基于CAN總線的牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)
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(tǒng)中,隨著電氣化鐵路的發(fā)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(fā)展成為必然趨勢。牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)是在計算機技術和網(wǎng)絡通信技術基礎上發(fā)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(tǒng)的集中式向全分散式轉變。隨著現(xiàn)場總線的發(fā)展,目前分散式牽引變電站綜合自動化系統(tǒng),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(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?
現(xiàn)場總線即是一個開放的通信網(wǎng)絡,又是一種全分布控制系統(tǒng)。他是智能設備的聯(lián)系紐帶,把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng),并進一步構成自動化系統(tǒng),實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化系統(tǒng)。應用網(wǎng)絡方式,特別是現(xiàn)場總線技術來解決牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信問題已成為發(fā)展的趨勢?,F(xiàn)場總線有很多標準如FF(基金會總線),Profibus,ISP,F(xiàn)IP,LonWorks,CAN等,至今還沒有統(tǒng)一的標準來定義現(xiàn)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(yōu)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(tǒng)中。
2 CAN總線特點
在以往的變電站監(jiān)控系統(tǒng)中,使用過BITBUS網(wǎng)和RS485網(wǎng),但他們存在以下缺陷:
(1)BITBUS和RS485網(wǎng)絡上只能有一個主節(jié)點,無法構成多主冗余系統(tǒng),導致系統(tǒng)可靠性較差。
(2)數(shù)據(jù)通信方式是命令式,從節(jié)點只有在收到主節(jié)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(tǒng)靈活性差、實時性差。
(3)BITBUS和RS485網(wǎng)的糾錯能力差?! ?BR>
20世紀80年代中后期出現(xiàn)的CAN總線是一個造價低廉而又適用于電力系統(tǒng)監(jiān)控的控制網(wǎng)。將CAN用于變電站監(jiān)控系統(tǒng),有著BITBUS和RS485無法比擬的特性,能夠從根本上改變變電站監(jiān)控系統(tǒng)的性能,如:
(1)網(wǎng)上任一節(jié)點可在任一時刻向其他節(jié)點發(fā)信,而不分主從,這樣可構成真正的多主系統(tǒng)。
(2)在CAN應用層使用DeviceNet協(xié)議,可把優(yōu)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(jié)點同時向網(wǎng)上發(fā)信時,優(yōu)先級低的報文主動停發(fā)送,而不會導致網(wǎng)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(wǎng)絡糾錯能力差的情況。
3 CAN現(xiàn)場總線用于牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)
牽引變電所安全監(jiān)控及綜合自動化系統(tǒng)的結構如圖1所示,他由饋線保護測控單元、當?shù)乇O(jiān)控單元、現(xiàn)場總線、視頻監(jiān)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(xiàn)場總線為光纖網(wǎng),是實現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)功能的核心;通信單元在以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)之間實現(xiàn)規(guī)約轉換,同時為全所提供時間基準(GPS)。
CAN現(xiàn)場總線完善的網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)絡上的一個節(jié)點或子站。采用的CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡,具有良好的開放性、互操作性和7層完整的網(wǎng)絡通信協(xié)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(xiàn)場總線結構,主要是實現(xiàn)間隔單元級通信功能。傳統(tǒng)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(jié)點繁忙時,可能嚴重影響系統(tǒng)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(tǒng)。
變電站間隔層通信信息量有限,以太網(wǎng)的優(yōu)勢在這一層次表現(xiàn)不充分。按照CAN網(wǎng)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(wǎng)絡,網(wǎng)上各節(jié)點平等,均可直接通信;節(jié)點數(shù)可任意改變,任何節(jié)點的移動、投退,在物理上都不會影響網(wǎng)上其他節(jié)點的通信??紤]到牽引變電站的強電磁干擾環(huán)境,為了保證數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線的牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)的方案,基于CAN網(wǎng)絡設計,各保護測控單元作為其節(jié)點或子站。樣機試驗表明,利用CAN網(wǎng)絡能對牽引變電站各設備進行準確、高效的檢測與監(jiān)控。實驗證明,該方法對于實現(xiàn)牽引變電站綜合自動化具有較好的推廣價值。
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