基于現(xiàn)場(chǎng)總線的變電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅仕超

摘 要： FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站， 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表， 從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實(shí)現(xiàn)了分散控制。現(xiàn)場(chǎng)總線FCS是一種全分布控制系統(tǒng)，以CAN總線為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的變電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有高度的開放性、戶操作性等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，效果顯著。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN總線 變電站 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是變電站自動(dòng)化監(jiān)控管理的重要設(shè)備，它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)等技術(shù)于一身，同時(shí)具有監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、保護(hù)、故障錄波、小電流接地選線、低頻減載等多種功能，并且可以根據(jù)需要，附加其他功能。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線（FCS）的逐步發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線也廣泛運(yùn)用到變電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)中去，它在減少系統(tǒng)纜線，簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝、維護(hù)以及管理方面所表現(xiàn)出的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，收到越來越多的關(guān)注。

1、 現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全分布控制系統(tǒng)，基特性具有：開放性、互操作性與互用性、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性等特征。目前，總線種類較多，其中影響比較大的主要有如下幾種：

1.1、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF。FF（基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線）是Fieldbus Foundation的簡(jiǎn)稱。采用了ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。它有Hl和H2兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。Hl是低速總，傳輸速率為31.25Kbp，H2為高速總線，傳輸速率1MbpS和2.5Mbps，其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼，物理傳輸介質(zhì)采用雙絞線、電纜、光纖和無線電，協(xié)議符合IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF主要應(yīng)用于過程自動(dòng)化領(lǐng)域。

1.2、LonWorks。LONWORKS（局部操作網(wǎng)絡(luò)），LON是LocalOperationNetwork的簡(jiǎn)稱。1991年美國ECHERON公司推出該產(chǎn)品。LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部7層通信協(xié)議，其技術(shù)核心是綜合通信、控制功能于一體的Neuron芯片，該芯片封裝了LonTalk協(xié)議，并且集成了3個(gè)8位處理器，分別負(fù)責(zé)介質(zhì)訪問、網(wǎng)絡(luò)處理及應(yīng)用處理。傳輸介質(zhì)采用雙絞線、同軸電纜、光纖、紅外線和電力線等，通信速率在300bPs～l.5MbPs之間，支持節(jié)點(diǎn)數(shù)高達(dá)3200個(gè)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

1.3、PROFIBUS。PROFIBUS（過程現(xiàn)場(chǎng)總線）是ProcessFieldBus的簡(jiǎn)稱。1987年德國聯(lián)邦科技部集中了13家公司和5個(gè)研究所按ISO/OSI參考模型制訂現(xiàn)場(chǎng)總線的德國標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS根據(jù)ISO/OSI參照模型省略了3至6層，增加了用戶層。第一層定義了物理的傳輸特，第二層定義了存取協(xié)議，第七層定義了應(yīng)用功能。PROFIBUS在用戶層引進(jìn)了功能模塊 （FB）、對(duì)象字典（OD）和設(shè)備描述語言（DDL），允許用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行完全的內(nèi)部操作，從而可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操縱性。PROFIBUS以O(shè)SI模型為基礎(chǔ)，包含PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA。DP型定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，主要應(yīng)用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域，F(xiàn)MS定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，在樓宇、低壓開關(guān)等普通自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣，PA型采用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，遵從IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)，專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)。其通信介質(zhì)為雙絞線和光纖，傳輸速率在9.6kbPs～12MbPs之間，最多可掛接127個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.4 CAN總線。CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）是ControllerAreaNetwork的縮寫。是由德國BOSCH公司開發(fā)的控制局域網(wǎng)，具有很高的可靠性、支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線采用了ISO/OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。通信介質(zhì)支持雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps/40m，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110，相比于其他總線，CAN可靠性高、鏈路簡(jiǎn)單、配置靈活、芯片資源豐富、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的運(yùn)用。

2、采用CAN總線的變電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)

某10kv變電站是全戶內(nèi)式變電站，采用雙回路進(jìn)線，互為冗余。主變?nèi)萘?×1 600 kVA（干式變壓器），10 kV出線6，400 V出線63，要求按無人值班變電站設(shè)計(jì)，采用綜合自動(dòng)化方案。

2.1、系統(tǒng)功能要求

根據(jù)需要，除了設(shè)置一般的現(xiàn)場(chǎng)總線綜合自動(dòng)化系統(tǒng)所需必要的與調(diào)度站的通信功能以及畫面顯示及打印功能外，還根據(jù)變電站的需要，設(shè)置如下主要功能：

