基于现场总线CAN的变电站综合自动化系统

1．引言

　　电力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。随着电力系统自动化程度的提高，现场总线技术的日臻完善，以及电力系统减员增效要求的提出，实现电站综合自动化，从而达到无人值班，已成为电力系统自动化发展的趁势。目前，采用符合现代工业控制技术方向的高性能微控制器，现场总线技术，实时多任务操作系统等多项先进技术，能实现对中低压输配电线路及主设备的综合自动化功能。而且能集保护、监控 、调控、通信于一体，既可联网构成综合自动化系统，也可独立运行，既可适合有人监控中心，也可适合无人值班的要求。众所皆知，变电站综合自动化关键在于大量的现场采集信息和数据快速、准确，实时上传到监控中心，也能将监控中心下达的控制命令准确无误地发送到控制单元，及时采取措施避免事故发生，这就需要变电站综合自动化系统有可靠的通信保障。随着现场总线技术在电力系统自动化中的广泛应用，有效地解决了变电站综合自动化系统中的通信问题。

2．变电站综合自动化系统

2.1 变电站综合自动化系统的构成

　　变电站综合自动化系统一般由站控层、通信管理层和间隔层构成的计算机监控系统，采用分布式结构，设备分为站控层、通信管理层及间隔层，间隔层原则上按一次设备组织，每一间隔层设备包括测量、控制、保护、信号、通信、录波等基本功能，并完成各自的特殊功能，系统能实现信息共享及保护、监控功能的综合化，极大简化二次回路，节省系统投资，由于间隔层设备可放在开关柜或一次设备附近，大为减少主控室面积，节约控制电缆，大大提高了整个系统的可靠性和可扩展性。通信管理层由于各间隔层设备通信协议的多样性，要实现不同装置的数据链接，可加入前置机（通信管理装置）完成通信控制和规约转化，使其在功能上实现通信接收、发送、规约转化等功能；通信协议采用电力行业标准协议，能实现不同厂家设备的互联，采用全球定位系统（GPS），支持硬件对时网络，减少GPS与设备间的连接，并保证对时精度，硬件上采用模块化设计以支持多种通信接口，包括以太网、串行通信接口、可扩充的其他现场总线接口等；软件上具有规约库以支持RS-232、RS-485、LONWORKS及标准网络协议（TCP/IP）等多种类型的标准通信接口，从而具备良好的软、硬件扩展性。站控层包括数据库服务器、Web服务器、运行工作站、维护工作站、监视工作站等。

2.2 变电站综合自动化系统功能

　　以某110KV变电站为例，根据变电站高压供电系统一次系统的整体要求，变电站综合自动化系统决定采用CL2000变电站综合自动化系统，在此，结合工程实践，介绍该系统用于变电站监控系统中的经验。

　　变电站综合自动化系统由WXH-322A/01微机线路保护装置，WBH-90系列微机变压器保护装置，ZBH-91A/05变压器本体保护装置，WBH-92A/02微机变压器后备保护装置，WMC-31A03微机母线差动保护装置，WBH-93A/02微机厂用电保护装置，WBT-31A/01微机备用电源自投装置，微控制器SAB-C167CR（SIEMENS公司产），工作站微机及相应设备组成。CL2000变电站综合自动化系统系列保护装置具有一般的主要功能，如开关量的变位遥控，电压电流的模拟输入，断路器遥控分口，脉冲累加，遥控事件记录及顺序记录（SOE），逻辑闭锁等。

　　WXH-322A/01微机线路保护装置是多CPU并行设计，距离保护，零序保护及录波，测距分别由单独CPU完成，各CPU插件在电气及结构上相互独立，无依赖关系，它能实现以下功能：

　　（1）保护功能：a) 三段式相间距离保护； b) 三段式接地距离保护； c) 四段式零序方向过流保护；d) 故障测距； e) 振荡闭锁； f) 三段式反向及低压闭锁过流保护； g) 检无压、检同期三相一次重合闸，手动同期合闸； h) 低周低压减载保护； i) 过负荷保护或报警； j) PT断线告警。

　　（2）测量功能：a) 采集测量电压，三相或二相测量电流，计算有功功率，无功功率，功率因数； b) 测量频率，每周波72点自适应采样； c) 采用12路开关量； d) 采用4路脉冲量（正负脉冲 均可）； e) 远方及本地操作。[page]

3．由现场总线技术实现的通信功能

　　通信功能是综合自动化出别于常规站最明显的标志之一，通信网络变电站内间隔信息可充分共享，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。

　　近年来，随着我国电力自动化的不断发展，电力系统通信方式也不断改进，现场在总线技术因其组网方便，抗干扰能力强等特点得到广泛应用。现场总线标准很多，电力自动化系统中最常用的是LONWORKS和CAN总线。

