（通信与信息系统专业论文）基于can现场总线技术的电力参数远程监测系统的研究.pdf

摘要 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的 通信网络。它是计算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开 放式和分布式的新模式。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。 近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，电力系统自动化技术 也得到了迅速发展。而电力参数远程监测管理则是实现电力系统自动化的关键。伴随 着现场总线技术的迅速发展以及在许多领域中的广泛应用，二者的结合成为必然的趋 势。 本文正是在这种形势下，结合一个电力系统方面的课题，对基于c a n 现场总线技 术的电力参数远程监测系统进行了深入的研究： 1 、重点考虑了电力行业对保护的特殊性和测控的实时性要求，总体电路摒弃了 传统的m p u 结构，采用了先进的d s p 结构。由于采用了数字滤波算法，并率先在底 层装置中实现了高达1 2 8 点的快速傅立叶变换算法( f f t ) ，克服了传统装j 置采用积分 或点数较少的f f t 算法所带来的缺点，大大提高了系统的测量精度和抗高次谐波干 扰的能力。 2 、采用c a n 现场总线技术，由于c a n 总线结构作为无主网络，具有增减节点非 常方便的优点，突破了传统的电力自动化领域中d c s 系统通信封闭的缺陷。 3 、探讨了c a n 总线协议和高层协议之间的互联和转换，运用软件通用内部数据 格式的方法，实现了专用网关的协议转换设计并用路由表完成了地址变换，用与应用 系统无关，有关的报文长度转换技术和流控制技术解决了数据帧格式转换问题。 最终，本文从硬件以及软件上开发了一个具体的r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 系 统，它基于c a n 网，以d s p 芯片为核心，实现了电力参数实时远程监测。 关键词：现场总线；d s p ；f f t ；电力参数；r t u a b s t r a c t f i e l d - b u si sak i n do f d i g i t a l ，b i d i r e c t i o n a l t r a n s m i s s i o na n dm u l t i b r a n c h c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hc o n n e c t si n t e l l i g e n te q u i p m e n ta n da u t o m a t i cs y s t e m i ti s t h e p r o d u c t i o n o fs y n t h e s i sa n d i n t e g r a t i o n o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c l m o l o g y i t sa l lo p e na n dd i s t r i b u t e dn e wp a t t e r na n daf o c u so f a u t o m a t i z a t i o n i nr e c e n t y e a r s ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o - e l e c t r i c t e c h n i q u e ，c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea u t o m a t i ct e c h n o l o g yo f e l e c t r i cp o w e rh a s b e e nd e v e l o p e dr a p i d l yt o o r e m o t em o n i t o r i n go fe l e c t r i cp o w e rp a r a m e t e r si st h ek e y t e c h n i q u et or e a l i z ea u t o m a t i cm a n a g e m e n to f e l e c t r i cp o w e r s y s t e m f o l l o w i n gt h er a p i d d e v e l o p m e n t o ff i e l d b u s t e c h n o l o g y a n dw i d e a p p l i c a t i o n i nal o to ff i e l d s ，t h e c o m b i n a t i o no f t h et w ob e c o m e st h ei n e v i t a b l et r e n d u n d e rt h es i t u a t i o n ，b a s e do no n es u b j e c to fp o w e r s y s t e m ，ar e m o t em e a s u r e m e n t s y s t e m o fe l e c t r i cp o w e rp a r a m