CAN總線技術在配電網數據通信中的應用

孔　平，李　勇，李建祥

（1.國網山東省電力公司濟寧供電公司，山東　濟寧　272023；2.國網山東省電力公司，濟南　250001；3.山東魯能智能技術有限公司，濟南　250101）

CAN總線技術在配電網數據通信中的應用

孔平1，李勇2，李建祥3

（1.國網山東省電力公司濟寧供電公司，山東濟寧272023；2.國網山東省電力公司，濟南250001；3.山東魯能智能技術有限公司，濟南250101）

分析具有廣泛應用前景的控制器局域網CAN（Control Area Network）總線數據通信協議，構建基于CAN總線技術的配電網通信模型，研究CAN總線技術在配電自動化數據通信中的應用案例，現場運行表明采用CAN總線技術的通信網絡可靠性高、靈活性強，適用于配電數據通信系統。

CAN總線；配電網；饋線自動化；可靠通信

0　引言

伴隨經濟的快速發展和人民生活質量的持續提高，電力用戶對電能質量的要求也越來越高。目前，國家投入大量人力、物力改造輸配電網，電網自動化技術獲得大范圍的現場應用。建設與改造配電網行動計劃明確提出2015—2020年，配電網建設改造投資不低于2萬億元，未來幾年配網投資將快速增長。電網自動化建設主要內容［1］包括4個方面：變電站自動化；饋線自動化［2］，即配電線路自動化；配電管理自動化；用戶自動化。其中饋線自動化是自動化平臺的基礎，同時也是自動化系統成功實施的關鍵。

CAN總線技術是主要運用在工業控制方面和規模化生產自動化場景的現場設施相互通信的網絡技術。CAN總線是一種十分有效支持實時控制或分布式控制的串行方式通信網絡。將CAN總線技術引入配電網數據通信平臺［3-6］，既可使數據通信系統部署、調試、運維工作更加方便，而且提高了此數據通信平臺的靈活性和可靠性。隨著自動化控制關鍵技術和數據通信網絡地不斷改善與優化，各應用現場正逐漸構建以集成自動化系統為技術支撐的數據通信系統，其中以CAN總線為核心關鍵技術的高可靠性的監視與控制系統在電力系統得到大量應用。

CAN總線具有分布式特征，顯著減少了數據通信平臺的誤碼率，同時給現有自動化平臺實現監視、遙控、遙調與靈活辦公提出良好的解決方案。CAN總線技術在電網數據通信平臺中各個業務管理系統的應用，明顯節約建設方的人力與物力，提升一體化平臺的數據通信質量和自動化水平，提高業務處理效率，又對各現場運維工作實現遠程管理具有可行的現實意義。

1　CAN總線通信協議分析

CAN總線技術的初衷是為實現主流汽車中大量的傳感器、感知裝置、自動控制器和檢測裝置之間復雜的數據可靠通信，研發的通信協議采用串行方式。利用CAN總線建立的一體化自動化平臺在實時性、擴展性、可靠性和靈活性等方面具有良好的性能表現，有利于規模化設備監控與管理、遠程監視與控制中各個通信設施之間的互通、互連，現場總線技術借鑒許多先進的新方案和獨特的設計方法，應用范圍已不限于規模化汽車制造領域，也面向智能電網建設、設備檢測、裝置相互通信等場景。總線技術中給出標準模型的3層通信模型，從上向下依次為：應用層、數據鏈路層和物理層，總線通信接口負責實現物理層和數據鏈路層的數據交互，處理器負責實現數據分析與應用層的數據交互。使用短幀的組幀方式，信息中每個信息幀都有檢測和容錯機制，有效實現數據傳輸過程中較低的出錯率，雙絞線、同軸電纜和光纖等可作為此總線技術的傳輸介質。

現在，總線技術已由國際技術委員會批準為國際標準，同時也是現場總線技術中極少被批準為國際標準的復雜設備互聯通信技術。

1.1CAN總線訪問

CAN采用共享媒體通信技術和載波監聽多路訪問（CSMA）方式。通信節點訪問總線的過程中嚴格采用硬同步，僅在數據總線上空閑時CAN控制單元才進行發送信息幀，總線控制單元同步位都位于起始幀的前端，具體的總線訪問過程如圖1所示。