　　LONWORKS总线通信速率为78Kbps和1.25Mbps，CAN总线通信速率为1Mbps。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1Mbps的多主总线[1]。

　　具有优先抢占方式进行总线仲裁的作用机理，通信速率高，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，成本低等特点，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总线的主要特点：

　　（1）CAN为多主方式工作，网络上任意节点，任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主次，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息；

　　（2）CAN采用短帧结构，数据最多8个字节，这样不仅满足控制领域中传递控制命令，工作状态和测量数据的一般要求，且保证了通信的实时性，CAN网络上的节点信息分为不同等级，可满足不同实时要求，高优先级最多可在134μS内得到传输；

　　（3）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突时间。CAN的直接传输距离最远可达10Km/ 5Kbps，通信速率最高可达1Mbps/40m。可挂接设备最多可达110个。CAN节点在自身发生错误时具有自动关闭功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

　　本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，现场通信采用双绞线，总线速率达1 Mbps，快速、可靠、方便灵活，通信规约支持IEC-60870-5-101格式，克服RS485网络上只能有一个主节点而无法构成多冗余系统的缺陷，具有很高的价格比。另外，采用双CAN现场总线内部定期对备用CAN进行备用检测，提高了内部网络的冗余度。

　　站控层采用双10 Mbps双绞线以太网结构（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，站控层为值班人员提供全厂系统的监视、控制和管理功能，界面友好，容易使用。通过组件技术，软件功能能实现“即插即用”，能较好地满足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。站控层操作系统可采用Windows2000/NT，数据库选用SQL服务器，软件主要功能模块有前置、数据库生成器、数据库组态、报表管理、报警信息、曲线、棒图、动作告警、SOE、事故追忆、录波分析、人机界面、自动抄表、设备管理、定值管理、设备在线诊断、系统组态等。电气监控系统中提供了故障信息传输系统、各级调度中心、电能计量系统、直流系统通信等接口驱动软件。

　　总之，系统完成的主要功能有：实时数据采集与处理、数据库的建立与维护、控制操作、同步检测、报警处理、顺序记录（SOE）、事故追忆、画面生成及显示、在线计算及制表、电能量处理、远动功能、电气“五防”、时钟同步、人机接口、系统自诊断与自恢复、与其他智能设备接口、运行管理功能等。

4．主要软件设计

　　本系统中，微处理器SAB-C167CR的数据处理速度可达10 MHz，能完成所有测量、控制及通信等功能，其特点是任务较多，各任务之间协调较为复杂，为了便于个任务之间协调与功能扩充，CPU软件系统采用了实时多任务操作系统RTOS来优化和分配CPU时序和资源，保证程序的实时性和可靠性，以任务为对象进行资源管理，任务调度和异常处理，通过RTOS管理系统根据数据处理的轻重缓急来合理分配占有CPU，优化时序分时执行，使之不闲置，不拥挤，每个处理过程又有多个不同优先级别的任务组成，采用优先抢占操作方式有效保证任务执行的实时性，采用这一软件结构的突出特点是使程序实现了真正的模块化，各个任务单独编程，不受其他任务的影响，任务的增减，调度非常方便。

　　软件设计分为两部分：一部分是SAB-C167CR微处理器的软件设计，包括与间隔层设备间CAN总线数据传输及上位机UBS的数据通信（使用USB接口方便现场，即插即用，便于PC机的维护与升级，满足变电站数据通信的需要）；另一部分为PC机上位机软件的设计。这部分上位机软件设计较为复杂，若采用面向对象的语言编写程序，可使用ActiveX控制实现数据通信。对于微处理器和上位机的软件设计，考虑到将来间隔层设备结构的变化和硬件升级需要，程序设计分为两层，底层负责数据接收和发送；上层负责数据帧上午打包、解包及协议的解释。

5．结论

　　随着现场总线技术的发展和电气设备微机化程度的提高，为数字化形式实现变电站自动化监控系统提供了技术保证。变电站自动化系统应具有开放性，应能实现不同厂家设备的互操性（互换性）。因此，现场总线技术的应用是变电站综合自动化发展的需要，运用现场总线技术 ，能解决变电站综合自动化系统的通信问题，能保证数据通信的速度、质量、抗干扰能力，从而保证了变电站综合自动化技术的有效实施。

参考文献：

　　1．邬宽明. CAN总线原理与应用系统设计. 北京：北京航天航空大学出版社，1996

　　2．闵涛，黄冰. 变电站自动化系统一种智能测控装置的设计. 电力系统及自动化学报.2003[6]：87～90

　　3．李娟. 现场总线在煤矿变电站综合自动化系统中的应用. 重庆：电工技术，2004[5]：2～3

　　4．CL2000变电站综合自动化系统系列装置技术说明书. 哈尔滨光宇电气自动化有限公司