e t e r sb a s e do nc a nb u sh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r 1 t h ep a r t i c u l a r i t ya n dr e a l t i m ec h a r a c t e rh a v eb e e nc o n s i d e r e de m p h a t i c a l l y t h e o v e r n l d e s i g n h a sa b a n d o n e dt r a d i t i o n a lm p us t r u c t u r e ，a n da d o p t e da d v a n c e dd s p s t r u c t u r e i ta d o p t e df i g u r es t r a i nw a v ea l g o r i t h ma n dr e a l i z e d1 2 8p o i n tf f ta l g o r i t h m ， o v e r c a m et h e s h o r t c o m i n g o ft r a d i t i o n a l a l g o r i t h m ，i m p r o v e ds y s t e m m e a s u r e m e n t p r e c i s i o na n d t h ea b i l i t yo f r e s i s t i n gh i g h t i m e so f i n t e r f e r e s g r e a t l y 2 i ta d o p t e dc a nf i e l d - b u s t e c h n o l o g y b e c a u s ec a n b u ss t r u c t u r eh a st h ea d v a n t a g e o f i n c r e a s i n ga n dd e c r e a s i n gn o d e sw i t hv e r yc o n v e n i e n t l y , i tb r e a k st h r o u g h d c s s y s t e m d e f e c to f c o m m u n i c a t i o ni nt h e 仃a d i t i o n a le l e c t r i ca u t o m a t i cf i e l d 3 t h ei n t e r c o u n e c t i o na n dc o n v e r s i o nb e t w e e nc a n b u s p r o t o c o la n d t h es e n i o rl e v e l p r o t o c 0 1h a v eb e e ns t u d i e d u s i n gt h em e t h o do f i n s i d ec o b l q o nd a t af o r m a ti a s i d et h e s o f t w a r e ，r e a l i z e dt h ep r o t o c o lo f t h es p e c i a l - p u r p o s eg a t e w a yc o n v e r s i o na n df i n i s h e dt h e a d d r e s st ov a r yw i t ht h er o u t et a b l e w i 廿1p a c k e tl e n g t hs w i t c ha n df l o wc o n t r o lt e c h n o l o g y , i ts o l v e dt h ec o n v e r s i o np r o b l e mo fd a t af r a m e f i n a l l y , t h i sp a p e rd e v e l o p e dac o n c r e t er t u f r e m o t et e r m i n a lu n i t ) s y s t e mf r o m h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dr e a l i z e dt h er e a l t i m er e m o t em e a s u r e m e n to fe l e c t r i cp o w e r p a r a m e t e r s k e yw o r d s ：f i e l d b u s ：d s p ：f f t ；e l e c t r i c p o w e rp a r a m e t e r s ；r t u 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：盗叁扭2 呖年5 月2 8 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：豳盔盘拯湖弓年 ；月2 3 曰 l 河海大学硕士学位论文基于c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统的研究 第一章绪论 电力参数远程监测技术是将数据采集、远程传输和智能化信息处理应用于电 能供用与管理的项综合性新技术。