基于現場總線CAN變電站綜合自動化系統

1．引言

　　電力系統是一個特殊的系統，其安全性、可靠性要求高，為了實現系統的安全可靠運行，必須實現電力系統的調度、運營和管理的自動化。隨著電力系統自動化程度的提高，現場總線技術的日臻完善，以及電力系統減員增效要求的提出，實現電站綜合自動化，從而達到無人值班，已成為電力系統自動化發展的趁勢。目前，采用符合現代工業控制技術方向的高性能微控制器，現場總線技術，實時多任務操作系統等多項先進技術，能實現對中低壓輸配電線路及主設備的綜合自動化功能。而且能集保護、監控 、調控、通信于一體，既可聯網構成綜合自動化系統，也可獨立運行，既可適合有人監控中心，也可適合無人值班的要求。眾所皆知，變電站綜合自動化關鍵在于大量的現場采集信息和數據快速、準確，實時上傳到監控中心，也能將監控中心下達的控制命令準確無誤地發送到控制單元，及時采取措施避免事故發生，這就需要變電站綜合自動化系統有可靠的通信保障。隨著現場總線技術在電力系統自動化中的廣泛應用，有效地解決了變電站綜合自動化系統中的通信問題。

2．變電站綜合自動化系統

2.1 變電站綜合自動化系統的構成

　　變電站綜合自動化系統一般由站控層、通信管理層和間隔層構成的計算機監控系統，采用分布式結構，設備分為站控層、通信管理層及間隔層，間隔層原則上按一次設備組織，每一間隔層設備包括測量、控制、保護、信號、通信、錄波等基本功能，并完成各自的特殊功能，系統能實現信息共享及保護、監控功能的綜合化，極大簡化二次回路，節省系統投資，由于間隔層設備可放在開關柜或一次設備附近，大為減少主控室面積，節約控制電纜，大大提高了整個系統的可靠性和可擴展性。通信管理層由于各間隔層設備通信協議的多樣性，要實現不同裝置的數據鏈接，可加入前置機（通信管理裝置）完成通信控制和規約轉化，使其在功能上實現通信接收、發送、規約轉化等功能；通信協議采用電力行業標準協議，能實現不同廠家設備的互聯，采用全球定位系統（GPS），支持硬件對時網絡，減少GPS與設備間的連接，并保證對時精度，硬件上采用模塊化設計以支持多種通信接口，包括以太網、串行通信接口、可擴充的其他現場總線接口等；軟件上具有規約庫以支持RS-232、RS-485、LONWORKS及標準網絡協議（TCP/IP）等多種類型的標準通信接口，從而具備良好的軟、硬件擴展性。站控層包括數據庫服務器、Web服務器、運行工作站、維護工作站、監視工作站等。

2.2 變電站綜合自動化系統功能

　　以某110KV變電站為例，根據變電站高壓供電系統一次系統的整體要求，變電站綜合自動化系統決定采用CL2000變電站綜合自動化系統，在此，結合工程實踐，介紹該系統用于變電站監控系統中的經驗。

　　變電站綜合自動化系統由WXH-322A/01微機線路保護裝置，WBH-90系列微機變壓器保護裝置，ZBH-91A/05變壓器本體保護裝置，WBH-92A/02微機變壓器后備保護裝置，WMC-31A03微機母線差動保護裝置，WBH-93A/02微機廠用電保護裝置，WBT-31A/01微機備用電源自投裝置，微控制器SAB-C167CR（SIEMENS公司產），工作站微機及相應設備組成。CL2000變電站綜合自動化系統系列保護裝置具有一般的主要功能，如開關量的變位遙控，電壓電流的模擬輸入，斷路器遙控分口，脈沖累加，遙控事件記錄及順序記錄（SOE），邏輯閉鎖等。

　　WXH-322A/01微機線路保護裝置是多CPU并行設計，距離保護，零序保護及錄波，測距分別由單獨CPU完成，各CPU插件在電氣及結構上相互獨立，無依賴關系，它能實現以下功能：

　　（1）保護功能：a) 三段式相間距離保護； b) 三段式接地距離保護； c) 四段式零序方向過流保護；d) 故障測距； e) 振蕩閉鎖； f) 三段式反向及低壓閉鎖過流保護； g) 檢無壓、檢同期三相一次重合閘，手動同期合閘； h) 低周低壓減載保護； i) 過負荷保護或報警； j) PT斷線告警。

　　（2）測量功能：a) 采集測量電壓，三相或二相測量電流，計算有功功率，無功功率，功率因數； b) 測量頻率，每周波72點自適應采樣； c) 采用12路開關量； d) 采用4路脈沖量（正負脈沖 均可）； e) 遠方及本地操作。

3．由現場總線技術實現的通信功能

　　通信功能是綜合自動化出別于常規站最明顯的標志之一，通信網絡變電站內間隔信息可充分共享，并通過通信接口與外界信息系統交換信息，同時節省大量電纜，構成一個快速、穩定、可靠的通信網絡是變電站自動化系統的基本要求，也是電力系統運行管理功能的基本前提。

　　近年來，隨著我國電力自動化的不斷發展，電力系統通信方式也不斷改進，現場在總線技術因其組網方便，抗干擾能力強等特點得到廣泛應用。現場總線標準很多，電力自動化系統中最常用的是LONWORKS和CAN總線。

　　LONWORKS總線通信速率為78Kbps和1.25Mbps，CAN總線通信速率為1Mbps。CAN總線是一種有效支持分布控制和實時控制的串行通信網絡，是一種通信速率可達1Mbps的多主總線[1]。

