基于CAN 總線的繼電保護裝置內部通信機制設計

石建，岳峰，曹玉保

（國電南京自動化股份有限公司 江蘇 南京211153）

基于CAN 總線的繼電保護裝置內部通信機制設計

石建，岳峰，曹玉保

（國電南京自動化股份有限公司 江蘇 南京211153）

為了解決繼電保護裝置內部通信問題，提出了一種基于CAN總線的繼電保護裝置內部通信機制設計方案。通過對裝置內CPU模件與開入、開出模件通信的特性進行分析，對CAN總線ID分段、數據傳輸及重發機制、通信故障處理機制進行了設計。方案實現了繼電保護裝置多CPU、多IO組態下的實時、可靠通信。實際應用表明，具有高效、可靠性高的優點，達到了設計需求。

繼電保護裝置；CAN總線；數據重發；錯誤處理；通信機制

CAN總線是由德國BOSCH公司開發的控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）簡稱，最初用于高可靠性要求的汽車電子設計，由于其卓越性能，現已廣泛應用于工業自動化、醫療設備等方面[1]。CAN總線通過無損競爭、位填充、循環冗余檢驗等方法，具有結構簡單、較高的性能和高可靠性等特點，易于實現總線各節點間數據實時自由通信。繼電保護裝置根據應用需求會配置若干CPU模件和若干IO模件，CPU模件與IO模件之間數據傳輸不約束主從關系，采用多發多收通信機制，數據吞吐量相對較小，但是對于實時性和可靠性卻提出很高的要求，CAN總線非常契合該應用需求，但DeviceNet[2]、CANopen[3]等高層協議通常卻很復雜，不適宜繼電保護裝置。文中提出了基于CAN總線的面向繼電保護裝置應用所優化設計的方案。

1　裝置內部IO通信架構

繼電保護裝置根據應用不同，配置的CPU模件及開入、開出回路數量變動較多[4]，常采用如圖1所示架構。開入DI模件將外部高壓信號光電隔離轉換成低壓信號后通過通信總線發送給各CPU模件參與保護計算，高壓輸入信號通常為斷路器、隔離刀閘等一次設備運行位置指示，也可用于連接壓板或其他二次設備的開出等。開出DO模件將各CPU模件通過通信總線發來的跳閘或其他控制指令轉換成繼電器接點輸出實現高壓斷路器跳閘、合閘功能，也可用于實現風扇控制或信號指示等。對于開入開出均需要的場合，也可通過二者均包含的DIO模件滿足需求。RTD/TDC模件通常用于對斷路器、變壓器工作環境溫度、濕度、檔位等進行測量，實現一次設備工作狀態的監控。

圖1　IO通信架構圖

多個CPU模件根據功能組態不同，與IO模件交互，并完成各自的保護運算和測量、控制等功能。因此通信總線存在一對一、一對多、多對一等單播、廣播通信需求。從通信數據特點來看，DI、DO報文交互頻繁、信息短小，這些特征正好與CAN總線提供的多主發送、自由競爭特性相符。而對于RTD溫度、DC直流量等變化較緩、數據量較大的模擬量等，也可使用CAN總線通過多幀進行傳輸。

繼電保護裝置中模件通常都安裝在4U或6U尺寸標準機箱內，通過背板實現信號互連，背板同時提供各插槽硬件地址，方便模件識別自身地址。工程配置時，CPU模件中存儲整機各模件配置信息，運行后可以對其他模件上電狀態進行監視。

2　CAN應用設計

為提升通信效率，提高DO/DI響應速度，通信采用總線支持的1 MHz最高波特率。對于當前芯片技術，過載幀基本不會再用，遠程幀也沒有需求，僅使用數據幀。CAN 2.0B擴展幀用戶可自行設計使用的有每幀29位ID標識及最多8字節DATA數據。

2.1ID設計

用于競爭總線的ID除包含優先級Pri外，還含多幀傳遞必須的幀序號FrmSeq、重發標記Rp、結束標記Pe、源地址Src及目的地址Dst等。ID區29位分配參考圖2。

圖2　擴展CAN ID使用分配

開出回路傳輸要求是CPU發出跳閘命令能立即傳送給指定DO模件，使得繼電器動作，實現對一次設備的保護信號傳遞。為提高保護裝置的速動性，快速切除故障，傳輸延時必須盡可能小（整體可接受延時通常在ms數量級[5]），因此開出報文采用最高優先級。開入回路傳輸要求是檢測到開關信號變化時實時上送，以便CPU記錄形成SOE、實現保護運算。為避免與DO優先級沖突，開入報文傳遞采用中等優先級，IO模件同步記錄變位時間。CAN總線除了進行開入狀態、開出命令的傳遞外，還對運行狀態、運行日志及緩慢變化的模擬量等進行傳遞，以便CPU模件準確掌握裝置整體運行狀況，這類報文傳送采用一般優先級即可。綜上，CAN總線傳輸優先級按圖3進行分配，并作為定值可通過CPU模件進行工程配置。

圖3　數據幀優先級使用分配

當傳輸數據超過8字節時，不同幀之間需通過幀序號進行判別，參見圖2。幀序號FrmSeq定義為從全1開始遞減，低位在前。數據重發時Rp標志定義為1，數據傳輸完成時結束標志Pe定義為1。源地址即為模件從背板獲取的硬件地址，目的地址通常為通信對象所在背板槽位的硬件地址，但為便于實現廣播、組播，目的地址對廣播、組播地址也進行了約定，如全1為全網廣播地址。幀序號、地址等實際使用范圍較窄時，相應的高BIT位可考慮置1用于保留擴展。