它集电测技术、现场总线技术、计算机技术、 通信技术、用电管理技术于一体，具有速度快、精度高、实时性好等突出优点， 给电能管理的现代化带来了新的希望。目前，美国、欧洲等发达国家已把电能质 量的远程监测技术广泛应用于配电管理。我国对此技术的研究与应用起步较晚， 但发展迅速。随着电力市场管理改革的不断深入，对电力参数远程监测技术的研 究必将成为热点与方向。 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 电力参数监测的意义 电力行业是国民经济的大动脉，在我国的现代化建设中起着举足轻重的作 用，而电能质量则是一个非常受关注的问题。电网的电流、电压过低，设备将 不能充分发挥其功效，甚至不能正常工作。反之，如果过高，将会大大缩短设 备的使用寿命。频率的波动，不仅使过多的电能转换为热能而白白浪费掉，而 且更严重的是有可能损坏设备。如果电网的功率因数过低，则发电厂的电力不 能得到充分利用，电网调度监视电网功率因数，可以实时控制无功功率补偿， 以保证发电能力的充分利用。所以为确保电网的长期、高效和安全运营，实现 电力参数的实时监测已势在必行。 电力系统自动化主要的功能是对电力系统运行状况进行监视、保护与负荷优 化分配控制。对电力参数的实时监测为实现安全、优质、经济运行的目的提供依 据，是电力系统自动化中最基本的要求，也是电力系统高度自动化的一个重要方 面。当前能够实现电力参数监测功能的设备是电力系统中的远动装置( r t u ， r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 。 电力远动装置( r t u ) 是一种计算机智能化的产品，广泛应用于电网调度自动 化监控系统，承担各种远动信息的“上传下达”工作，是电力系统实现远方数据 采集与监控的重要设备。该装置通过对输变电线路及设备的交流电压、电流的实 时数据采集，自行计算出功率、电度、功率因数、频率等参数。同时也具备遥信、 遥测、遥控、遥调功能和数据传输功能，完成现场数据采集测量和监控功能。 河海火学碗，l ：学位论文基十c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统的训f 究 1 1 2 现场总线引入的重要性 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机和计算机 网络系统得到了迅速的发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，还采用一 对一连线的模拟信号，或自封闭的集散系统进行测量控制，难以实现设备之间以 及系统与外界之间的信息交换，使得自动化系统成为“信息孤岛”0 1 。 因此，要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种 能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络， 完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场 与外界的信息交换。现场总线( f i e l d b u s ) 就是在这种实际需求的驱动下应运而生 的。它是现场智能设备之间的互联通信网络，沟通了生产现场控制设备之间及其 与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的“信息孤岛”创造 了条件。 现场总线控制系统( ( f c s ) 是一种开放的分布式控制系统，它突破了集散控制 系统中采用专用网络的缺陷，把专用封闭协议变成标准开放协议。同时，它使系 统具有完全数字计算和数字通信能力。结构上，它采用了全分布式方案，把控制 功能彻底下放到现场，提高了系统可靠性和灵活性。 控制系统在经历了组合式模拟控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制 系统后，发展到了当前现场总线控制系统和开放嵌入式网络化控制系统阶段。控 制系统发展呈现出向分散化、网络化、智能化发展的方向。控制系统正由封闭的 集中体系加速向开放分布式体系发展，控制界正在向网络化转变 3 1 s l 。 1 1 3d s p 在电力行业中的应用 自从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初诞生以来，d s p 芯片得到了飞速发展。d s p 在诸多领域取得了广泛而深入的应用，其在电力系统中的应用相对较晚然而却有 着广泛的应用前景。随着电力系统的快速发展，电力网容量不断增大，结构日趋 复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要。 由于电力参数监测系统具有数据采集路数多、瞬变的多输入输出等特点。为 保证其安全运行，需要实时的监控各节点的运行状况，及时发现电力系统的不正 常状态，并快速的进行控制和处理。这就要求在各个节点都有数据采集单元，将 测得的参数转变为数字量，进行分析和控制，就地快速解决问题。电力系统对数 据处理的实时性要求很高而且数据量较大，包括频率、电压、电流、功率、谐波 分量等，普通的微处理器不能适应要求，而d s p 正可以发挥其快速强大的运算 和处理能力，满足了电力系统监控的实时陛和处理算法的复杂性等要求【”j l ”j l “j 。 