变电站测控保护单元CAN通讯规约的制定及实现

摘要：分层分散式结构是变电站综合自动化系统发展的重要方向，变电站测控保护单元是构成该结构的基本单元。为了满足测控保护单元对通讯实时性、可靠性、灵活性的要求，使用了国际上应用最广泛的现场总线之一CAN总线，详细制定了基于CAN总线的变电站间隔层CAN通讯规约，并给出了实现该规约的硬件电路及软件流程图。试验表明，该通讯规约在测控保护单元通信中的应用，实现了系统对通讯的要求，基于CAN总线的测控保护单元也即将投入试运行。 关键词：CAN总线；通讯规约；测控保护单元 Abstract: The layered and separate structure is an important direction of the development of substation integrative automation system. Substation monitoring and protecting unit is an essential part to compose the system .To meet the demands for expeditiousness, reliability and flexibility of communication in the monitoring and protecting unit, CAN Bus, one of the most widely used FCS, is applied. The CAN communication protocol of substation’s bay unit based on CAN Bus is instituted in detail. The hardware circuit and software flowcharts to realize the protocol are also given. Experiments show that the application of the protocol in monitoring and protecting unit suffices the system’s requests to the communication. And the monitoring and protecting unit based on CAN Bus will put into operation. Key words: CAN Bus; Communication Protocol; Monitoring and Protecting Unit 0 引言 分层分散式结构是变电站综合自动化系统今后发展的一个重要方向,而位于系统间隔层的变电站测控保护单元是构成这种结构的基本单元，如图1。该单元集状态监视、数据采集和实时保护功能为一体，是整个自动化系统工作的基础。因此对变电站测控保护单元通讯的实时性、可靠性、灵活性提出了更高的要求。 图1 变电站测控保护单元结构图 Fig.1 Structure of substation monitoring and protecting unit 控制器局域网CAN（Controller Area Net）是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络，CAN2.0A和2.0B协议已被颁布为ISO-11898国际标准。CAN总线有以下特点：开发系统、通讯介质廉价；能以多主方式工作；短帧结构；可实现点对点及全局广播；自带错误检测和出错信令；总线节点实际可达110个，通讯距离最远达10KM/5Kbps，通讯速率最高达1Mbps/40m；无破坏性的基于优先权的总线仲裁策略；通讯接口可完成通讯数据的成帧处理，用户接口简单等. [1] 基于以上技术特点，在变电站测控保护单元的通讯中采用CAN总线可充分体现其数据传输的可靠性、实时性及灵活性，满足变电站综合自动化系统间隔层通信的要求 1 测控保护单元与上位机CAN通讯规约的制定 变电站测控保护单元与上位机实现通讯之前,两者间需要制定握手协议,以确保数据收发的正确性。为了充分利用帧结构，合理安排通讯内容，实现变电站测控保护单元的通讯要求，本系统采用CAN的扩展帧格式，并结合支持29位识别码的CAN2.0B协议制订了CAN总线的通讯规约。[2] 1.1 识别码的定义 扩展帧的识别码有29位(ID.28～0)，最高位ID.28最先发送到总线上，且识别码的值越低优先权越高。[3]根据以上特点，将更为紧急、需要优先识别的信息定义在ID的高位上，并根据优先级由高到低，安排其代码值由低到高，可以提高仲裁的及时性。本规约定义ID.28～25为数据类型编码，ID.24～21为测控保护单元编码，ID.20～17为设备序号，ID.16～0根据数据类型定义为不同信息，见表1。[4]系统对时（广播数据）ID28～0全为0，具有最高优先级。 1.2 不同数据类型数据字节的安排 ⑴ 事件顺序记录(SOE) SOE由下位机主动上传，上位机应答。超时未收到应答，需要重传，最多重传两次。上传事故信息包含两种类型数据： 类型1：事故顺序记录((动作值)，(年月)，(天时)，(分秒)) 类型2：遥信变位(开关量状态,(年月)，(天时)，(分秒)) ⑵ 故障录波 记录故障发生前10个和后30个周波的采样值及录波时间。录波一经启动，不会取消，否则为不正常状态。