圖1　CAN總線訪問過程

1.2總線仲裁機制

當數據CAN總線上不忙時呈非顯性電平狀態，此時總線上其他各個節點均可向總線發送一個顯性電平，以此作為一個數據幀的開始。假如CAN總線上有兩個或兩個以上的信息節點同一時刻發送數據幀，則總線會產生沖突，發生沖突之后，CAN總線對標識符采取按位進行仲裁的解決方案：發送節點對每個數據幀發送電位的同時，讀取總線的電位狀態并與本節點發送的電位狀態相互對比，若電位一致則持續發送數據幀，否則說明有更高優先級的信息幀要在總線上發送，即刻退出發送。最終，最高優先級的信息幀節點取得總線的通信權力。

現場總線協議釆用了避免碰撞、載波監聽與媒體訪問技術，此技術是一種無破壞總線仲裁技術，它規定通信數據的使用等級，如果遇到通信總線發生沖突時，對于優先級低的節點發送指令自動退出并轉為接收狀態，對于優先級高的節點獲得總線通信使用權并進行發送數據。假如總線訪問機制檢測到總線空閑則發送消息，數據通信網絡中的其他通信節點通過硬同步操作與幀起始位前端進行同步。仲裁場中的標識符來表示發送報文的傳輸優先級，標識符數值越小則傳輸優先級越高，由此可見，標識符全部為零的通信報文在總線上將具有最高的發送權。

假設節點1和節點2同時發送數據幀，總線仲裁場中，節點1的前4個電位為1 100，總線仲裁場節點2的前4個電位為1 100。因為兩個節點發送的前4位一致，所以兩個節點始終發送總線仲裁場的標識符位，但當發送到第五位時，由于節點2發送的顯性電位而節點1發送的非顯性電位，因此節點1仲裁得敗，節點2仲裁獲贏。之后節點2則繼續發送報文，節點1自動退出總線，結束發送數據。仲裁過程見圖2所示。

圖2　CAN總線仲裁過程

1.3編碼與解碼

信息幀的開始與終止域、數據域、仲裁域、控制域和校驗位均利用位填充算法實現信息編碼。現場總線技術編碼方案中，在連續的5個一致狀態電平位中插入一個與這5位互補的電平位；還原信息與解碼時，刪除每5個相同數值電位后面的互補電位，由此實現了數據傳輸過程中的一致性和透明性。

1.4超載與容錯

當檢測到信息幀傳輸錯誤、電位不正確、應答不正確或格式不正確時，總線控制器將發送一個提示錯誤的標識、標志。

核桃是世界著名的四大堅果之一，被譽為“搖錢樹”“鐵桿莊稼”“綠色銀行”。核桃產業是云南林業產業中最重要的組成之一，在全省種植面積很廣，產值在逐年增加。核桃成為了云南廣大山區人民脫貧致富的骨干產業，也是綠汁鎮各村的經濟林果和退耕還林產業。

1.5性能分析

因為CAN總線技術的通信方式是雙向的，所以控制中心能夠對現場電力設備進行參數設置、調整及運行狀態監視，實現在故障發生前的風險預測。CAN總線技術是可高效地完成對數據通信的成幀處理的串行的網絡協議，它與現存的通信技術相比，數據傳輸及交互具有更高的靈活性、擴展性和實時性。

具有高性價比。傳輸媒介可以是現有的雙絞線、同軸電纜和高速光纖，應用模式非常方便、靈活。摒棄之前的站地址編碼方式，總線通信技術采用的是對通信數據塊進行編碼方式。采取多方競爭的措施運行，通信總線中的其他節點均可在空閑狀態主動地向總線上的其他通信節點發送數據，不再區分主從關系。

具有優先級仲裁機制。在信息報文標識符上，CAN總線上通信節點的優先級各不相同，符合各類實時通信的指標需要。總線上的節點只要通過對信息報文的標識符實施濾波，即可滿足點對點、一對多、局域網廣播方式傳送與接收數據的需求。若多個通信節點在同一時刻向總線上發送信息時，低優先級的通信節點主動停止數據發送，而高優先級的節點則選擇繼續傳輸信息，合理解決了發送沖突問題。

