文分成几段，每次发送一段。同样地，在接收时，需要进行判别，如果是在8 B长度内的报文，则无需另外处理，如果报文内容的字节数超过8 B，就对所接收的信息进行报文恢复处理。为了对报文进行恢复，在进行报文帧打包时，在报文中加入报文长度内容。只有完全接收完毕的报文才送入报文解析处理环节中。
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在应用中应该注意的另外一个问题是，CAN总线控制器在实际运行中，存在着进入总线脱离状态的可能，在应用软件中应加入访问总线状态的模块，如果发现控制器处于总线脱离状态，要及时对总线控制器进行复归操作。
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5 结语
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本文所提以CAN总线网络为核心的变电所自动化系统已经通过调试后投入实际运行，网络通信速率采用50 kb/s，运行情况良好，控制响应快、状态变位上传迅速，整个系统运行情况完全达到设计要求。
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