故障录波包含两种类型的数据： 类型1：时间，((年，月)，(日，时)，(分，秒)，(毫秒)) 类型2：数据，(Ia，Ic，Ia1，Ic1) ⑶ 遥控（遥调）选择 被选中单元应答，并保存选择命令，等待确认帧进行校验，数据字节为0。 ⑷ 遥控（遥调）执行 校验选中单元的应答，相同则发确认帧执行操作，否则撤销。数据字节为0。 ⑸ 遥控（遥调）撤销 撤销选中单元的遥控（遥调）选择状态，数据字节为0。 ⑹ 保护定值整定 当保护定值自检出错次数过多时，向上位机申请保护定值，上位机下传保护定值。或由上位机主动发起保护整定。保护整定数据字节分为三种： 类型1：(保护定值，反码，保护动作时限，反码) 类型2：投退帧，(投退字压缩BCD, 投退字压缩BCD, 投退字压缩BCD, 投 退字压缩BCD) 类型3：重合闸/备自投(重合闸动作时间压缩BCD，反码,备自投动作时间压 缩BCD，反码) 。 ⑺ 查询保护定值 上位机发查询保护定值命令，下位机送相应定值。数据字节分三种格式： 格式1：(保护定值压缩BCD，反码，保护动作时限压缩BCD，反码) 格式2: 保护投退帧，(投退字BCD, 反码, 0000H,0FFFFH) 格式3: 重合闸/备自投帧，其格式为(重合闸动作时间压缩BCD码，反码, 备自投动作时间压缩BCD码,反码)。 ⑻ 常规数据 在实时时钟中断里完成采集数据的打包，定时发送。发送过程可被其他高优先级的帧打断，然后继续发送。每一帧中包含的8个数据字节分为4个单元，每单元2个字节，表示1个采集量。 2 CAN通讯的硬件设计及软件实现 2.1硬件电路 CAN通讯模块的硬件电路主要包括：CAN通信控制器与微处理器之间,以及CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路。电路设计如图2： 根据当前市场开发工具和课题的实际需要,测控保护单元以Intel16位单片机80C196KC为核心,选用Philips独立CAN总线控制器SJA1000作为通讯控制器,使用Philips的82C250作为CAN控制器接口芯片，采用高速光耦6N137实现收发器与控制器之间的电气隔离，满足在最高速率1Mbps下的电气响应。为保证系统能可靠工作并提高抗干扰能力，电路中采用隔离型DC/DC模块向收发器电路供电。 值得注意的是：①总线两端两个124Ω的电阻,对匹配总线阻抗起着重要作用，忽略它们,会大大降低数据通信的抗干扰性和可靠性,甚至无法通信。②把82C250引脚8直接接地, 系统处于高速工作方式（为避免射频干扰, 建议使用屏蔽电缆作总线）；而在波特率较低、总线较短时, 一般采用斜率控制方式, 上升和下降的斜率取决于Rs的阻值。实验数据表明, 15k～200k为Rs较理想的取值范围。在该方式下, 可使用平行线或双绞线作总线。③SJA1000的TX1脚悬空,RX1脚的电位必须维持在约0.5Vcc上,否则将不能形成CAN协议要求的电平逻辑。[5] 图2 CAN通讯模块硬件电路 Fig.2 Hardware circuit of CAN communication model 2.2 软件流程 CAN通讯的软件流程主要包括三个模块：SJA1000初始化、报文接收（中断方式）、报文发送（查询方式），见流程图1～3。 初始化中，设置总线定时寄存器BTR0,BTR1，可调节所需通讯速率，并且系统中所有节点的BTR0，BTR1都应设置相同,否则将无法进行通信；对时钟分频寄存器CDR最高位置1，可设定SJA1000工作在支持CAN2.0B的PeliCAN模式下。为提高CAN Bus的通信效率和可靠性，并充分利用其优先级仲裁机制，在初始化模式寄存器MOD时设置SJA1000工作在扩展帧的双滤波方式下，并在主程序对通讯信息打包时，将通信帧的识别码与SJA1000验收滤波器ACR,AMR的内容相配合可实现：不同节点发送的通信帧识别码一定不同；点对点通信帧有且只有目的节点能收到。另外开启CAN错误中断，可以在发生CAN错误中断时，通过初始化CAN控制器，使其重新开始工作，从而有效处理暂时性故障；对于永久性故障，节点自动脱离总线，不影响总线运行。[1，3] 由于变电站间隔层对实时性要求较高，并且测控保护单元的运行以定时器中断为核心（保护整定中断），所以在通讯中使用接收中断，使上位机与下位机之间的联系能得到最快响应。但考虑到不能让CAN中断大量占用总线时间（CAN中断 属于外部中断，在80C196KC中断中具有较高优先级），不开启发送中断。[6]这也是由于SOE每次只含一帧，而查询方式完全可以满足其他类型上传数据对时间的要求。在CAN接收中断处理过程中，对于需要应答的上位机命令，直接通过中断程序完成相应应答操作。而对于如保护定值整定这种时间花费较长的通信过程，则先将数据放入接收数据缓冲区，留由CPU空闲时处理。 3 结束语 试验测试表明：本文制定的CAN总线通讯规约应用在变电站测控保护单元与上位机的通讯中，实现了系统通讯对可靠性、实时性及灵活性的要求，基于CAN总线的测控保护单元也即将投入试运行。 参考文献： [1] 阳宪惠，等(YANG Xian-hui, et al).现场总线技术及其应用(FCS Technology and Application)[M].北京：清华大学出版社(Beijing: Tsinghua University Press) [2] CAN Specification Version2.0,Sep.1991 [3] Philips Data Sheets:SJA1000 Stand-lone CAN Controller.2000. [4] 何丙茂(HE Bing-mao).无人值班变电站<