河海人学f | 丘i 卜学位论文挂于c a n 现场总线技术的i b 力参数远程监删系统的研究 d s p 芯片在电力系统中的应用主要有： 1 ) 信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分 析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等； 2 ) 通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、纠错编码等； 3 ) 仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环等； 随着d s p 芯片性能价格比的不断提高，可以预见d s p 芯片将会在该领域内 得到更为广泛的应用。 1 1 4 课题研究的现实意义 工业现代化，很大程度上意味着工业生产自动化。工业生产自动化最终目的， 就要最大限度的提高工业生产的效益。我们面临的是一个信息化的时代，市场竞 争十分激烈，现场总线技术在工业生产自动化中的应用和推广，无疑将加快我国 工业现代化的前进步伐，提高我国工业企业的综合竞争能力。从局部着眼，目前 我国电力行业正处在一个蓬勃发展的阶段，生产改造的工作也正在积极展开，而 我国电力行业要与国际接轨，跻身世界先进行列，提高电力生产部门的经济效益 和整体效益，采用新技术和新系统则势在必行。 目前现场总线控制系统在国内，尤其是在电力行业的应用还不够广泛，原因 之一是目前d c s 在电力生产部门还是占有绝大多数，短期内无法实现与f c s 的 切换；二则目前高校、科研院所对现场总线及f c s 技术从研究开发到应用均处 子起步阶段，f c s 在电力生产部门应用不多，应用与开发的技术很不成熟，在认 识和经验方面有很大的欠缺，需要在研究和实践中不断探索、不断总结经验，将 f c s 的技术和应用逐步完善起来。 有鉴于此，本文将围绕基于c a n 现场总线和d s p 技术的电力参数远程监测 系统的研究展开论述，期望在上述方面能做点有益的探索。 1 2 国内外远动装置的现状和发展 电力远动监控是8 0 年代末首先由美国而后是其它工业发达国家逐步发展起 来的技术。目前国内外在远动装置( r t u ) 方面的研究应用基本上处于同一水平， 大多用r s 4 2 2 r s 4 8 5 总线通信连接方式。其发展经历了三个过程。 1 、传统的一般r t u 系统 对于这种模式，各电气参数通过各自的变送器转换为统一标准的电信号，送 进r t u 以实现y c ( 遥测) ，开关接点则直接接入r t u 的开关量通道以完成y x ( 遥 信) ，r t u 送出的开关接点信号接入电站控制回路并完成y k ( 遥控) 。 这种模式是集中控制方式。测量不同的电气参数则需安装对应的变送器，且 河海大学硕士学位论文 基于c a n 现场总线技术的电力参数远程临测系统的研究 所有信号电缆( y c ，y x ，y k ) 均需引至r t u 屏。现场改造及铺电缆工作量相当大。 2 、基于r s 一4 2 2 1 4 8 5 总线方式的r t u 系统 随着微机技术的发展及算法的改进，目前许多r t u 摈弃了各电气量专用变送 器，采用了交流采样技术，即采用c t ( 电流互感器) 、p t ( 电压互感器) 将u ，i 按统 一标准变换，r t u 直接对它们输出的瞬时值进行采集，并计算出线路相应的电 气参数，从而省去了变送器。 目前大多数系统中，模块之间的数据通信总线多采用r s 一4 2 2 r s 4 8 5 。这种 模式是采用面向对象的分布式设计，使电力系统自动化的设计简化，功能增强、 结构紧凑、施工维护方便。 但这种模式不足之处是，不同厂家的产品有不同的通信规约，因此不同厂家 产品不能即插即用，还需由用户做连接开发工作。 3 、基于现场总线的r t u 系统 随着现场总线技术的发展和广泛应用，r t u 系统与现场总线技术的结合成 为必然的趋势。 这种r t u 系统之间由计算机网络连接。它们之间的数据交换由网络的厂商 提供的网络通讯协议完成。不同的r t u 系统只要符合该网络的要求就能够上网， 也就意味着不存在通信连接开发的问题了。与传统的自动化系统相比，基于现场 总线的电力自动化系统，除了具备面向对象的i o 系统的一般功能外，最重要的 特点就在于每一个系统以现场总线的角度而言，它均为一个网络“节点”。 目前国内外这方面的应用还处于起步阶段。 1 。3 课题研究的内容 本课题研究开发基于c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统，作为面 向对象的分布式电力自动化系统中的一种新型电力远动装置( r t u ) 。 它结合最新的c a n 现场总线技术、高性能数字信号处理器( d s p ) 技术、 高精度电力参数a d 转换，通过采集三相三线供电线路的交流电压蚧、和 电流f 。、之，利用交流算法计算出电流、电压、有功功率、无功功率、有功电 度、无功电度、功率因数、视在功率等电力参数。同时，通过c a n 现场总线与 上位机或s c a d a ( 数据采集和监视控制) 系统交换数据。 装置的开发综合了计算机、检测、通讯和自动化的专业技术，适用于电力系 统的多种规约，满足电力自动化的要求。 本系统的主要特点有： 河漪，( 学硕士学位论文基于c a n 蜕场总线技术的电力参数远程监测系统的研究 l 、底层网络采用c a n 现场总线，增强了系统组网的开放性和通信的可靠性； 2 、c a n 删络的物理结构和逻辑结构相互独立，因此网络维护方便，用户可以 方便的增删节点而不影响其它节点：同时，系统在网络中断或内部通信故障时， 节点可独立的继续工作，有较强的适应性和通用性； 3 、现场节点以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核一心处理器，软硬件设计充分利用其功能特性， 满足现场控制节点所需具备的智能性要求； 4 、系统应用软件结构模块化，具有较好的可扩展性和易维护性； 5 、提供功能强大的人机交互界面，为用户操作提供了便利条件； 6 、系统设计既考虑到了对以往产品的兼容性，又具有良好的发展前景。 