（电力电子与电力传动专业论文）变电站自动化系统中通信管理及监控保护相关技术的研究.pdf

a b s 拓a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra 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 p p l y i n go ft h en e w t e c h n o l o g yl e a d st ot h eq u i c kd e v e l o p m e n to fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m t h et h e s i sm a i n l y m a k e st h er e s e a r c hw o r ko nt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m bc o m m u n i c a t i o na n dt h es o f t w a r e d e s i g no fd i g i t a lp r o t e c t i o ns y s t e m w i t hap r o j o c t o fk t 2 0 0 0c a r d e do u tt h em a i nc o n t e n to ft h e t h e s i sa r ea sf o l i o w s ： t h et h e s i s a n a l y s e st h e s u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m s i n n e rd a t as t r e a ma n df h e d i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a is u b s t a t i o na u t o m a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do nt h e s e ，t h e t h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h ea p p l y i n go fc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n td e v i c ea n dt h ec a nb u st o s u b s t a t i o na u t o m a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m d i s c u s s i n gt h ep r i n c i p l eo fm a k i n go u tt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o nc o m m u n i c a t i o ns t i p u l a t i o n a n dt h es t i p u l a t i o n sc o n l e n t b a s e do nj f t h et h e s i sd i s c u s s e st h eh a r d w a r ec o n n e c t i o no ft h ec a n b u s t h ed e f i n i t i o no fd a t af r a m ea n dt h es e f f i n go ft h en o d e s f i l t e r s b e i n gc o m b i n e d w i t ht h eh a r d w a r ed e s i g no fk t 2 0 0 0 t h et h e s i sd i s c u s s e st h em a i n h a r d w a r em o d u l e 。i n c l u d i n gt h em i c r o p r o c e s s o rs y s t e mm o d u l e t h em o d u l eo ft h ec a nb u s c o n n e c t i o na n dt h em o d u l eo fl c dc o n n e c t i o n b e i n gc o m b i n e dw i t ht h es o f t w a r ed e s i g no fk t 2 0 0 0 ，t h e t h e s i sd i s c u s s e st h em a i ns o f t w a r e m o d u l e 。