0 前言 城市輕軌與地鐵供電系統是一個特殊的系統，其安全性、可靠性要求高，為了實現系統的安全可靠運行，必須實現電力系統的調度、運營和管理的自動化。變電所綜合自動化是電力系統自動化基本組成，也是實現電力監控系統功能的前提。 在電力監控系統中，現場總線是變電所綜合自動化的流通動脈，是變電所綜合自動化三大構成部分設備管理層、所內通信層和間隔設備層中的一個主要構成部分即所內通信層。通過總線通信，從現場采集的大量信息和數據被快速、準確、實時地上傳到監控中心，同時由監控中心下達的控制命令也被準確無誤地發送到控制單元，及時采取措施避免事故發生。 目前，在既有地鐵運營系統中，間隔層供電設備的微機保護測控與其他微機型的自控裝置間的通信大多通過RS422/RS485 通信接口相聯接，實現監控系統與微機保護和自動裝置間相互交換數據和狀態信息。采用RS422/RS485 通信接口雖然可實現多個節點（設備）間的互連，但連接的節點數一般不超過32 個，在變電所規模稍大時，滿足不了綜合自動化系統的要求；其次，采用RS422/RS485 通信接口，其通信方式多為查詢方式，即由主計算機提問，保護單元或自控裝置應答，通信效率低，難以滿足較高的實時性要求；再者，使用RS422/RS485 通信接口，整個通信網上只能有一個主節點進行通信管理和控制，其余皆為從節點，這樣主節點便成為系統的瓶頸，一旦出現故障，整個系統的通信便無法進行。而20 世紀80 年代中期發展起來的現場總線有效地解決了以上問題。 CAN（Controller Area Network）總線以其通信速率高、可靠性高、連接方便和性價比優等特點成為現場總線的推薦標準之一，在城市輕軌與地鐵電力監控系統（SCADA）中有著廣闊的應用前景。 1 CAN技術的特點 變電所綜合自動化區別于常規所最明顯的標志之一就是通信功能，變電所內間隔層之間信息可充分共享，并通過通信接口與外界信息系統交換信息，同時節省大量電纜，構成一個快速、穩定、可靠的通信網絡是變電站自動化系統的基本要求，也是電力系統運行管理功能的基本前提。 CAN 總線是一種有效支持分布控制和實時控制的串行通信網絡，是一種通信速率可達1 Mb/s的多主總線，具有優先搶占方式進行總線仲裁的作用機理，錯誤幀可自動重發，永久故障可自動隔離，不影響整個網絡正常工作，可靠性高，而且協議簡單，開放性強，組網靈活，成本較低，能為電力自動化提供開放性、全分布及可互操作性的通信平臺。CAN 總線具有以下主要特點： （1）良好的實時性。CAN 控制器工作于多主方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權（取決于報文標識符）采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN 協議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，這可使不同的節點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN 總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和靈活性。 （2）良好的傳輸防錯能力。CAN 采用短幀結構，數據最多8 個字節，數據傳輸時間短，受干擾幾率低，且每幀信息都具有CRC 校驗及其他檢錯措施。 （3）全數字化的雙向傳輸。用以取代傳統的4～20 mA 信號，CAN 的直接通信距離最遠可達10 km（速度在5 kb/s 以下）；最高通信速率可達1 Mb/s（距離在40 m以下）。 因此CAN 現場總線網絡具有多主、實時、高可靠性、低成本等優點，特別適用于在條件十分惡劣的工業現場進行實時數據傳輸。 2 變電所綜合自動化系統的構成 地鐵車站牽引降壓混合變電所綜合自動化系統的設備組成示意圖如圖1 所示。 