本文完成的主要工作： 1 、了解国内外在电力参数实时监测方面的发展与现状，对电力自动化系统中现 场总线技术的应用进行了深入的研究和探讨； 2 、对交流计算理论进行分析与补充，并且使之工程化； 3 、开发出一种新型的电力远动装置( r t u ) ，它基于c a n 网，以d s p 芯片为核 心，能实现电力参数实时检测，以及远程监控等功能； 4 、实现了电力参数监测数据直接上网传输功能，为实现p c 机上的高级分析软 件提供数据，而具体的高级分析方法( 比如小波分析、神经元网络等) 不作论述。 5 、提出了构建一个统一的全球数据和控制网络的思想，将基于现场总线的 i n f r a n e t ( 本地控制网) 、i n t r a n e t ( 企业网) 和i n t e m e t 相融合，完成了现场总线协议 和高层协议的转换，实现了不同网络的系统互联。 河簿大学硕士学位论文基于c a n 现场总线技术的电力参数远程! # c 测系统的研究 第二章现场总线技术与电力自动化系统 随着计算机技术、微电子技术和通信技术的飞速发展，信息交换沟通的领域 正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次。信息技术的飞速发 展，引起了工业控制领域发生了一次新技术的变革，使得传统的控制系统( 如d c s ， d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，逐 步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，现场总线( f i e l d 。b u s ) 技术 就是在这种新的变革中孕育而生的儿3 1 。 2 1 现场总线简介 根据国际电工委员会( i e c ) 和美国仪表协会( i s a ) 的定义，现场总线是连接智 能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网络。 它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它构造了网络 集成式全分布控制系统，同时它又是一种低带宽的底层控制网络，是 c i p s c i m s ( 计算机集成过程系统计算机集成制造系统) 的最底层。 现场总线导致了传统的控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分 布控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线控制 系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，其控制功能由过去的控 制室设备变为智能现场仪表来承担。控制功能分散化、全数字化就有可能组成大 型的开放式控制系统，进而实现从最高决策到最低设备层的综合管理和控制。 2 2 基于现场总线的分布式控制系统 控制系统经历了从封闭到开放，从单点控制、组合式模拟控制系统、集中式 数字控制系统、集散式控制系统，发展到当前现场总线控制系统和开放嵌入式网 络化控制系统阶段。其网络控制结构也相应的经历了集中式、阶梯式和分布式的 演化过程，控制系统发展呈现出向分散化、网络化、智能化发展的方向【2 】。以下 将对控制系统的各发展阶段的特点作一介绍，进而说明现场总线的特点和优点所 在，并给出了基于现场总线的分布式控制系统体系结构。 2 2 1 控制系统发展演变过程 基地式气动仪表控制系统：安装在生产现场，只具备简单测控功能，各测控 点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，单点控制。 t 【l j 海人学顸士学位论文基于c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统的研究 电动单元组合式模拟仪表控制系统：出现了集中控制室，生产现场点的参数 通过统一的模拟信号传送到集中控制室：模拟信号传递要一对一的物理连接，信 号变化缓慢，提供计算机速度、精度开销难度均很大，抗干扰能力差。 集中式数字控制系统：用数字信号替代模拟信号传输到控制室，用一台数字 式计算机来进行集中控制，一旦计算机出现故障则造成所有控制回路瘫痪。 集散式控制系统( d c s ) ：集散式控制系统( d c s ) 针对集中式控制系统风险集 中的弊端，把一个控制过程分解为多个子系统，由多台计算机协同完成，采用阶 梯式控制结构。现场级的控制单元( p l c 、m c u 等) 与现场设备用电缆连接，采用 标准4 - 2 0 m a 模拟信号传输；中央控制单元( c p u ) 与现场级控制单元之间采用 r s 一2 3 2 4 8 5 等专用非开放协议通信。它是一种模拟数字混合系统。 新型的现场总线控制系统f 6 j ：突破了d c s 系统中通信封闭的缺陷，是基于 公开化，标准化的解决方案，将集散的控制结构变成了新型的全分布结构，它是 在d c s 基础上连续发展起来的，但它已超出了d c s 的框架，是一次质的跳变。 它打破了传统控制的一对一的设备连接，而将控制模块置入现场设备，其全部功 能在现场完成。 