i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a mm o d u l e a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mm o d u l e e x c e - p tt h e s e ， t h et h e s i sp u t sf o r w a r ds o m em e a n so fs o l v i n gs o m ep r o b l e m so ns o f t w a r ed e s i g n b a s e do nt h er e f e r e n c et oai o to fa r t i c l e s t h et h e s i sa n a l y s e st h ep r o t e c t i o nt h e o r yo fd e v i c e s i n m i d & l o w - v o l t a g ep o w e rs y s t e m m a i n l yi n r _ j u d i n g t h ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o np r i n c i p l e f o r t r a n s f o r m e ra n dt h es p e c i a l t yt h ep r o t e c t i o np d n c i p l eo f t h o r o u g hs e l f - c l o s e dc i r c u i t s m a k i n gs o m ed i s c u s sa b o u ts o f t w a r ed e s i g no fd i g i t a lp r o t e c t i o n i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so f s h o r td a t aw i n d o wa l g o r i t h m t h ed i s c u s so no n en e w s q u a r er o o la l g o r i t h ma n dt h ed i s c u s so ni h e e f f e c to fs o f t w a r es t r u c t u r et ol h es p e e do f q u i c kp r o t e c t i o n i nt h ee n d ， tc o n c l u d e st h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sa n dr a i s e ss o m er e s e a r c h t o p i c sa f t e ri t k e y w o r d s ： s u b s t a t i o na u t o m a t i o n c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t e q u i p m e n t ，c a nb u s m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n s h o r td a t aw i n d o w a l g o r i t h m n 学位论文独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志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。 关于学位论文使用授权的说明 7 o o v 宇咖 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，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，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名j 夕鸳丛黧结师签名 日期：谚￥7 7 刁 蔓二里些重一一 第一章绪言 1 1 变电站综合自动化概述 变电站综合自动化系统是将变电站二次设备( 包括测景仪袭、信号系统、继电保护、自动装置、 远动装置等) ，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的 主要设备和输电线路的自动监视、测量、控制和微机保护，能够与调度通信。同时也能够与局域、上 级计算机网络兼容，实现综合性的自动化系统“9 。 变电站自动化系统的基本功能主要有：控制、监视功能；自动控制功能；测量表计功能； 继电保护功能：与继电保护有关的功能；接口功能；系统功能。 变电站综合自动化技术经历了四个发展过程： ( 1 ) 传统的变电站运行方式 2 0 世纪8 0 年代早期，变电站的保护设备还是以晶体管、集成电路为主。变电站二次设各均按传统 方式布置：控制屏实现站内监控，保护屏实现电力设备保护，远动设各实现实时数据采集。它们各司其 职、互不相联。 ( 2 ) 远动r t u 方式 2 0 世纪8 0 年代中、后期，随着微处理器和通信技术的发展，利用微型机构成的远动装置( 简称 r t u ) 的功能和性能有很大提高，该方式在原常规有人值班变电站的基础上在r t u 中增加了遥控、遥调功 能，站内仍保留传统的控制屏、指示仪表、光字牌等设备。所有信号由r t u 集中采集，遥控、遥调指 令通过r t u 装置硬接点输出，由控制电缆引入控制回路。与数字保护不能交换信息，保护动作信号仍 需通过继电器接点采集。采用这种方式使二次设备增加，二次回路更复杂。 ( 3 ) 集中式自动化系统 2 0 世纪9 0 年代数字保护技术( 即是微机保护) 的广泛应用，使变电站自动化取得实质性的进展。 2 0 世纪9 0 年代初研制出的变电站自动化系统是在变电站控制室内设置计算机系统作为变电站自动化 的心脏另设置一数据采集和控制部件用以采集数据和发出控伟0 命令。微机保护柜除保护部件外，每 个柜有一个管理单元，其串行口和变电站自动化系统的数据采集和控制部件相连，传送保护装置的各 种信息和参数，整定和显示保护定值，投停保护装置。此类集中式变电站自动化系统结构紧凑、体积 小、造价低。尤其适合3 5 k 7 或规模较小豹变电站，一般结构如图i - 1 所示。 心 图i - 1 集中式自动化结构 ( 4 ) 分散式自动化系统 由于集中式结构存在软件复杂，系统调试麻烦、精度低，维护工作量大，易受干扰，扩容灵活性差 等不足：随着计算机技术、网络技术及通信技术的飞跃发展，同时结合变电站的实际情况，各类分散式 变电站自动化系统纷纷研制成功和投入运行。分散式系统的特点是各现场输入输出单元部件分别安装在 中低压开关柜或高压一次设备附近，现场单元部件可以是保护和监控功能的二合一装置，用以处理各开 关单元的继电保护和监控功能，也可以是现场的微机保护和监控部件分别保持其独立单元部件进行通信 联系- 通信方式大多数通过r s 4 2 2 4 8 5 通信接1 ：3 相连，但近年来推出的分散式变电站自动化系统更多地 采用了网络技术，如l o n o r k s 和c a n 等现场总线型网。分散式面向对象的变电站综合自动化系统由于大 大缩小了主控室的面积，可靠性高，组态灵活，检修方便降低总投资，目前已成为发展趋势。国外分 l 东南大学硕士学位论文 司研制的c s c 2 0 0 0 型、电力自动化研究院深圳自动化研究所研制的i s a l 型、电力自动化研究院电网控制 公司研制的d i s a 型、电力自动化研究院继保所提供的r c s 9 0 0 0 等。 1 2 变电站综合自动化内部通信的发展 随着变电站自动化的深入，自动化系统普遍采用了分散、分层、分布式结构，充分利用网络技术和 通信技术，实现数据共享，充分体现了系统功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能 化的特征，但同时也对变电站自动化系统的各设备之间的通信可靠性提出了更高的要求。 基于r 8 - 4 2 2 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( h o s t ) 对多个从站( s l a v e ) 的通信方式，将保护设备连接在一起，而随着节点的增加。其通信效率明显受到 限制，在应用中存在以下缺陷：采用单主方式，从站无法主动上传重要信息，实时性较差；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：抗干扰及纠错能 力较差，一般只适合在控制室内部使用，不能用于开关场合或开关间隔内即不太适用于分散安装的变 电站自动化系统。 在变电站综合自动化系统中，也有采用计算机局域网的，如n o v e l l 网、以太网、t o k e nr i n g 网 等。但这些局域网( l a n ) 适合于一般作数据处理的计算机网络，其传输容量大，但实时性不高。 目前有些研究单位采用了c a n 总线作为变电站综合自动化系统内部的通信总线，c a n 总线通信方式的 特点可概括如下： 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，利用这一特点可方便地构成多机备份系统： 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； 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； 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等通信方式： 直接通信距离晟远可达l o k m ( 速率小于5 k b p s ) 通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为 4 0 m ) ；网络节点数主要取决于总线驱动能力，目前可达1 1 0 个：报文标识可达2 0 3 2 ；f ( c a n 2 o a ) ，而扩 展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识几乎不受限制； 采用短帧结构，传输时间短，受干扰率低，具有极好的检错效果： 1 3 中低压综合微机保护的发展 电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是电力系统的组成元件数量多，结构情 况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运 行状况。电力系统继电保护装置负有保证电力系统安全可靠工作、有效切除故障的重大使命，随着我国 电力系统向大电网、大机组、大电厂、超高压方向发展，继电保护的发展基本上分为四个时代1 4 , 5 , 6 , 7 1 0 ( 1 ) 电磁式继电保护 采用电磁式继电器的继电保护装置为第一代保护装置。这种保护装置经过了跃期考验，具有一定的 灵敏性和可靠性。主要缺点为：容易发生线圈断线、触点抖动、钟表机构失灵，且体积和功耗丈、调试 复杂、灵敏度低、边沿刻度不准。 ( 2 ) 晶体管继电保护 7 0 年代初期出现了晶体管保护装置，这种保护装置具有重量轻、体积小、功耗低、灵敏度高等优点， 但是也存在一些问题：元件质量羞、焊点多、接线复杂、抗干扰性能差等。 ( 3 ) 集成电路继电保护 第三代继电保护是咀集成电路为主要保护元件。由于集成电路的功能完善、通用性强、整定精度高、 2 第一童绪言 动作离散值小、有良好的返回系数、焊点少、动作速度快等特点。国内不少变电站应用了该类型的保护 装置。 ( 4 ) 微机保护系统 随着计算机制造技术的重大突破，使得以微处理器为核心的微型计算机进入了实用阶段，从而带来 了微机型继电保护的研究高潮。在国内外学者的辛勤努力下，电力系统微机型继电保护得到了迅速的发 展，到9 0 年代的中后期，微机型继电保护装置已经在电力系统中得到广泛的应用。 微机保护的主要优点在于以下几方面： ( 1 ) 灵活性强。由于微机保护装置是由软件和硬件结合来实现保护功能的，因此在很大程度上，不同 原理的继电保护的硬件可以是一样的。换以不同的程序即可改变保护功能。 ( 2 ) 综合判断能力强。利用微计算机的逻辑判断能力，很容易解决常规继电保护中碰到要考虑的因 素太多时，用模拟电路很难实现的问题，因而可以使继电保护的动作规律更合理。 ( 3 ) 性能稳定，可靠性高。微机保护的功能主要取决于算法和乒4 据，也即由软件决定，对于同类型 的保护装置，只要程序相同，其保护性能必然一致，所以性能稳定。 ( 4 ) 微机保护利用微机的记忆功能，可明显改善保护性能，提高保护的灵敏性。例如，由微机软件 实现的功率方向元件，可消除电压死区，同时有利于新原理保护的实现。 ( 5 ) 微机保护利用微机的智能，可实现故障自诊断、自闭锁和自恢复。 ( 6 ) 体积小、功能全。由软件可实现多种保护功能，可大大简化装置的硬件结构，可以在事故后， 打印出各种有用数据。例如故障前后电压、电流采样值、故障点距离、保护的动作过程和出口时间等。 ( 7 ) 运行维护工作量小，现场调试方便。 随着微机保护的发展，组屏式的微机保护结构已逐布发展为分散式微机保护，它可独立安装于开关 柜上。分散式微机保护装置具有保护、控制、测量和通信“四合一”功能，在不影响保护功能的前提下， 能满足配电网自动化“四遥”的要求。 1 4 本论文的主要研究工作 作者在攻读硕士学位期间参与了南京国铁电气公司的k t 2 0 0 0 系统的设计以及调试，k t 2 0 0 0 系统主要 是面向铁路沿线供电的中低压变电站综合自动化系统，该系统在吸收了很多国内外各变电站自动化系统 的基础上，融入了铁路电气系统和配电变电站的特点。k t 2 0 0 0 变电站自动化系统包括微机监控主站、变 电站内部通信管理装置、面向现场设备的现场监控单元等殴备组成，采用纵向分层、横向分布式结构， 模块化设计，可满足不同规模和功能要求的变电站、配电所自动化系统配置要求。系统具备完善的。r 四 遥”功能可实现无人值班或少人值班。 本论文各章节安排如下： ( 1 ) 第二章首先分析了变电站内部通信的数据流、传统变电站内部通信结构以及通 信方式的缺陷，并提出了通信管理机以及现场总线c a n 总线在变电站自动化通信系统中的应用。 ( 2 ) 第三章首先分析了变电站内部通信规约的制定原则以及规约应该包括的内容，基于此，制定 了基于c a n 总线变电站内部通信规约，主要讨论了：c a n 总线接口模式、数据帧结构定义以及通信 网络上节点滤波器的设置。 ( 3 ) 第四章结合k t 2 0 0 0 系统中通信管理机的硬件设计过程，讨论了硬件设计中的各个主要模块。 主要包括徽处理器系统模块、c a n 总线接口模块、串行通信接口模块以及液晶接口模块等。 ( 4 ) 第五章结合k t 2 0 0 0 系统中通信管理机的软件设计过程，讨论了管理机软件设计中的一些主 要模块：主程序模块以及通信处理模块。同时讨论了软件上解决问题的一些方法。 ( 5 ) 第六章参考了相关的资料，讨论了中低压变电站内部一些保护原理。主要讨论了变压器的差 动保护原理、励磁涌流的鉴别方法以及铁路上自闭贯通线路保护的特点。 ( 6 ) 第七章就中低压微机保护软件设计过程中的一些问题进行讨论，主要包括：利用相量法分析 了短数据窗算法的原理以及交流采样算法的选择：讨论了一种新的开平方计算方法；讨论了微机保护 东南大学硕士学位论文 系统的软件结构对快速保护性能的影响。 论文最后对所做的工作进行了总结，并对研究工作提出了不足之处，做了迸一步展望。 4 墨三皇壅皇塑皇垄些塑塑墨笪坌堑一一一 第二章变电站自动化内部通信分析 变电站综合自动化系统实质上是有多个微机组成的分级分布式的控制系统，包括微机监控、微机 保护、电能质量自动控制等多个系统。各个子系统往往也是有多个智能模块组成。因此在综合自动化 内部必须通过内部数据通信实现各子系统内部以及各子系统之间的信息交换和实现信息共享，以减少 变电站二次设各的重复配置和简化各子系统的互连。 2 。1 变电站自动化内部通信数据流 按照i e c t c - - 5 7 国际电工委员会电力系统控制与通信技术委员会的划分，变电站内的设备可划分为 3 个层次； 设备层：为生产过程层，包括开关、线路、变压器、电容电抗器、c t p t 等，即所谓的一次设备。 间隔层：为分散设备层，包括采集、测量、控制、保护、自动装置、故障录波等设各、仪器，即所 谓的二次设备，它们大多能独立完成某种功能，且具有与外部进行数据交换的能力。 变电站层，即站级计算机层，对整个变电站进行安全监视、控制、操作，并与变电站外部进行数据 交换，实现与调度中心的通信及当地控制。 