CAN总线及其在水电站自动化的应用

1. 引言：

　　水电站综合自动化系统（包括电站机组、变压器、厂变、公共设备等的保护、检测、控制等）是电站安全、优质、高效运行的重要保证。随着计算机及电子技术的迅猛发展和日益成熟，性能先进，运行可靠稳定的电站微机综合自动化系统得到广泛的应用。逐步替代了传统的继电保护与自动化设备。微机保护与常规继电保护的根本区别在于其实现了数字化，即通过对主设备运行状态参量的实时、快速数字处理，完成故障诊断、保护动作。根据国家有关大力发展中小型水电站建设，西电东送的发展战略，本文吸取当今先进的电站设计思想，在分析相关技术文献、资料的基础上提出了一种利用当今先进的现场总线技术，计算机网络技术和可编程计算机控制器PCC技术的水电站自动化监控系统。确保复杂的机组启停控制，变压器保护等系统得以可靠的实现。同时以模块化的设计保证系统功能的灵活扩充。该系统适合中小型水电站，系统的功能层次更加清晰，安全可靠性更高。文中首先对当今的现场总线技术之一CAN总线进行了概述。其次对利用上述先进技术设计的水电站自动化监控系统的功能特性加以分析和说明。

2. CAN总线及其特性

　　现场总线作为一个发展热点，它的出现将对传统的工业自动化带来革命，从而开始工业控制的新纪元。但众多的现场总线往往使生产者和用户无所适从。是否已纳入IEC标准，系统的开放性，技术能否得到有力的支持，价格是否有竞争力等已成为人们选用何种总线的主要依据。由于CAN总线具有通信速率高，可靠性高，连接方便和性能价格比高等诸多特点，推动其应用开发的迅速发展，其推广应用反过来又促使器件生产商不断推出新的CAN总线产品。使其逐步形成系列。鉴于CAN总线的普及性，选择CAN作为总线控制网。

　　从物理结构上看，CAN属于总线式通讯网络，与BITBUS，RS485相似，又有本质区别。它是一种专门用于工业自动化领域的网络，不同于以太网等管理和信息处理用网络。其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化的底层监测及控制。它采用了最新的技术及独特的设计，其可靠性和性能超过了已陈旧的现场通讯技术，如RS485，BITBUS等。CAN具有下列主要特性：

　　. CAN插卡可任意插在PC，XT，AT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

　　. CAN可以多主方式工作，这一方式与大型网络的peer to peer方式相类似，从而与开放结构相吻合。网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活。利用这一特点也可以方便地构成（容错）多机备份系统。

　　. CAN无破坏性的基于优先权的仲裁，可满足不同的实时要求，有效避免了总线冲突。

　　. CAN可以点对点，一点对多点（成组）及全局广播等几种方式传送和接收数据。

　　. CAN直接通信距离最远可达10km/5kbps,通讯速率最高可达1Mbps/40m。

　　. CAN上节点数理论值为2000个，实际上以110个以下为宜。

　　. CAN采用短帧结构，第一帧有效字节为8个，这样传输时间短，受干扰概率低，重新发送时间短。

　　. CAN每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据的出错率极低。

　　. CAN可以实现非破坏性总线仲裁和错误鉴定。总线冲突和错误鉴定均由CAN控制器自分解块，而且这一过程对用户完全透明并能区分暂时性和永久性故障，自动关闭故障点 这一点在多传输情况下，通过数据融合技术可以弥补由于传输或设备故障造成的信息缺损。

　　.通讯介质采用双绞线，无特殊要求。

3. 系统设计方案比较

　　水电站自动化监控系统是提高电站综合自动化水平的重要因素，是根据无值班、少人值守的原则设计的。系统综合运用先进的计算机技术、通信技术、现场总线技术、PLC技术、及软件工程设计方法，使系统配置灵活，简单，用户操作方便。与传统的水电站自动化监控系统相比，我们改传统方法中将现场综合电量装置、保护装置及温度巡检装置通过RS485总线接到工控机上为将这些装置与PCC相连，通过PCC联到上位监控系统，使得整个现地单元自成一个独立的系统层次。增加了系统的稳定性和可靠性。避免了系统数据的丢失，同时简化了系统的结构，节约了系统硬件成本，更加利于资金不足的地区自建小型水电站。下面我们给出两种结构的框图。

4.电站自动化监控系统的实现

　　4.1系统构成

　　硬件系统采用快速交换式以太网组成局域网，系统的实时监控功能分布于纵向的三个层次上，现地层实现数据的采集及控制功能，监控层则通过网络实现全站的监视和控制功能，系统的这种分层、分布式硬件体系保证了其系统性能的稳定可靠。[page]