　　具有優先搶占方式進行總線仲裁的作用機理，通信速率高，錯誤幀可自動重發，永久故障可自動隔離，不影響整個網絡正常工作，可靠性高，而且協議簡單，開放性強，組網靈活，成本低等特點，能為電力自動化提供開放性、全分布及可互操作性的通信平臺。

　　CAN總線的主要特點：

　　（1）CAN為多主方式工作，網絡上任意節點，任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主次，通信方式靈活，且無需站地址等節點信息；

　　（2）CAN采用短幀結構，數據最多8個字節，這樣不僅滿足控制領域中傳遞控制命令，工作狀態和測量數據的一般要求，且保證了通信的實時性，CAN網絡上的節點信息分為不同等級，可滿足不同實時要求，高優先級最多可在134μS內得到傳輸；

　　（3）CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點主動退出發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突時間。CAN的直接傳輸距離最遠可達10Km/ 5Kbps，通信速率最高可達1Mbps/40m。可掛接設備最多可達110個。CAN節點在自身發生錯誤時具有自動關閉功能，以使總線上其他節點的操作不受影響。

　　本系統間隔層主要由保護單元和測控單元組成，每個測控單元監控多路饋進饋出，采用先進現場總線CAN，現場通信采用雙絞線，總線速率達1 Mbps，快速、可靠、方便靈活，通信規約支持IEC-60870-5-101格式，克服RS485網絡上只能有一個主節點而無法構成多冗余系統的缺陷，具有很高的價格比。另外，采用雙CAN現場總線內部定期對備用CAN進行備用檢測，提高了內部網絡的冗余度。

　　站控層采用雙10 Mbps雙絞線以太網結構（能保證變電站自動化系統內部通信網絡傳輸的實時性），由雙服務器組成，站控層為值班人員提供全廠系統的監視、控制和管理功能，界面友好，容易使用。通過組件技術，軟件功能能實現“即插即用”，能較好地滿足電氣監控系統的需要，軟件系統采用模塊化結構，開放性較好。站控層操作系統可采用Windows2000/NT，數據庫選用SQL服務器，軟件主要功能模塊有前置、數據庫生成器、數據庫組態、報表管理、報警信息、曲線、棒圖、動作告警、SOE、事故追憶、錄波分析、人機界面、自動抄表、設備管理、定值管理、設備在線診斷、系統組態等。電氣監控系統中提供了故障信息傳輸系統、各級調度中心、電能計量系統、直流系統通信等接口驅動軟件。

　　總之，系統完成的主要功能有：實時數據采集與處理、數據庫的建立與維護、控制操作、同步檢測、報警處理、順序記錄（SOE）、事故追憶、畫面生成及顯示、在線計算及制表、電能量處理、遠動功能、電氣“五防”、時鐘同步、人機接口、系統自診斷與自恢復、與其他智能設備接口、運行管理功能等。

4．主要軟件設計

　　本系統中，微處理器SAB-C167CR的數據處理速度可達10 MHz，能完成所有測量、控制及通信等功能，其特點是任務較多，各任務之間協調較為復雜，為了便于個任務之間協調與功能擴充，CPU軟件系統采用了實時多任務操作系統RTOS來優化和分配CPU時序和資源，保證程序的實時性和可靠性，以任務為對象進行資源管理，任務調度和異常處理，通過RTOS管理系統根據數據處理的輕重緩急來合理分配占有CPU，優化時序分時執行，使之不閑置，不擁擠，每個處理過程又有多個不同優先級別的任務組成，采用優先搶占操作方式有效保證任務執行的實時性，采用這一軟件結構的突出特點是使程序實現了真正的模塊化，各個任務單獨編程，不受其他任務的影響，任務的增減，調度非常方便。

　　軟件設計分為兩部分：一部分是SAB-C167CR微處理器的軟件設計，包括與間隔層設備間CAN總線數據傳輸及上位機UBS的數據通信（使用USB接口方便現場，即插即用，便于PC機的維護與升級，滿足變電站數據通信的需要）；另一部分為PC機上位機軟件的設計。這部分上位機軟件設計較為復雜，若采用面向對象的語言編寫程序，可使用ActiveX控制實現數據通信。對于微處理器和上位機的軟件設計，考慮到將來間隔層設備結構的變化和硬件升級需要，程序設計分為兩層，底層負責數據接收和發送；上層負責數據幀上午打包、解包及協議的解釋。

5．結論

　　隨著現場總線技術的發展和電氣設備微機化程度的提高，為數字化形式實現變電站自動化監控系統提供了技術保證。變電站自動化系統應具有開放性，應能實現不同廠家設備的互操性（互換性）。因此，現場總線技術的應用是變電站綜合自動化發展的需要，運用現場總線技術 ，能解決變電站綜合自動化系統的通信問題，能保證數據通信的速度、質量、抗干擾能力，從而保證了變電站綜合自動化技術的有效實施。

參考文獻：

　　1．鄔寬明. CAN總線原理與應用系統設計. 北京：北京航天航空大學出版社，1996

　　2．閔濤，黃冰. 變電站自動化系統一種智能測控裝置的設計. 電力系統及自動化學報.2003[6]：87～90

　　3．李娟. 現場總線在煤礦變電站綜合自動化系統中的應用. 重慶：電工技術，2004[5]：2～3

　　4．CL2000變電站綜合自動化系統系列裝置技術說明書. 哈爾濱光宇電氣自動化有限公司