图2 - 1 变电站自动化内部数据流 变 电 站 层 间 隔 层 设 备 层 如图2 1 所示，变电站自动化内部的数据流主要包括三方面，第一是间隔层和管理层之间，存在大 量的数据交换，一方面间隔层内各种智能设各需要把采集到的信息及时上传到当地监控计算机系统并通 过通信处理机送至4 远方控制中心，数据量大，而且实时性、分辨率要求都很高，要求达到秒级或毫秒级； 另一方面，管理层的系统时钟、控制与调节命令、运行参数的整定命令，也要快速下发至各个智能设备。 第二方面是设备层与间隔层之间的数据交换，这部分数据量不是很大，主要是设备层向间隔层提 供运行中的各种i o 信号，以及间隔层向设各层发出的控制、整定命令，但这部分数据要求其传输的可 靠性、安全性很高。 第三方面是间隔层各智能设备之间横向数据交换，这一部分数据量也不是很大，对实时性要求不是 很高。 就目前阶段，处于对电网保护的特别考虑，大都将保护设备设计成独立的装置，保护功能的实施不 依赖于变电站内通信系统的信息交换，同时，为减少系统的复杂性，i o 单元也大都做成完备的独立设 备，它们之间的信息交流也不大。因此，目前变电站自动化系统着重考虑的是第一、第二方面的通信问 题。对于间隔层的智能设备来说，每个设备都有它自己的功能，比如保护、无功补偿、测量控制、录波 等功能，这些功能应该是这些装置的主要功能，通信只是该装置的辅助功能。 东南大学硕士学位论史 2 2 变电站自动化内部通信的特点以及要求 由于变电站的特殊环境和综合自动化系统的要求，使变电站综合自动化系统内的数据网络具有以 下特点和要求： ( 1 ) 快速的实时响应能力：变电站综合自动化系统的数据阿络耍及时传输现场的实时运行信息和 操作控制信息到后台，并且不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大。 经常传输的监视信息：计量用的信息，如有功电能量以及无功电能量，这类信息传送的时间 间隔可以较长，传送的优先级较低：为了刷新变电站层的数据库，需定时采集断路器的状态 信息，继电保护装置和自动装置投入退出的工作状态信息可以采用定时召唤方式； 突发事件的信息：系统发生事故的情况下断路器的位置信号的优先级最高，这种信号要求传 输延时最小；正常操作时的状态变化信息要求及时传送，传输响应时闯要小，自动装置以及 继电保护装置的投入和退出信息要及时传输：故障发生后的故障录波、故障信息以及事件顺 序记录不需要立即传送，待事故处理完再送。 ( 2 ) 可靠性：电力系统是连续运行的，数据通信网络也必须连续运行，通信网络的故障和非正常 _ t 作会影响整个变电站自动化系统的运行。 ( 3 ) 优良的电磁兼容性能；变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、跳闸等强电 磁干扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，数据传输方式必须具有好的抗干扰能力。 2 3 变电站自动化系统内部通信存在的问题讨论 目前有些变电站综合自动化系统采用r s 4 8 5 通信方式实现把变电站层的监控后台和单元层的各种 设备相连，结构如图2 - 2 所示。监控后台为一台p c 机，所有的问隔层设备都挂在同一总线上。 图2 - 2 传统变电站自动化内部通信结构 该种通信方式下主要存在两个缺点： ( 1 ) 轮循时间欧；由于r s 4 8 5 通信方式为主从方式，按照这种结构设计的通信网络，监控后台作 为主节点，间隔层的设备都作为从节点，监控后台获得现场设备的数据都是通过对间隔层设备的轮循 获得的。假设间隔层设备个数为v ，间隔层设备i 的轮循响应时间为l ，报文传输时间为f ，那么轮 循时间丁为： t = 艺( z + 24 )( 2 1 ) 如公式2 - 1 所示，轮循时间r 由间隔层设备数目、间隔层发各响应时间、报文的传输时间决定，同时 还堂警信介质的可靠性决定，如果通信介质的通信可靠性差，报文出错比较多，那么报文的重发过程 必然会降低网络的通信效率。这几个因素中，对轮循时间影响晟严重的是间隔层设备的响应时间，因 第二章变电站自动化内部通信分析 为对于间隔层设备来说，通信功能只是附属功能，对后台的轮循报文响应时间是不定的，有时可能达 到几十个毫秒；假设r s 4 8 5 的波特率为9 6 0 0 k b p s ，平均每个报文为2 0 个字节，那么报文的平均传输 时间就为1 6 m s ：同时随着变电站自动化系统的发展，变电站内部间隔层的各种自动化设备越来越多。 这些原因都导致监控后台对间隔层设备的轮循时间变长。 ( 2 ) 故障信息上传的实时性差；由于间隔层设备所有的信息均由后台的轮循所得，因此故障后主 从通信方式下的轮循时间决定了故障信息的最长传输时间。 2 4c a n 总线概述 c a n 总线是德国b o s c h 公司在8 0 代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换 而开发的一种串行数据通信总线，它是种多主方式通信的总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆 或光导纤维。 