摘要：通过对变电站综合自动化系统和现场总线CAN技术的介绍，结合具体工程实践，介绍采用先进现场总线技术设计的变电站综合自动化系统的基本功能和特点，论述了现场总线技术是实现变电站综合自动化，乃至电力系统自动化发展的趁势，供工程设计参考。
关键词：变电站综合自动化 电力系统自动化 现场总线CAN 监控系统
1． 引言
电力系统是一个特殊的系统，其安全性、可靠性要求高，为了实现系统的安全可靠运行，必须实现电力系统的调度、运营和管理的自动化。随着电力系统自动化程度的提高，现场总线技术的日臻完善，以及电力系统减员增效要求的提出，实现电站综合自动化，从而达到无人值班，已成为电力系统自动化发展的趁势。目前，采用符合现代工业控制技术方向的高性能微控制器，现场总线技术，实时多任务操作系统等多项先进技术，能实现对中低压输配电线路及主设备的综合自动化功能。而且能集保护、监控 、调控、通信于一体，既可联网构成综合自动化系统，也可独立运行，既可适合有人监控中心，也可适合无人值班的要求。众所皆知，变电站综合自动化关键在于大量的现场采集信息和数据快速、准确，实时上传到监控中心，也能将监控中心下达的控制命令准确无误地发送到控制单元，及时采取措施避免事故发生，这就需要变电站综合自动化系统有可靠的通信保障。随着现场总线技术在电力系统自动化中的广泛应用，有效地解决了变电站综合自动化系统中的通信问题。
2． 变电站综合自动化系统
2.1 变电站综合自动化系统的构成
变电站综合自动化系统一般由站控层、通信管理层和间隔层构成的计算机监控系统，采用分布式结构，设备分为站控层、通信管理层及间隔层，间隔层原则上按一次设备组织，每一间隔层设备包括测量、控制、保护、信号、通信、录波等基本功能，并完成各自的特殊功能，系统能实现信息共享及保护、监控功能的综合化，极大简化二次回路，节省系统投资，由于间隔层设备可放在开关柜或一次设备附近，大为减少主控室面积，节约控制电缆，大大提高了整个系统的可靠性和可扩展性。通信管理层由于各间隔层设备通信协议的多样性，要实现不同装置的数据链接，可加入前置机（通信管理装置）完成通信控制和规约转化，使其在功能上实现通信接收、发送、规约转化等功能；通信协议采用电力行业标准协议，能实现不同厂家设备的互联，采用全球定位系统（GPS），支持硬件对时网络，减少GPS与设备间的连接，并保证对时精度，硬件上采用模块化设计以支持多种通信接口，包括以太网、串行通信接口、可扩充的其他现场总线接口等；软件上具有规约库以支持RS-232、RS-485、LONWORKS及标准网络协议（TCP/IP）等多种类型的标准通信接口，从而具备良好的软、硬件扩展性。站控层包括数据库服务器、Web服务器、运行工作站、维护工作站、监视工作站等。
2.2 变电站综合自动化系统功能
以某110KV变电站为例，根据变电站高压供电系统一次系统的整体要求，变电站综合自动化系统决定采用CL2000变电站综合自动化系统，在此，结合工程实践，介绍该系统用于变电站监控系统中的经验。
变电站综合自动化系统由WXH-322A/01微机线路保护装置，WBH-90系列微机变压器保护装置，ZBH-91A/05变压器本体保护装置，WBH-92A/02微机变压器后备保护装置，WMC-31A03微机母线差动保护装置，WBH-93A/02微机厂用电保护装置，WBT-31A/01微机备用电源自投装置，微控制器SAB-C167CR（SIEMENS公司产），工作站微机及相应设备组成。CL2000变电站综合自动化系统系列保护装置具有一般的主要功能，如开关量的变位遥控，电压电流的模拟输入，断路器遥控分口，脉冲累加，遥控事件记录及顺序记录（SOE），逻辑闭锁等。
WXH-322A/01微机线路保护装置是多CPU并行设计，距离保护，零序保护及录波，测距分别由单独CPU完成，各CPU插件在电气及结构上相互独立，无依赖关系，它能实现以下功能：
（1）保护功能：a) 三段式相间距离保护； b) 三段式接地距离保护； c) 四段式零序方向过流保护；d) 故障测距； e) 振荡闭锁； f) 三段式反向及低压闭锁过流保护； g) 检无压、检同期三相一次重合闸，手动同期合闸； h) 低周低压减载保护； i) 过负荷保护或报警； j) PT断线告警。
（2）测量功能：a) 采集测量电压，三相或二相测量电流，计算有功功率，无功功率，功率因数； b) 测量频率，每周波72点自适应采样； c) 采用12路开关量； d) 采用4路脉冲量（正负脉冲 均可）； e) 远方及本地操作。
3． 由现场总线技术实现的通信功能
通信功能是综合自动化出别于常规站最明显的标志之一，通信网络变电站内间隔信息可充分共享，并通过通信接口与外界信息系统交换信息，同时节省大量电缆，构成一个快速、稳定、可靠的通信网络是变电站自动化系统的基本要求，也是电力系统运行管理功能的基本前提。
近年来，随着我国电力自动化的不断发展，电力系统通信方式也不断改进，现场在总线技术因其组网方便，抗干扰能力强等特点得到广泛应用。现场总线标准很多，电力自动化系统中最常用的是LONWORKS和CAN总线。
LONWORKS总线通信速率为78Kbps和1.25Mbps，CAN总线通信速率为1Mbps。CAN总线是一种有效支持分布控制和实时控制的串行通信网络，是一种通信速率可达1Mbps的多主总线[1]。具有优先抢占方式进行总线仲裁的作用机理，通信速率高，错误帧可自动重发，永久故障可自动隔离，不影响整个网络正常工作，可靠性高，而且协议简单，开放性强，组网灵活，成本低等特点，能为电力自动化提供开放性、全分布及可互操作性的通信平台。