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理功。即通過各測(cè)控單元對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流模擬量、脈沖量、溫度量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理，然后在測(cè)控單元對(duì)其進(jìn)行必要的預(yù)處理，送往總控計(jì)算。

報(bào)警功能。即能夠?qū)ψ冸娬镜倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)部分設(shè)備出現(xiàn)異常，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，同時(shí)，在CRT顯示屏上自動(dòng)推出報(bào)警畫面，為工作人員處理事故提供參考依據(jù)。

控制調(diào)節(jié)功能。這主要是指對(duì)斷路器、隔離開關(guān)、電容機(jī)組的投切、測(cè)控單元的遠(yuǎn)投及遠(yuǎn)動(dòng)復(fù)位等進(jìn)行自動(dòng)控制，并對(duì)主變壓器的溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)管理記錄功能。即對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)的主要設(shè)備的正常和非正常運(yùn)行或操作進(jìn)行自動(dòng)記錄，如自動(dòng)記錄斷路器的操作次數(shù)、主變壓器的溫度、電容器自動(dòng)投切等。

自診斷、自恢復(fù)以及自動(dòng)切換功能。即系統(tǒng)能夠?qū)ψ陨淼挠布?、軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)出現(xiàn)的故障能夠自動(dòng)診斷，并給出診斷信息，以便為工作人員的檢修提供可靠依據(jù)。同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)槟撤N原因而死機(jī)，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)軟硬件的自動(dòng)恢復(fù)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2、通訊網(wǎng)絡(luò)

在這個(gè)系統(tǒng)中，采用的是CAN總線技術(shù)，上位機(jī)與中央總控裝置采用RS232串行通信，中央總控裝置與各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間采用CAN總線通信，這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間互不影響，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，因此，系統(tǒng)可靠性高，易于擴(kuò)展，層次分明，便于維護(hù)。系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)如下圖所示

2.3、系統(tǒng)硬件設(shè)置

該系統(tǒng)是由控制器通過CAN總線相連而組成的控制器局部網(wǎng)，因此CAN總線的設(shè)計(jì)就顯得極為重要。其中，CAN控制器的選取、CAN收發(fā)器以及抗干擾措施將成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前，市場(chǎng)上CAN總線器件主要有兩種，一種是集成CAN標(biāo)準(zhǔn)模塊的單片機(jī)，另一種是獨(dú)立的CAN控制器，前者具有電路接口相對(duì)簡(jiǎn)單，外圍電路少等優(yōu)點(diǎn)；后者性能的擴(kuò)展性比前者要好，但是外圍線路相對(duì)復(fù)雜。

為滿足系統(tǒng)功能需要，使得系統(tǒng)具有更好的可拓展性，設(shè)計(jì)以獨(dú)立CAN控制器SJA1000來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，整個(gè)線路的主要組成部分為SJA1000、CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250以及高速光電耦合器6N137。 SJA1000通過高速光耦6N137后與82C250相連，這樣，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)被相互隔離，能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同時(shí)，為了使得82C250免受過流的沖擊，82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)5-10Ω的大功率電阻與CAN總線相連，另外為了濾除總線上的高頻干擾，在CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個(gè)30 nF的小電容。另外，電磁兼容領(lǐng)域中主要的干擾為瞬變干擾，它具有持續(xù)時(shí)間短，脈沖幅值能量大的特點(diǎn)，容易造成給電氣設(shè)備的損壞安全運(yùn)行，因此，在82C250的Rs腳上有一個(gè)電阻能在16～140 kΩ之間進(jìn)行調(diào)整的斜率電阻。

2.4、軟件流程

以CAN總線設(shè)計(jì)變電站自動(dòng)控制系統(tǒng)，一方面系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，另一方面，用戶的發(fā)送及接受程序也比較簡(jiǎn)單，如下圖所示：

在發(fā)送時(shí)，用戶只需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式組合成一幀報(bào)文，送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可。接受過程相對(duì)來說復(fù)雜一些，SJA1000報(bào)文的接收主要有2種方式：中斷接收方式和查詢接收方式，兩種方式的編程思路大體相同，無論采用哪種接受方式，都需要對(duì)總線關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接受溢出等情況進(jìn)行處理，在實(shí)際應(yīng)用中采用查詢接受方式。

3、結(jié)語

變電站自動(dòng)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了全分布式管理，系統(tǒng)具有高度的開放性、互操作性、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且智能化程度也大大提高。在這個(gè)系統(tǒng)中，采用CAN總線協(xié)議設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，有效解決了變電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中的通信問題，系統(tǒng)的可靠性穩(wěn)定性大大提高，在實(shí)際應(yīng)用中，效果顯著。