2 4 1c a n 总线的特点 控制器局部网c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的 通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下“”： 1 c a n 总线为多主方式工作，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，利用这一特点可方便地构成多机备份系统。 2 c a n 网络上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，商优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输。 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时间， 尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 4 c a n 只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据， 无需专门的“调度”。 5 c a n 的直接通信距离最远可达l o i o i ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达i m b p s ( 此时通信距 离最长为4 0 m ) 。 6 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个：报文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) 。 丽扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制。 7 采用短帧结构，传输时间短。受干扰概率低，具有极好的检错效果。 8 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 9 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 1 0 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。 2 4 ，2 c a n 总线的分层结构 为使设计透明和灵活，c a n 网络结构遵循i s o o s i 标准模型分为两层：数据链路层( 包括逻辑链 路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ) 和物理层。图2 - 3 给出了c a n 网络通信模型。 7 东南大学硕士学位论文 节点a 节点b 酗2 _ 3 c a n 网络通信模型 ( 1 ) 逻辑链路控制子层 l l c ( 逻辑链路控制) 子层的主要功能是：为数据传输和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子 层接收的报文实际已被接受，并为恢复管理和通知超载提供服务。它把应用层的数据加上标识符以及 发送的字节长度封装后传送到发送层，并把发送层的数据解封装后传送数据到应用层。l l c 子层存在 的一定的灵活性。 ( 2 ) 媒体访问控制子层 m a c ( 媒体访问控制) 子层的功能主要是传送规则。它把目标层信息封装并发送到物理层，以及接 收到物理层的信息解封装后传送到目标层。亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障 界定等功能。3 , i a c 子层也要确定，为开始一次新发送，总线是否开放或者是否马上接受，位定时特性 也是m a c 子层的一部分。m a c 子层特性不存在修改的灵活性， ( 3 ) 物理层 物理层是将通信节点连接至总线的电路实现。自然，在一个网络内，物理层的所有节点必须是相 同的ac a n 技术规范2 o b 中，物理层包括位编码解码、位定时及同步等内容，但对总线媒体装置， 诸如驱动器接收器特性未做规定。以便在具体应用中进行优化设计。国际标准i s 0 1 1 8 9 8 中对基于取 绞线的c a n 总线媒体装置特性做了建议。 2 5 变电站自动化内部通信系统的改进 基于上节对变电站自动化内部通信网络存在的问题讨论，提出了两点改进方案。 2 5 1 通信管理机在变电站自动化内部通信系统中的应用 在监控后台和间隔层之间增加通信管理机设备通信系统结构如图2 - 4 所示，在监控后台和间隔 层设备之间增加了通信管理机，通信管理机主要负责衔接变电站层的监控后台和间隔层单元之间的通 信进而增加系统内部通信的实时性。增加了通信管理机之屙，变电站自动化系统内部包括两层通信网 络：监控后台和通信管理机所在的变电站级通信网络，通信管理机和现场的监控保护设备所在的现场 级通信网络。假设在这两层通信网络中都采用轮循方式，系统中包括k 台通信管理机，每个通信管理 机带n k 个间隔层设备，那么通信管理机对间隔层设备的平均轮循时间为： 瓦= ( z + 2 + ) ( 2 2 ) 由于通信管理机主要负责系统通信，因此在变电站级网络中通信管理机对监控后台的轮循过程响 应时间很短r 可以忽略不计，那么后台对管理机所带装置的轮循时间为： 刁= ( 24t)(2-3) ，= i 那么间隔层的实时信息被传送到后台的最大延时为 3 苎三童壅塑苎皂垫堡塑塑望生塑一 瓦。= 五十五 ( 2 4 ) 根据公式2 - 2 ，3 囊所示，如聚管理机的台数越多，那么系统魄轮循时间越短，实对性越赢，同时投 资成本也会升高，实际工程中旋根据系统通信时间的要求选择合适的管理机数目。 