2 2 2 现场总线分布式控制系统网络体系结构 控制系统的网络体系结构也相应的经历了集中式、阶梯式和分布式的演化过 程，以万将对几种控制网络结构进行比较后给出现场总线分布式控制系统的网络 体系结构【2 1 9 1 。 集中式控制结构 其特点是对控制系统中的信息统一处理，拥有一个全局数据库以记录系统的 各种控制活动，每一个控制实体都与中央处理单元独立连接。随着控制系统变得 越来越复杂多变，响应速度慢、可靠性差、可扩展性差等都成为其难以克服的主 要矛盾。 阶梯式控制结构 d c s 控制系统采用的是阶梯式控制结构，其结构如图2 1 a 所示。d c s 采用 主从式分层控制策略，各层有各自特定的功能。与集中式控制结构相比，阶梯式 控制结构有许多优点：如其阶梯式的数据库结构使得整体的数据量比集中式控制 系统大大减少；具有各自特定功能的单元在响应口令和相互通信时有更大的灵活 性。尽管如此，它也有一些固有的缺陷：如上层故障会造成下层控制的整体瘫痪： 设备布置的改变会影响到整个控制系统；由于通信延迟往往使上层决策滞后于下 层状态的变化而造成控制失误等。 分布式控制结构 河海大学埘士学位论文基于c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统的训f 究 现场总线采用分布式网络控制结构和总线式连接。从总体上来看，分布式结 构自若干个相互独立又相互关联的实体组成，各实体在系统中的地位处于同一层 次上，享有充分的“自治权”；而且，分布式系统通过增强各实体单元的智能与 自治权，使信息及控制局域化，从而降低了系统的复杂性，大大提高了系统的可 扩充性、容错性和可靠性。 图2 1 b 所示是基于现场总线的分布式控制系统的示意图，现场总线将各种 现场信息传送给监控计算机，通过生产管理计算机与上层网络相连。它把现场设 备的各种运行参数、运行状态信息及故障信息送往监控计算机和其他现场设备， 同时又将各种控制、维护、组态命令送往各相关设备，建立了生产过程现场及控 制设备之间、现场设备与更高控制管理层之间的联系。 服务器 中央控制室 控制单元 面糙 一十 甄砺一 圄国 现场设备现场设备 a 集散系统网络结构 1 口li 口i 设备层丁一一设备层 、一一i + + 丁一一1 + 豳团团鲴 现场智能设备 b 现场总线控制网络结构 图2 1d c s 网络结构与f c s 网络结构对比图 2 2 3 现场总线分布式控制系统的特点 现场总线是3 c 技术：计算机、通信、控制的融合。现场总线技术的特点可 以简单概括为：信号传输全数字，控制功能全分散，标准统一全开放。与d c s 等传统的系统相比，现场总线( 系统) 在本质上具有以下技术特点p j ： 底层现场通信网络化 现场总线将通信线延伸到工业现场。现场总线完全适应于工业现场环境，能 够很好的满足实时性，可靠性的要求。现场总线通过一根通信线将所需的各个现 场设备互相连接起来，即用一根通信线直接互连几个现场设备，从而构成了现场 设备的互连网络。 面鹩 河海大学硕士学位论文基于c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统的研究 数字化 现场总线是数字通信网络。在现场总线系统中，同层的和不同层的总线设备 之间均采用数字信号进行通信。而传统的d c s 则是半数字化，只在操作站与控 制站之间是数字化通信，而现场仪表与控制站中的输入输出单元之间采用的是 一对一的模拟信号。 开放性 现场总线是开放互连网络。现场总线标准、协议、规范是公开的，所有制造 商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同 层次网络互连，而不管其制造商是哪一家，用户可共享网络资源。而d c s 是各 厂家形成封闭系统，导致不同厂家的设备不能进行互联。 分散性 现场总线是结构与功能高度分散的系统。结构上，采用了全分布式方案，设 备之间可实现点对点、点对多点或广播等多种方式通信；功能上，连接到总线上 的现场设备是智能化的，且具有按照现场总线协议、规范进行数字通信的能力， 能够实现测量、控制、通信的一体化。 现场总线废弃了d c s 的控制站及其输入，输出单元，从根本上改变了d c s 集中与分散相结合的集敞控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这 一途径，实现了彻底的分散控制。 互操作性与互换性 一 互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可 统一组态； 互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换。现场总线中现场设 备的互操作性与互换性是d c s 无法具备的。 可靠性、可维护性和经济性 现场总线控制系统采用数字总线式通信线路代替传统d c s 中一对一的i o 连线，对于大规模i j o 系统来说，减少了由连线带来的不可靠，同时降低了布线 成本，与传统d c s 技术相比，可节省电缆、调试、维护成本4 0 以上1 9 】。 2 3 现场总线控制系统的发展趋势 现场总线国际标准i e c 61 1 5 8 中包含的8 种类型的总线和其他的一些使用广 泛的总线在今后一段时间内将共同发展且相互竞争。随着现场总线技术的应用日 益广泛以及现场总线国际标准的加紧制定，现场总线技术正迅速的发展。目前， 国际、国内现场总线的发展主要呈现出以下几种趋势( 3 l 7 j ： 系统的开放性 河海火学坝i 。