CAN总线的主要特点：
（1）CAN为多主方式工作，网络上任意节点，任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主次，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息；
（2）CAN采用短帧结构，数据最多8个字节，这样不仅满足控制领域中传递控制命令，工作状态和测量数据的一般要求，且保证了通信的实时性，CAN网络上的节点信息分为不同等级，可满足不同实时要求，高优先级最多可在134μS内得到传输；
（3）CAN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，优先级较低的节点主动退出发送，而优先级高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时间。CAN的直接传输距离最远可达10Km/ 5Kbps，通信速率最高可达1Mbps/40m。可挂接设备最多可达110个。CAN节点在自身发生错误时具有自动关闭功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
本系统间隔层主要由保护单元和测控单元组成，每个测控单元监控多路馈进馈出，采用先进现场总线CAN，现场通信采用双绞线，总线速率达1 Mbps，快速、可靠、方便灵活，通信规约支持IEC-60870-5-101格式，克服RS485网络上只能有一个主节点而无法构成多冗余系统的缺陷，具有很高的价格比。另外，采用双CAN现场总线内部定期对备用CAN进行备用检测，提高了内部网络的冗余度。
站控层采用双10 Mbps双绞线以太网结构（能保证变电站自动化系统内部通信网络传输的实时性），由双服务器组成，站控层为值班人员提供全厂系统的监视、控制和管理功能，界面友好，容易使用。通过组件技术，软件功能能实现“即插即用”，能较好地满足电气监控系统的需要，软件系统采用模块化结构，开放性较好。站控层操作系统可采用Windows2000/NT，数据库选用SQL服务器，软件主要功能模块有前置、数据库生成器、数据库组态、报表管理、报警信息、曲线、棒图、动作告警、SOE、事故追忆、录波分析、人机界面、自动抄表、设备管理、定值管理、设备在线诊断、系统组态等。电气监控系统中提供了故障信息传输系统、各级调度中心、电能计量系统、直流系统通信等接口驱动软件。
总之，系统完成的主要功能有：实时数据采集与处理、数据库的建立与维护、控制操作、同步检测、报警处理、顺序记录（SOE）、事故追忆、画面生成及显示、在线计算及制表、电能量处理、远动功能、电气“五防”、时钟同步、人机接口、系统自诊断与自恢复、与其他智能设备接口、运行管理功能等。
4．主要软件设计
本系统中，微处理器SAB-C167CR的数据处理速度可达10 MHz，能完成所有测量、控制及通信等功能，其特点是任务较多，各任务之间协调较为复杂，为了便于个任务之间协调与功能扩充，CPU软件系统采用了实时多任务操作系统RTOS来优化和分配CPU时序和资源，保证程序的实时性和可靠性，以任务为对象进行资源管理，任务调度和异常处理，通过RTOS管理系统根据数据处理的轻重缓急来合理分配占有CPU，优化时序分时执行，使之不闲置，不拥挤，每个处理过程又有多个不同优先级别的任务组成，采用优先抢占操作方式有效保证任务执行的实时性，采用这一软件结构的突出特点是使程序实现了真正的模块化，各个任务单独编程，不受其他任务的影响，任务的增减，调度非常方便。
软件设计分为两部分：一部分是SAB-C167CR微处理器的软件设计，包括与间隔层设备间CAN总线数据传输及上位机UBS的数据通信（使用USB接口方便现场，即插即用，便于PC机的维护与升级，满足变电站数据通信的需要）；另一部分为PC机上位机软件的设计。这部分上位机软件设计较为复杂，若采用面向对象的语言编写程序，可使用ActiveX控制实现数据通信。对于微处理器和上位机的软件设计，考虑到将来间隔层设备结构的变化和硬件升级需要，程序设计分为两层，底层负责数据接收和发送；上层负责数据帧上午打包、解包及协议的解释。
5． 结论
随着现场总线技术的发展和电气设备微机化程度的提高，为数字化形式实现变电站自动化监控系统提供了技术保证。变电站自动化系统应具有开放性，应能实现不同厂家设备的互操性（互换性）。因此，现场总线技术的应用是变电站综合自动化发展的需要，运用现场总线技术 ，能解决变电站综合自动化系统的通信问题，能保证数据通信的速度、质量、抗干扰能力，从而保证了变电站综合自动化技术的有效实施。
参考文献：
1． 邬宽明. CAN总线原理与应用系统设计. 北京：北京航天航空大学出版社，1996
2． 闵涛，黄冰. 变电站自动化系统一种智能测控装置的设计. 电力系统及自动化学报.2003[6]：87～90
3． 李娟. 现场总线在煤矿变电站综合自动化系统中的应用. 重庆：电工技术，2004[5]：2～3
4． CL2000变电站综合自动化系统系列装置技术说明书. 哈尔滨光宇电气自动化有限公司
