基于现场总线的变电站自动化控制系统的设计

罗仕超

摘 要： FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站， 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表， 从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。现场总线FCS是一种全分布控制系统，以CAN总线为基础设计的变电站自动化控制系统具有高度的开放性、户操作性等优点，在实际应用中，效果显著。

关键词：现场总线 CAN总线 变电站 自动化控制系统

变电站综合自动化系统是变电站自动化监控管理的重要设备，它综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术等技术于一身，同时具有监测、监控、保护、故障录波、小电流接地选线、低频减载等多种功能，并且可以根据需要，附加其他功能。随着现场总线（FCS）的逐步发展，现场总线也广泛运用到变电站自动化控制系统中去，它在减少系统缆线，简化系统安装、维护以及管理方面所表现出的强大优势，收到越来越多的关注。

1、 现场总线概述

现场总线是一种全分布控制系统，基特性具有：开放性、互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性等特征。目前，总线种类较多，其中影响比较大的主要有如下几种：

1.1、基金会现场总线FF。FF（基金会现场总线）是Fieldbus Foundation的简称。采用了ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层，并在应用层上增加了用户层。它有Hl和H2两种物理层标准。Hl是低速总，传输速率为31.25Kbp，H2为高速总线，传输速率1MbpS和2.5Mbps，其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，物理传输介质采用双绞线、电缆、光纤和无线电，协议符合IEC61158-2标准，基金会现场总线FF主要应用于过程自动化领域。

1.2、LonWorks。LONWORKS（局部操作网络），LON是LocalOperationNetwork的简称。1991年美国ECHERON公司推出该产品。LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部7层通信协议，其技术核心是综合通信、控制功能于一体的Neuron芯片，该芯片封装了LonTalk协议，并且集成了3个8位处理器，分别负责介质访问、网络处理及应用处理。传输介质采用双绞线、同轴电缆、光纤、红外线和电力线等，通信速率在300bPs～l.5MbPs之间，支持节点数高达3200个，被誉为通用控制网络。

1.3、PROFIBUS。PROFIBUS（过程现场总线）是ProcessFieldBus的简称。1987年德国联邦科技部集中了13家公司和5个研究所按ISO/OSI参考模型制订现场总线的德国标准。PROFIBUS根据ISO/OSI参照模型省略了3至6层，增加了用户层。第一层定义了物理的传输特，第二层定义了存取协议，第七層定义了应用功能。PROFIBUS在用户层引进了功能模块 （FB）、对象字典（OD）和设备描述语言（DDL），允许用户对设备进行完全的内部操作，从而可以实现设备的互操纵性。PROFIBUS以OSI模型为基础，包含PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA。DP型定义了物理层、数据链路层和用户接口，主要应用于加工自动化领域，FMS定义了物理层、数据链路层和应用层，在楼宇、低压开关等普通自动化领域应用范围较广，PA型采用了物理层、数据链路层，遵从IEC61158-2标准，专为过程自动化设计。其通信介质为双绞线和光纤，传输速率在9.6kbPs～12MbPs之间，最多可挂接127个节点。

1.4 CAN总线。CAN（控制器局域网络）是ControllerAreaNetwork的缩写。是由德国BOSCH公司开发的控制局域网，具有很高的可靠性、支持分布式实时控制的串行通信网络。CAN总线采用了ISO/OSI模型的物理层和数据链路层。通信介质支持双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps/40m，节点数可达110，相比于其他总线，CAN可靠性高、链路简单、配置灵活、芯片资源丰富、成本低等优点，在许多领域都得到了广泛的运用。

2、采用CAN总线的变电站自动化控制系统

某10kv变电站是全户内式变电站，采用双回路进线，互为冗余。主变容量2×1 600 kVA（干式变压器），10 kV出线6，400 V出线63，要求按无人值班变电站设计，采用综合自动化方案。