学位论义基于c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统的研究 系统通信协议一致公开，使不同厂家的设备之间可实现信息交换，建立统一 的工厂底层网络系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统，使多种总 线共存于一个系统之中。多种总线共存的局面在一个很长时间内存在仍是无法避 免的，为了适应各种不同现场总线协议，必须实现各种现场总线控制系统的集成。 f c s 与d c s 网络集成 由于f c s 较传统的d c s 优势明显，因此f c s 将逐步代替d c s ，而d c s 应 用广泛，技术成熟，并且具有丰富的监控协调管理功能，在现有技术条件和市场 情况下f c s 不能完全取代d c s ，这使控制系统进入d c s 向f c s 过渡的混合控 制系统的时代。这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适应于更广泛的富于 实用价值的应用。其方法有f c s 于d c s 系统i o 总线上的集成、d c s 系统网络 层的集成以及f c s 通过网关与d c s 系统并行集成。将现场总线技术引入到d c s 中使用户有更多的选择，以实现更合理的控制系统，从而也会给用户带来更大的 收益。 嵌入式i n t e m e t 随着i n t e r n e t 技术的不断成熟，i n t e m e t 已成为企业管理层的主导网络，基于 t c p i p 协议的以太网逐渐渗入社会生活的各个角落，并开始延伸到工业设备现 场。 随着制造工艺的进步，智能控制芯片和智能传感器的成本越来越低，功能却 越来越强大，这不仅解决了嵌入式微控制器与i n t e r n e t 连接的技术问题，同时也 使得这种连接费用降低到工业控制完全可以接受的程度。这种技术的发展促使了 基于嵌入式i n t e m e t 的控制网络的出现，并发展成为一种技术潮流。 在嵌入式i n t e m e t 网络体系结构中，基于t c p i p 的以太网贯穿于控制系统 的各个层次、将台台孤立的现场设备和设备工程师以及企业管理人员均作为一 个网络节点通过以太网有机地连接在一起，形成一个有机的整体，实现了现场设 备到管理层的直接通信，上下贯通直插到底，实现现场级的应用，使设备的控制 与维护由过去那种封闭、各行其是的管理模式逐步向开放、共享、合作的新型管 理模式转变，并最终实现企业控制、管理信息的无缝集成。 2 4 电力自动化领域中网络技术应用研究 从9 0 年代初变电站自动化系统在我国出现以来，电力自动化领域中先后出 现过多种通信方案。这些方案可分为两类：1 、星型通信系统方案；2 、总线型通 信系统方案。 河海人学硕j 学位论文基于c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统的研究 2 4 1 星型通信系统方案 星型通信系统以安装于控制室的站级计算机为中心点，通过通信介质与分散 在每一开关柜上的监控i o 设备和保护设备连接，形成1 ：n 的连接形式1 9 】。星 型通信系统方案的特点是： l 、通常使用光纤作为通信介质，因此具有光通信的高抗干扰性、高安全性 的特点，适合变电站恶劣的电磁环境； 2 、各i o 单元及保护单元都与站级计算机独立通信，可靠性高，可维护性 好； 3 、采用串行通信实现互联，比较简单； 4 、星型连接连线较多，特别是站级计算机端接线较多，施工复杂； 5 、各i o 单元及保护设备之间的横向通信必须通过站级计算机进行，复杂 且效率不高。 2 4 2 总线型通信系统方案 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的，这种方式以一条总线连 接各分散的保护、监控设备及站级计算机，实现各单元的互联【5 】 “。考虑到系统 的可靠性及维护等因素，在变电站内部可以采用两条或多条总线连接各个单元。 总线型通信系统因总线类型的不同在变电站自动化系统中有多种应用形式，常见 的有：1b i t b u s 或r s 4 8 5 方式； 2 l o n w o r k s 现场总线方式； 3c a n 总线方式。 基于b i t b u s 或r s 4 8 5 总线技术的方案 基于b i t b u s 或r s 4 8 5 的通信方案在国内早期的变电站自动化系统中使用 较多，它们使用一个主站对多个从站的通信方式，在应用中存在以下缺陷： ( 1 ) 只能有一个主站，无法实现多主站信息互为备份的冗余设计； ( 2 ) 从站无法主动上送重要信息，实时性较差； ( 3 ) 各从站之间无法直接通信，只能通过主站中继才能相互通信； ( 4 ) 对较小规模的系统，实时性可以得到保证，但随着系统规模的扩大， 系统的实时性能将会急剧降低； ( 5 ) 抗干扰及纠错能力较差，一般只适合在控制室内部使用，不能用于丌 关场或丌关间隔内，即不能适用于分散安装的变电站自动化系统。 为了解决b i t b u s 或r s 4 8 5 系统存在的问题，人们把目光投向了迅速发展 的现场总线技术。由于现场总线技术具有简单易用、组网方便、抗干扰能力强等 特点，很快被国内外电力自动化设备厂商采用。现场总线种类较多，在变电站自 河海人学硕一l 学位论文基十c a n 现场总线技术的l u 力参数远程监测系统的研究 动化系统中使用较多的主要是l o n w o r k s 网络和c a n 总线。 基于l o n w o r k s 网络技术的方案 l o n w o r k s 网络技术是一种强劲有力的现场总线技术。