遵守上述設計規則，通信數據幀能達到：1）高優先級數據幀可及時搶占總線；2）同一優先級時多幀數據可連續發送，不會被搶斷；3）第一次傳送數據優先于重發數據；4）單幀優先于多幀發送；5）所有前述數據均一致時根據源地址和目的地址確定發送順序。

最高優先級情況下，開出報文等待傳輸時間最大為160 μs，其他優先級報文等待傳輸時間不定，但可通過統計方法確定；通信幀最短長度67 μs，接收側在此時間內需要能將數據接收和處理才能保證數據不丟失[6]。

2.2數據傳輸及重發

應用層通信數據規定格式如圖4所示：第一字節為數據長度Len，第二字節為數據類型Type，其后為數據字節，最后為從Len開始的數據CRC校驗。考慮到數據幀一次最多傳輸8字節，特別規定傳輸10字節以下時不傳輸Len和CRC字節，由總線數據幀DLC及幀自身CRC校驗機制取代。這樣，除去1個字節表示類型外，其余7個字節56BIT對需要快速傳輸信息的DI/DO模件來說足以表示開入狀態和控制命令，可在一幀內完成傳輸。

圖4　數據傳輸格式

Type字節主要根據應用來進行確定，包含狀態傳遞、控制命令、狀態查詢、配置查詢、日志查詢、軟對時等不同用途，但不與ID中的優先級進行綁定以方便應用靈活選擇。

CAN總線本質上屬于廣播發送，每幀末尾的接收應答僅表示至少一個通信節點正確接收該幀數據。通信節點較多時，發送端不能據此確認接收端正確接收，傳送過程需考慮重發。DI數據包含變位時刻信息，采用類似IEC61850發送GOOSE報文機制[9]，以0 ms-2 ms-8 ms時間間隔一對多廣播發送且不需確認，見圖5，重發間隔內如有新的變位時，以最新數據立即重新開始發送。這樣，即使總線競爭失敗、輸入雪崩等原因導致數據在硬件緩沖區阻塞，包含上次變位信息的新生成數據會覆蓋原先數據，確保接收側數據準確。而在沒有狀態變化時，DI數據以1 s為間隔進行周期發送。DO控制命令中包含累加的發送序號，以圖5所示間隔一對一發送并要求確認，發送側收到確認時可不再重發，序號則用來判斷是否發生報文丟失情況。其他一般優先級數據，則采用通用的定時或超時重發機制進行傳送。

圖5　數據重發間隔

2.3錯誤處理

各通信節點統計通信數據及各種CAN總線錯誤計數，如位填充錯誤數、CRC錯誤數等，周期匯總給CPU模件進行故障預警。如某節點異常導致進入Bus-Off狀態，造成通信的延遲最大為32個數據幀（發送錯誤計數器累加到256）約5.3 ms[10-12]。此時節點采用快/慢兩種恢復模式：初始2次立即快恢復，此后為慢恢復。快恢復時Bus-Off間隔時間約為1.4 ms，至少仍能提供其他節點8個數據幀的傳輸，不會對系統性能產生大的影響。慢恢復時Bus-Off間隔時間為80 ms，基本可使16個節點通信不受影響。

CPU模件周期發送巡檢報文，IO節點定期發送心跳數據，各通信節點據此監視總線狀況以記錄日志，CPU可對IO進行日志讀取。對于通信長期丟失，IO節點采取先自復位再軟、硬件告警方案，確保裝置異常能及時被外界感知。CPU則可以及時進行閉鎖操作，確保不出現誤動[13-14]。

3　試驗驗證

文中所述設計方案，使用在繼電保護平臺產品上配置5 個CPU和14個DI/DO模件，使用致遠電子公司的CANScope-Pro分析儀接入，以類似示波器、邏輯分析儀及錄波器形式對CAN通信進行靜態及干擾測試及100 ms短時100%總線負荷測試。圖6上部顯示針對某節點注入干擾導致其進入Bus-Off狀態，在此期間其他節點正常通信；下部顯示正常測試數據片段，系統運行穩定，達到預期的效果[15-17]。

圖6　測試結果

4　結束語

根據繼電保護裝置內部CPU模件與IO模件之間的通信需求，文中提供了一種基于CAN總線優化的通信機制和應用層協議設計方案，并在實際產品中測試確認工作可靠。該設計方案相比DeviceNet、CANopen簡單，可實現可靠的多主實時通信，也可用于模擬量、運行日志等大數據量的非實時通信，適宜作為繼電保護裝置內部IO總線方案推廣應用。

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Design for internal communication for protective relay devices based on CAN bus

SHI Jian，YUE Feng，CAO Yu-bao
（Guodian Nanjing Automation Co.，LTD，Nanjing 211153，China）

In order to solve the problem of internal communication between relay protection devices，an internal communication mechanism for protective relay devices based on CAN bus is designed in this paper.Through analyzing characterics of the communication between between CPU modules and input and output modules，ID block，data transmission and retransmission mechanism，the communication failure processing mechanism based on CAN bus is designed.It is realized the real-time and reliablely communcation between multi-CPU and multi-IO.The experiment and application show that this design has characteric of high performances and relability，achieve the design requirement.

protective relay devices；CAN bus；data retransmission；fault handling；communication mechanism

TN06

A

1674－6236（2016）22-0030-03

2015-11-19稿件編號：201511190

石 建（1973—），男，江蘇南京人，碩士，工程師。研究方向：繼電保護、自動控制。