完備的校驗和容錯機制。每個數據信息幀均有校驗與檢錯方法，確保信息傳輸較高的可靠性，滿足在惡劣環境高干擾下的應用場景。每一信息幀的有效字節數量為8，短的間隔（起止時間）內數據傳輸，受外界因素（環境）干擾的可能性非常低，數據誤碼率（數據誤傳）極低。

通信節點在發送嚴重錯誤的情況下可自動退出總線。信息報文不包含目的地址和源地址，僅用信息報文的標識符來表示通信節點優先級、傳輸數據等。

2　基于CAN總線技術的配電網通信模型

2.1電力自動化平臺對通信網絡的指標要求

可靠性高。電力網絡時刻運行，通信網絡數據流是連續不間斷的，網絡的通信故障嚴重影響電力自動化平臺的穩定運行，因此，需要對數據通信網絡及其設備互聯進行合理的設計和規劃，以滿足通信可靠性的較高要求。

實時性高。電力自動化平臺的數據網絡需要實時傳送現場設備的采集數據、運行參數與運行狀況，現場設備接受站控層的調控操作指令。現代電力工業規范中對現場設備數據的傳送時間有較高的實時性要求，數據網絡要保證通信的實時性指標，尤其是數據傳輸數量及傳輸需求迅速增長，之前的數據傳輸技術不再符合系統實時性要求。CAN總線技術方案中已指明電力數據平臺的通信網絡傳輸時間：設備層與間隔層、設備層內部之間、間隔層中的間隔單元之間為0.001～0.1 s，間隔層與變電站層為0.01～1 s，變配電站與控制中心間為1 s。

抗電磁干擾能力強。電力站點存在不穩定電源、事故跳閘、惡劣天氣（雷擊）等大量電磁強干擾，網絡通信環境相當的惡劣。所以需要釆取有效的方案和關鍵技術以解決這些因素對通信數據電磁干擾的影響。

2.2基于CAN總線技術的配電網通信模型

為實際可靠分析，電力數據通信平臺根據豎向功能的不同劃分成兩層：業務層和站級層。業務層設備主要為斷路器設備、電流互感器、電壓互感器等帶有通信接口的智能電子通信裝置。業務層中的設備相對獨立，通過站內CAN總線技術實現設備互連與通信，以及設備與站控層的通信。信息處理過程CAN總線通信模型如圖3所示。

圖3　配電自動化CAN總線數據通信模型

數據通信系統分為現場監視部分和遠方調度部分。現場監視的子站和遠方調度的總站均可以接收設備間隔層傳遞的數據，同時也可以向通信管理服務器發送操作命令，包括：運行參數修改、設備參數查詢、設備遙控執行以及設備運行狀態檢查等。在數據通信系統總線上傳輸的信息主要有電子式電壓互感器、電流互感器的實時采集值；隔離開關、斷路器的實時狀態信息；電力變電站內電力設備故障評估的消息；站級層發送的操作指令與運行狀態等。

3　應用CAN總線的配電網數據通信系統

現有的通信技術已不能滿足人們對電能質量或者供電穩定性逐漸嚴格的要求，通過深入研究，結合領先通信技術，分析配電中的電力設備動態遠方監視、控制與管理的數據通信整體平臺，分析CAN總線技術在配電網監控與調度上的重要實際應用。

利用符合絕大多數地區配網的雙電源環網開環運行、鄉村單電源輻射結構的故障處理案例，屬于典型故障處理與通信技術結合案例，數據通信中間過程不依賴各級主站的影響和干預，可明顯降低數據通信平臺的投資人力、物力成本。配網設備具有分布廣、較分散的特點，并且通信數據量巨大。對一個某個地區或某個城市來講，配網自動化平臺一般可分為3層：配網終端層、配網子站層及配網主站層。

假設線路是連接同一個站內的兩條母線或者相鄰兩個站，線路包括4個分段點，各個組成部分細化分解之后，其中一個分段點為環網開關 （即聯絡開關），常規運行方式下，斷路器處于開環運行狀態。每個環網斷路器的終端裝置只與相鄰斷路器的終端裝置及兩側變電站出線保護裝置通信。故障判定和信息交互方式采用分段完成，故障處理過程中以相鄰終端裝置間交換有無故障電流的信息，以相鄰信息為基準，判定設備故障區段的故障信息。