它由美国e c h e l o n 公 司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。 它采用了开放系统互联模型o s i 的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计 方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 到 2 5 m b p s 不等，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通 信介质，直接通信距离可达2 7 0 0 米( 7 8 k b p s ，通信介质为双绞线) 。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称为n e u r o n 的神经元芯片 中。n e u r o n 芯片中有3 个8 位c p u ，一个用于完成o s i 模型中第1 和第2 层的 功能，称为媒介访问控f 5 i j ( m a c ) 处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用 于完成第3 层至第6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、 背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包 等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信 息缓冲区，以实现三个c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 e c h e l o n 公司为l o n w o r k s 技术提供了完整的开发平台，包含l o n b u i l d e r 、 n o d e b u i l d e r 和网络开发语言n e u r o n c 等。n e u r o n c 语言对于不同节点所定义的 变量都可以简单地作为本地变量一样使用，只要给予“捆绑”( b i n d ) 即可。这种 方式大大地简化了网络应用，使开发人员几乎感觉不到是在网络环境下设计程 序，开发人员也不需要关心网络底层通信的细节，这些细节都由封装在n e u r o n 芯片中的l o n t a l k 协议完成。简单易用是l o n w o r k s 技术的一个显著特点。 l o n w o r k s 的通信速率最高可达2 5 m b p s ，考虑变电站内部二次设备分散安 装距离远的特点，可选用7 8 k b p s 的通信速率，此时的通信距离可达2 7 0 0 米，完 全满足中、低压变电站自动化系统在通信速率和通信距离方面的要求。l o n w o r k s 网络技术首先在c s c 2 0 0 0 变电站自动化系统中应用成功，随后国内其它厂家也 开始在他们的变电站自动化系统中使用l o n w o r k s 网络技术，国外的一些公司如 a b b 在其设备上也留有l o n w o r k s 网络接口。从c s c 2 0 0 0 变电站自动化系统的 应用情况来看，l o n w o r k s 网络作为中、低压变电站自动化系统内部通信网的应 用是很成功的。 基于c a n 总线技术的方案 c a n ( c o m r o t l e r a r e an e t w o r k ) 目p 控制器局域网络，由于其高性能、高可靠性 及独特的设计，越来越受到人们的重视。国外已有许多大公司的产品采用了这种 技术。c a n 最初是由德国的b o s c h 公司为汽车监测、控制系统设计的，现在 世界上一些著名的汽车制造商都开始采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统与 各检测和执行机构间的数据通信。由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前 河海_ = 学顾上学位论文基于c a n 现场总线技术的电力参数远程监测系统的研究 已不再局限于汽车工业，正在向过程控制、机械工业、纺织工业、机器人及传感 器等领域发展。c a n 己经形成了国际标准( i s o l l 8 9 8 ) ，现在很多半导体厂商推 出的c p u 中都内置了c a n 控制器。 c a n 被公认为几种最有前途的现场总线之一，其特点可概括如下： ( 1 ) c a n 为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络 上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息， 利用这一特点可方便地构成多机备份系统： ( 2 ) c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时性要求： ( 3 ) c a n 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， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级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仲裁的时间； ( 4 ) c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全