　　4.1.1全站监控层构成

　　全站监控层为电站实时监控中心。其负责整个电站的集中监控功能，具有实时及历史数据处理功能，并预留与地调或梯调进行通信等功能。

　　监控层由一台前台调度机，一台数据处理机，调度机和数据处理机选用台湾研华公司的原装工控机，两台飞利蒲21‘‘彩显，两台实达24针中英文宽行打印机构成。前台调度机与数据处理机之间通过以太网相连进行通信。数据处理机预留接口与地调或梯调进行通信。前台调度机与现地单元（LCU）之间通过现场总线CAN网进行数据交换。

　　4.1.2 现地控制单元（LCU）

　　现地控制单元本次设计按一般情况包括三套机组LCU和一套公用LCU。因系统的设计是开放式结构，可以根据系统的实际情况增删设备。机组LCU、公用LCU与上位监控层通过CAN总线相连，实现数据的上传和下发。

　　考虑到LCU的基本构成是相似的，我们以一套为例来对其构成进行说明。LCU由一套可编程计算机控制器PCC、一台温度巡检装置、一台综合电量检测装置及转速测量装置和各种保护装置构成。其中，PCC一方面通过I/O 模块测取模拟量、开关量、脉冲量等信号，另一方面利用其Frame driver 功能，通过RS485总线获取温度巡检装置、综合电量检测装置及转速测量装置和各种保护装置的测 量信号。并把它们通过CAN总线上传给上位管理机。

　　可编程计算机控制器PCC是选用贝加莱的PCC2005系列。PCC为项目开发者的控制应用程序（APM）提供了兆字节级的存储容量。如此大的存储容量，对于我们存放通过RS485总线获取的大量的温度巡检装置、综合电量检测装置及转速测量装置和各种保护装置的测量信号提供了可能。同时，其实时多任务系统和多种编程风格同时混用的特性，为我们的程序开发提供了便利。

　　4.2系统功能

　　4.2.1 监控系统上位软件实现功能：

　　·数据采集：接收LCU定时采集及预处理过的信号，包括开关量，模拟量， 脉冲量，温度量及其它非电量等。

　　·数据处理：数据计算，越限报警，变位报警，电度累计，功率累计，电压合格率等。

　　·报表生成与打印：包括事故﹑故障一览表，状态变位统计一览表，操作一览表，模拟量越限一览表，自诊断一览表，设备运行工况表，电能报表等。

　　·机组顺序控制：实现机组顺序起，停控制。断路器，隔离开关的合闸/分闸等操作。

　　·机组有功功率，无功功率调节：现地单元可根据显示操作面板的有功，无功给定值或上位机下达的有功，无功给定值，按相应调节规律（如PID）进行有功、无功的闭环控制。另外可根据用户要求进行成组调节。

　　·可与上级调度部门通信，实现遥测与遥信等功能。

　　·时钟同步：现地控制单元、自动化装置、上位机采用统一的时钟，保证时间同步性。

　　4.2.2现地控制单元LCU的功能

　　·数据采集和处理

　　通过LCU上的开入模块、模入模件、综合电量装置、温度巡检装置和保护装置分别采集状态量（DI）、中断量（SOE）、脉冲量、电度量、交流量、模拟量和温度量，并进行数据的多重滤波、合法性检查、数据的转换、运算和上交操作。

　　·控制与操作

　　LCU 根据所采入的信息或上位机下达的命令，进行数据处理、启动流程，并下发控制、操作命令，所有的控制、操作命令通过PCC的开出模件驱动开出继电器来执行，从而实现自动控制发电机的启停、并列解列、辅设启停和开关操作。其中机组的紧急停机、事故停机流程则直接置于PCC系统上，以此提高系统响应的快速性和准确性。

5. 结束语

　　随着能源的匮乏煤和石油日益减少及人们环保意识的加强，水利发电因其电能低成本，没有污染、运行方式灵活，可以发电、防洪、灌溉、综合利用水利资源等优势，得到越来越多的应用。水电站自动化的水平决定了其安全可靠性及低成本的运行。本文以中小型水电站为参考点，改过去一个现地单元配一套监控站为以现地单元PCC为顺控、数采的核心，并兼任将数据上传上位监控站，三套现地单元和一套公用单元通过CAN总线由上位监控站统一监控管理。这种结构模式不但可以降低投资成本，而且因其层次清晰，模块化配置减少了系统故障的发生。对于在目前我国地方投资不足的情况下加快中小型水电站的建设步伐是很有促进作用的。

参考文献

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　　[3] 陈志业 主编，电力工程[M]， 中国电力出版社 1997

　　[4] Networking Principles With B&R， B&R， 1999