2.1、系统功能要求

根据需要，除了设置一般的现场总线综合自动化系统所需必要的与调度站的通信功能以及画面显示及打印功能外，还根据变电站的需要，设置如下主要功能：

实时数据采集与处理功。即通过各测控单元对现场的电压、电流模拟量、脉冲量、温度量等数据进行实时采集与处理，然后在测控单元对其进行必要的预处理，送往总控计算。

报警功能。即能够对变电站的运行状态进行时时监测，当部分设备出现异常，能够及时发现并报警，同时，在CRT显示屏上自动推出报警画面，为工作人员处理事故提供参考依据。

控制调节功能。这主要是指对断路器、隔离开关、电容机组的投切、测控单元的远投及远动复位等进行自动控制，并对主变压器的温度进行自动调节。

系统管理记录功能。即对监控范围内的主要设备的正常和非正常运行或操作进行自动记录，如自动记录断路器的操作次数、主变压器的温度、电容器自动投切等。

自诊断、自恢复以及自动切换功能。即系统能够对自身的硬件、软件进行实时监控，对出现的故障能够自动诊断，并给出诊断信息，以便为工作人员的检修提供可靠依据。同时当系统因为某种原因而死机，能够自动实现软硬件的自动恢复，保证系统正常运行。

2.2、通讯网络

在这个系统中，采用的是CAN总线技术，上位机与中央总控装置采用RS232串行通信，中央总控装置与各个节点之间采用CAN总线通信，这使得系统结构简单，并且各个节点之间互不影响，任何一个节点发生故障，不会影响到整个系统的运行，因此，系统可靠性高，易于扩展，层次分明，便于维护。系统通讯网络如下图所示

2.3、系统硬件设置

该系统是由控制器通过CAN总线相连而组成的控制器局部网，因此CAN总线的设计就显得极为重要。其中，CAN控制器的选取、CAN收发器以及抗干扰措施将成为设计的关键。

目前，市场上CAN总线器件主要有两种，一种是集成CAN标准模块的单片机，另一种是独立的CAN控制器，前者具有电路接口相对简单，外围电路少等优点；后者性能的扩展性比前者要好，但是外围线路相对复杂。

为满足系统功能需要，使得系统具有更好的可拓展性，设计以独立CAN控制器SJA1000来设计系统，整个线路的主要组成部分为SJA1000、CAN总线驱动器82C250以及高速光电耦合器6N137。 SJA1000通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样，CAN总线上的节点被相互隔离，能提高系统的抗干扰能力。同时，为了使得82C250免受过流的冲击，82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5-10Ω的大功率电阻与CAN总线相连，另外为了滤除总线上的高频干扰，在CANH和CANL与地之间并联2个30 nF的小电容。另外，电磁兼容领域中主要的干扰为瞬变干扰，它具有持续时间短，脉冲幅值能量大的特点，容易造成给电气设备的损坏安全运行，因此，在82C250的Rs脚上有一个电阻能在16～140 kΩ之间进行调整的斜率电阻。

2.4、软件流程

以CAN总线设计变电站自动控制系统，一方面系统硬件设计简单，便于维护，另一方面，用户的发送及接受程序也比较简单，如下图所示：

在发送时，用户只需要将发送的数据按规定的格式组合成一帧报文，送入SJA1000发送缓存区中，然后启动SJA1000发送即可。接受过程相对来说复杂一些，SJA1000报文的接收主要有2种方式：中断接收方式和查询接收方式，两种方式的编程思路大体相同，无论采用哪种接受方式，都需要对总线关闭、错误报警、接受溢出等情况进行處理，在实际应用中采用查询接受方式。

3、结语

变电站自动控制系统采用现场总线控制系统，真正实现了全分布式管理，系统具有高度的开放性、互操作性、成本低等优点，并且智能化程度也大大提高。在这个系统中，采用CAN总线协议设计的自动控制系统，有效解决了变电站自动控制系统中的通信问题，系统的可靠性稳定性大大提高，在实际应用中，效果显著。