聯絡斷路器的分閘動作邏輯為：當線路上發生故障時，此變電站出線斷路器先跳閘，啟動重合閘并向數據總線發出暫停數據采集與監視平臺通信命令。采用較低通信速率，相鄰設備之間傳輸有無故障信息僅幾毫秒，處理故障速率滿足要求。若線路故障段兩側終端裝置中故障電流標志一側有，另一側無，則出線開關重合后，二次出現故障電流時立即分開開關，快速切除故障線段，線路各終端裝置立即停止數據采集與監視平臺通信，向相鄰終端裝置及變電站廣播故障電流標志并接收相鄰終端裝置的故障電流標志，再將兩相鄰終端裝置的故障電流標志進行異或運算。終端裝置的故障處理數據通信流程見圖4。

圖4　故障處理數據通信流程

從模擬實驗和現場運行兩個方面分析，采用總線技術的配電數據平臺投資成本（人力、物力）低廉，后期運維工作量較少，通信誤碼率低，經過驗證分析：在實驗模擬中數據傳輸指令線路長度可達5 km，其通令方式低成本，連接5個通信節點，通信介質為雙絞線，因無需中繼器，成本較低，誤碼率一直為0，證明CAN總線抗干擾能力強，實驗室中采用硬件抗干擾編碼。利用CAN總線技術實現的饋線自動化系統投入現場運行后效果良好，具有較強的抗干擾能力，此通信網絡前景廣闊。

在配電自動化數據通信平臺中，選擇現場總線技術進行配電終端間隔層的通信及互連，由此充分利用現場總線技術的性能優點，保證可靠且靈活的通信質量，大幅度改善配電通信網絡體系，緩解配電主站和子站的通信壓力，并且在終端層實現環網供電故障的檢測和就地隔離、恢復供電，節省大量的資金和人力運行成本。

應用CAN總線技術實現的配電自動化系統，現場運行誤碼率低，滿足現場惡劣環境下的數據傳輸可靠性要求，運行狀況非常安全、穩定，偶爾遇到站端到地市配電管理中心網絡中斷現象，但均未影響本地關鍵數據的查看和瀏覽，而且在通信恢復正常時，可以將有關的關鍵數據傳送至地市公司的數據庫服務器。利用WEB技術所瀏覽的數據和各站端內控制器輸出的數據對比，傳送到數據庫里的數據和各站端采集終端上采集的數據吻合，采集終端裝置上傳的數據是準確可信的。

應用CAN總線技術之后，后臺服務器穩定運行，數據通信可靠性明顯提升，符合數據處理的要求，對站控端客戶響應及時、快速。采用二維表、棒圖、柱狀圖等形式集中展現遠方的采集數據信息，同時對采集信息做深入統計與分析，可以準確、快速發現系統平臺運行中存在的不利問題，改善電網運行的管理精度與措施。

4　結語

在配電數據通信中引入CAN總線技術，進一步改善并優化數據通信的實時性、擴展性、靈活性和容錯能力。在配電網數據通信系統中應用CAN總線技術，對持續提升配電自動化業務處理能效，優化供電連續性和穩定性，提升電網經濟運行水平都將具有現實意義和支撐作用。

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孔平（1973），高級工程師，主要從事電力信息管理和信息系統安全、大數據研究；

李勇（1972），高級工程師，主要從事科技信息管理和電力系統技術研發工作；

李建祥（1978），高級工程師，主要從事電氣自動化技術研究。

Application of CAN Bus for Distribution Grid Data Communication

KONG Ping1，LI Yong2，LI Jianxiang3
（1.State Grid Jining Power Supply Company，Jining 272023，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

The CAN（Controller Area Network）bus data communication protocol is analyzed that has broad application prospects，and the distribution network communication model is built based on CAN bus technology.Applications of CAN bus technology are studied on distribution automation data communication.The scene operation indicates that communication network using CAN bus is high reliability and flexibility，and applies to data communication system of distribution grid.

CAN filed bus；distribution grid；feeder automation；reliable communication

TM734

A

1007-9904（2015）11-0052-05

2015-08-21