图2 - 4 改进后的变电站内部通信系统结构图 2 5 2 现场总线c a n 总线在变电站自动化内部通信系统中的应用 变电站内部通信方式采用c a n 总线，把c a n 总线作为变电站内部通信方式主要利用了c a n 总 线的两个特点： ( 1 ) c a n 的传输速率高，抗干扰性强的特点；根据公式2 - 2 ，3 所示，通过减少通信的传输时间可以 缩短后台对管理机所带装置的轮循时间以及通信管理机对间隔层设备的轮循时间，进而提高通信系统 实时性。 ( 2 ) c a n 总线的多主方式：该通信方式突破了传统的单主通信方式，网络上的所有设备都是主节 点，因此间隔层上的设备可以把对实时性要求高的报文直接传送给监控后台，不需要通过后台的轮循 过程来上传报文。不过在这种方式下，需要解决好报文之闻的冲突问题。 2 6 基于c a n 总线的变电站自动化系统内部通信的数据流 由于c a n 总线的最大通信波特率可达1 m b i t s s ，同时由于中低压变电站内部的间隔层的设备个数 不多在变电站级网络和现场级网络的通信方式都采用现场总线c a n 总线采用的正常通信流程为 轮循方式，轮循方式的实时性没有多主通信方式的高，但是基于高速的c a n 总线的双层通信网络已 经足够满足中低压系统内部信息传输的时间要求，该通信方式下数据流如图2 4 所示。在监控后台、 通信管理机、保护装置之间主要存在如下四种数据流的通信： ( 1 ) 监控后台向通信管理机轮循该管理机所带的间隔层单元的巡检、遥测以及遥信报文，管理机 根据保护装置的地址从指定的空间取出报文井实时传送给监控后台； ( 2 ) 通信管理机向间隔层单元轮循巡检、遥测以及遥信报文，保护装置实时的传送应答报文。通 信管理机把接受到报文存在管理机指定的空间以备监控后台轮循时取走： ( 3 ) 监控后台直接向保护装置发送控制命令报文或者召唤信息掇文，这种通信方式f ， 通信管理机只是起着转发功能。前两种通信流程下，通信管理机作用是作为一个中问存储区。 ( 4 ) 监控后台对所有管理机装置的广播以及管理机对所带的间隔层设备的广播。比如系统的校时 命令报艾。 9 东南大学硕士学位论义 第三章基于c a n 总线的变电站系统内部通信规约的制定 在构造变电站综合自动化系统时( 特别是中高压变电站) ，往往采用多家产品，当把不同厂家的 产品集成时相互之间需要通信，通信数据都必须符合一定的规约，目前有关变电站通信规约主要三类： ( 1 ) 变电站和调度中心之间的传输规约 目前各个地方情况不一，现场大多采用各种形式的规约如c d t 、s c 一1 8 0 1 、u 4 f 、酣p 3 0 等一些规 约。1 9 9 5 年i e c 为了在兼容的设备之间达到互换的目的，颁布了i e c 6 0 8 7 0 5 一1 0 1 传输规约，为了使 我国尽快采用远动传输的国际标准，1 9 9 7 年原电力部颁布了国际1 0 1 规约的国内版本d l t 6 3 4 1 9 9 7 。 ( 2 ) 站内局域网的通信规约 目前很多生产厂家有自己的通信规约，造成不同厂家设备通信连接的困难和以后维护的隐患。i e c 在1 9 9 7 年颁布了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约，国家经贸委在1 9 9 9 年颁布了1 0 3 规约的国内版本 d l t 6 6 7 1 9 9 9 1 0 3 规约为继电保护和间隔层( i e d ) 设备与变电站层设备间的数据通信传输规定了标 准。 ( 3 ) 电力系统电能计量传输规约 对于电能计量采集传输系统，i e c 在1 9 9 6 年颁布的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 标准，即我国电力行业标准 d l t 7 1 9 2 0 0 0 ，是我们在实施变电站电能计量系统时需要遵守的。 在变电站内部的通信规约中，i e c 6 0 8 7 0 5 一l o s 规约为目前应用最多的变电站内部通信规约，主要 的通信方式为r s 4 8 5 。 本论文中研究的变电站综合自动化系统内部通信基于c a n 总线，虽然目前一些厂家已经开发出基 于c a n 总线的变电站综合自动化系统但是各个厂家都有自己的规约，目前还没有被大家都认可的统 一的规约。又由于我们开发的变电站综合自动化系统主要面向的中低压变电站，站内的设备比较少， 监控保护装置以及监控后台都是由一个厂家提供的，基于这个背景，制定了基于c a n 总线的变电站内 部通信规约。 3 1 变电站内部通信规约制定的原则以及内容 规约制定时参考了i e c 5 0 8 7 0 5 1 0 3 规约以及南京电力自动化设备总厂9 5 年制定的变电站保护与 控制系统通信规约。规约规定变电站系统内部通信的结构如图2 - 4 所示，在该通信系统中变电站级网 络以及现场级网络都基于c a n 总线通信方式。 规约制定时主要考虑如下原则： ( 1 ) 由于c a n 总线协议规定了数据链路层协议以及物理层协议，因此规约本质上是基于c a n 总 线链路层基础上应用层的定义。网络节点通过c a n 控制器连接到c a n 总线上，如果选择s j a l 0 0 0 作为c a n 控制器，s j a l 0 0 0 内部已经定义了数据传输格式，那么规约的帧格式必须以s j a l 0 0 0 的数 据帧格式为基础。 ( 2 ) 管理机装置在变电站自动化通信系统中作用主要是起一个中间传输的功能，应该尽量减少管 理机对报文的组装过程，提高管理机的通信效率。比如管理机收到后台的广播报文或者转发报文之后 立即转发给间隔层装置，因此在报文帧结构中必须充分考虑数据帧在变电站级网络中的滤波地址以及 在现场级网络中的滤波地址。每一帧数据中必须包括四个地址：变电站级网络中的后台地址，变电站 级网络中的管理机地址现场级网络中的管理机地址以及现场级网络中的装置地址。 ( 3 ) c a n 数据链路层中已经定义了每一帧数据结构，为了充分利用有效传输数据，提高传输效率， 首先估计变电站系统中的各层网络节点最大个数，分配尽量少的空间作为滤波地址。 ( 4 ) 在变电站级通信网络以及现场级通信网络，都采用了c a n 总线作为通信方式，为了增加通信 的实时性以及减少通信管理机的工作量，在变电站层网络以及现场级网络采用相同的规约，但是在规 约中必须分开不同的数据流。 ( 5 ) 考虑规约的扩展性。 1 0 第三章基于c a n 总线的变电站系统内部通信规约的制定 规约制定的内容主要包括：通信的总线接口标准、报文的i 喷格式、规约中报文的定义、报文的应 答流程、以及通信节点滤波器的设置。本章主要讨论总线接口标准、报文的帧格式以及节点滤波器的 设置。 3 2c a n 总线接口模式 由于c a n 总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等诸多优点推动其应用开发 迅速发展，推广应用反过来又促使器件生产厂商不断完善和推出c a n 总线产品，其正逐步形成系列。 目前主要有两种模式实现把节点连接鲥c a n 总线上( 结构图如图3 一l 所示) 。第一种模式是节点单元的 微处理器通过外挂c a n 控制器以及c a n 收发器连接到c a n 总线上，常用的c a n 控制器有p h i l i p s 公司 p c a 8 0 c 2 0 0 、s j a l 0 0 0 ，m i c r o c h i p 公司的m c p 2 5 1 0 等，常用的c a n 收发器有p h i l i p s 公司p c a 8 0 c 2 5 0 。 第二种模式是使用内部自带c a n 控制器的微处理器直接通过c a n 收发器连接到c a n 总线上，这样的微 处理器育p h i l i p s 公司的p 8 x c 5 9 1 等芯片。这两种接口模式没有本质上的区别，一种方式是c a n 控制 器内置于微处理器内，另一种方式是c a n 控制器处于外置方式。其中最常用的模式是选用p b i l i p s 公 司生产的c a n 通信控制器s j a l 0 0 0 和c a n 总线收发接口芯片8 2 c 2 5 0 构成c a n 总线接口电路。 图3 - lc a n 接口 雨厂划 模一 作为目前使用最多的c a n 控制器s j a l 0 0 0 的内部结构框图如图3 - 2 所示，s j a l 0 0 0 和微处理器的接 口为数据信号和地址信号共用的8 位并行总线，地址线和数据线的通过地址锁存信号a l e 来区别，这 种并彳亍总线保证了处理器和控制器之间的数据可以快速的传输。s j a l 0 0 0 内部包括1 2 8 个寄存器，其 中一部分寄存器作为信息缓冲区，包括发送缓冲区、接受缓冲区、接受f i f o 一部分寄存器组成验收 滤波器，其他的一些寄存器设置了通信的参数以及一些出错处理等信息。 图3 - 2s j a l 0 0 0 内部结构框图 放到发送缓冲区内，然后通过位流处理器把并行数据转化为串行数据。c a n 控制器收到每一帧报文后， 首先经位流处理器把串行数据转化为并行数据，然后必须经过验收滤波器检查该帧数据是否应该被该 节点接受，验证通过后，该帧数据就被送到r x f i f o 内等待处理器读走。 到目前为止，c a n 总线的协议存在c a n 2 0 a 协议以及c a n 2 0 b 协议两种，c a n 2 o a 协议的数据帧 有i i 位用来表示标识符，c a n 2 o 脚议的数据帧有2 9 位用来表示标识符。由于c a n 总线采用了对通 信数据块进行编码阻及采用了短帧结构传输数据，为了充分提高总线的传输效率，这里我们选用了 c a n 2 o b 协议。对应于c a n 控制器，我们选择其中的p e l i c a n 模式下的扩展帧结构“”，帧结构定义如 表3 1 所示。在中低压变电站中的保护设备比较少，因此间隔层的设备比较少，为了提高通信的效率 只利用2 9 位标识符中的其中1 6 位( 识别码1 和识别码2 ) 参加通信的地址滤波。 表3 1s j a l 0 0 0 扩展帧结构 3 。3 报文帧结构 76543210 f f lr t r 2xxd l c ( 0 - - 8 ) 3 i d 2 8i d 2 7i d 2 6i d 2 5i d 2 41 3 2 3 i d 2 2i d 2 l i d 2 0i d l 9i d l 8i d l 7i d l 6 i d l 5i d l 4 i d l 3 i d l 2i d l li d l 0i d 9i d 8i d 7i d 6i d 5 i d 4i d 3 i d 2i d ii d ox 1 0x x 1 “ d a t a ( 8b y t e s ) ” 帧信息 识别码1 识别码2 识别码3 识别码4 8 字节数据 基于s