該系統間隔層主要由保護單元和測控單元組成，每個測控單元監控多路饋進饋出，采用先進現場總線CAN，現場通信采用屏蔽雙絞線，總線速率達1 Mb/s，通信規約支持IEC-60870-5-101 格式，網絡結構簡單、方便靈活、成本低，并且CAN 總線連接各個節點形成的多主控制器的局域網克服了RS485/422 網絡上只能有一個主節點而無法構成多冗余系統的缺陷，具有很高的性價比。 雖然CAN 協議本身具有較強的檢錯、糾錯能力，但在工業控制現場，插頭連接不牢固、傳輸介質損壞或總線驅動器損壞等都會破壞CAN 的可靠通信。解決這一問題的有效途徑是采用冗余通信控制，采用雙CAN 現場總線在內部定期對備用CAN進行備用檢測，從而保證通信系統正常運行，提高了內部網絡的冗余度。 站控層采用雙10/100 Mb/s 屏蔽雙絞線（或光纖）以太網結構（能保證變電站自動化系統內部通信網絡傳輸的實時性），由雙服務器組成，站控層工作站為值班人員提供全所系統的監視、控制和管理功能，界面友好，易操作。通過組件技術，軟件功能實現“即插即用”，較好地滿足了電氣監控系統的需要，軟件系統采用模塊化結構，開放性較好。 3 CAN總線通信系統配置 3.1 硬件組成 系統使用2 套總線（CAN0、CAN1），每套包含獨立的總線電纜、總線驅動器和總線控制器，可以實現物理介質、物理層、數據鏈路層及應用層的全面冗余。符合這一要求的微處理器可以選擇Fujitsu 公司推出的帶雙CAN控制器的16 位微控制器MB90F543。 系統中2 套總線采用熱備份方式運行：一個CAN 控制器作為系統上電后默認的CAN（可稱為主CAN）；另一個為系統的備用CAN（稱之為從CAN），作為主CAN 的冗余。系統正常工作時，主CAN 總線（CAN0）投入運行。當主CAN 總線發生故障時，從CAN 總線（CAN1）投入運行。 如上電檢測到主CAN 總線故障，則從CAN 總線自動投入運行。這樣在一套總線發生故障時，另一套總線自動繼續工作，保證整個系統的通信功能正常運行，大大提高了系統的可靠性，實現了CAN總線的全面冗余設計。另外，也可以根據需要，由軟件設定采取冗余方式或非冗余方式，對于非冗余方式只采用主CAN 總線運行。本系統的結構方案如圖2 所示，其中RT 為總線終端匹配電阻，用于抑制信號發射干擾，RT =100Ω或120Ω。網絡采用屏蔽雙絞線作為通信介質。 3.2 系統軟件設計 在雙CAN 冗余系統中，較之硬件結構而言，軟件設計相對復雜。一般的CAN 總線通信程序必須包括CAN 初始化程序、CAN 發送程序和CAN接收程序3 個基本部分。在本冗余系統軟件設計中，上面3 部分作為3 個最基本的模塊，供系統其他軟件模塊調用。 由于系統采用雙CAN 冗余熱備份方式運行，所以2 個CAN 控制器必須都處于熱備份狀態。系統中所有節點的2 個CAN 控制器經初始化后都隨時準備接收信息，但有且只有一個CAN 控制器在發送信息。換言之，在一個時間點上，系統中有且僅有一路CAN 通道在工作，另一路處于監聽狀態（正常工作時）或故障狀態（發生故障時）。 在本系統的軟件設計中，除了用于數據發送和接收的實時數據通信程序外，還包括用于對各個節點進行管理的通信管理程序。總線管理功能程序供通信節點每隔一段時間調用，以此判斷所有的節點是否都在線：如果所有節點都在線，則認為總線正常；否則識別離線節點，并作相應處理。若總線通信節點發生故障，由其他節點接管其工作，繼續實施總線管理。通信程序流程如圖3 所示。 4 結束語 CAN總線以其獨特的設計思想、優良的性能和極高的可靠性，越來越受到人們的重視。CAN只采用了ISO/OSI參考模型的1層和2層，對應用層需由用戶自行定義。由于協議相對簡單，所以CAN最突出的優點是價廉物美，具有較高的抗干擾能力。其多主機工作方式，使分布于不同地點的各個監控設備之間的數據交換變得更為靈活和直接。因此，CAN總線特別適合于工業過程控制中實現各控制設備之間的互連，在城市軌道交通電力監控領域中的應用也將日益廣泛。