现场总线在电力系统领域的应用

对于一个国家来说，工业发展状况在很大程度上体现了一个国家的科技水平和综合国力，因此大力发展工业是每个国家都十分重视的事情。

工业的发展对科学技术不断提出新的要求，随着数字化的程度不断加深，工业运作现场与监督监测装置之间的信息互通和仪器仪表数据的实时传送等问题都成了必须要面对而且需要得到充分解决的重要问题。

现场总线正是在人们对于工业通信技术的不断诉求中诞生并且迅速成长起来的。

新时期的科技发展有着他本身鲜明的特点，那就是快速的产生和疾速的消亡，不断更新换代的技术就好像大自然对于物种的选择一样不断的筛选出更适宜人们生产需求的产品，从而促使着现场总线技术像当今的计算机产业一样飞速的向前发展，在越来越多的领域造福人类，为迈进工业化的脚步增添了坚定稳重。

现场总线即是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

由现场总线的定义可知，现场总线就是一种运用于工业领域以通信为目标的具有传输信号作用的交换链，被传输的信号通常是数字形式。

现场总线的网络拓扑结构可以分为环形拓扑结构、星形拓扑结构、总线型拓扑结构和树形拓扑结构。

其中总线型拓扑结构如下：图1 总线型拓扑结构一般的总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三部分组成。

硬件方面他由通信介质、执行器、控制器等器件组成；软件方面他由系统平台软件和系统应用软件两部分组成。

图2 总线控制系统正因为总线控制系统拥有如此完善和特色鲜明的控制系统，因此他被广泛的应用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面，有关于总线的应用部分将在后面做更详细的说明。

总线控制系统的组成和拓扑结构决定了他超越其他通讯方式的一些特点，使得现场总线被越来越广泛的应用到当下的工业生产和监督中。

现场总线的发展历史其实并不久远，从1984年由美国英特尔公司首次提出总线的构想到八十年代中期远程通讯协议的开发，现场总线技术在短短的二十几年中得到了快速的发展和广泛的应用，这与他本身具有的在传输信息方面的强大优势是分不开的。

概括的来说，现场总线具有节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开销、系统集成主动权、准确性与可靠性等优点，从这些优点中可以看出，现场总线的优势遍布于工业生产的前、中、后期各个阶段，这对于重视投入成本和运作可靠性的工业生产来说都是十分重要的。

由于主要的服务对象的不同，现场总线为了适应各种工作环境和达到更加优良的效果并且有力的节约成本，因此派生出了各种不同的现场总线，主要有基金会现场总线、CAN总线、LonWorks总线和HART总线等，他们各自适用于不同的领域，如基金会总线多应用于过程自动化领域，而CAN总线被广泛的使用在汽车内部各仪器仪表之间信息的交换，不同的分工使现场总线技术得到了发展壮大，也成为一门具有很多的分支的高端技术，在越来越多的方面得到重视。

电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产、传输、分配和消费的系统。

主要由电源、变电所、输电、配电线路和负荷中心等环节构成。

其中电源主要是指火力发电厂、水力发电厂等发电系统。

在电力系统的各个部分都要用到检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化设备，因此对于总线的需求是十分强烈的。

尤其是在远程输电的时候，输电环节需要随时监控用电环节的反馈信号，从而确定在输电、变电或者用电环节中是否出现了问题，如有问题需要对故障点进行检测和休整，特别是在美国提出分布式发电网络的概念以后，电网不再是单一的方向传输，而是被要求具有双向传输的作用，这不仅仅对电网控制技术和电力分配技术提出了要求，而且也对检测系统、仪器仪表信息传输方面的总线提出了更高的要求。

因此研究总线技术在电力系统领域中的应用具有普遍而使用的意义。

在刚刚介绍的几例总线中，CAN总线占有重要的地位，而且正被越来越广泛的关注，俨然已经成为了最具有发展前景的国际标准总线之一，CAN总线具有良好的可靠性和错误检测能力，因此他也被广泛的应用于电力系统领域当中。

CAN总线是目前应用最广泛的总线之一。

他的应用解决了原本应用于电力系统领域的BITBU总线具有的传输速率低、在一个节点损坏以后容易造成全网瘫痪和灵活性差等特点，为电力系统的快速发展提供了硬件基础。

想要分析CAN总线代替原有线路被如此普遍应用的原因，就必须要从CAN总线的特点来具体剖析。

CAN总线是一种支持分布式实时控制系统的串行通讯局域网络，具有高性能、高速率、高可靠性等显著特点，促使他能够代替原有通讯的网络的主要优势有：（一）总线式结构顾名思义，总线式结构就是指各现场设备之间是挂接在同一条总线上的。

这里的现场设备指工业链中的传感器、控制器等，在电力系统中主要指电源、变电所、输电线路、配电线路以及负荷之间的检测设备、仪器仪表、控制设备等，用于线路故障的检测和数据的实时显示，对于系统的良好稳定运行具有重要的作用。

在电力系统中接有复杂的用电设备和供电设备等，而CAN总线的总线式结构能够很好的满足分布式发电网络所需要的可连接多台设备、双向传输信号、布线简单、节约成本的要求。

（二)使网络内的节点个数在理论上不受限制CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。

在这一点上，CAN总线继承和发展了总线式结构的优点，还兼具了可以理论上无限串接设备的特点，这为该总线在电力系统领域中分布式发电网络的应用起到了巨大的作用，电力网络因为负载个数的不确定性对配电网络的要求较高，信号传输的双向性使得这种结构变得更为复杂。

CAN总线的一、二两个特点相结合，很好的满足了电力网络在设备上的要求，同时也使得信号传输的可靠性得到进一步的认证，在某一项发电或用电设备发生故障的时候，其他设备能够继续稳定的工作，从而避免了电网瘫痪造成的大规模停电的可能性，为电力的稳定传输提供了条件。

（三）可在各节点之间实现自由通信CAN总线协议已经国际认证成为国际标准，技术也比较成熟。

自由通信的意义即：总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。

总线上的节点没有主次之分，每个节点都可以在任意时刻对线上的其他节点发送信息，各个节点也都可以响应的接受信息，做到了各节点之间的实时通信。

这项突出的优点使得CAN总线具有很强的竞争优势，为信号的双向传输服务，摆脱了旧式总线具有的主机、从机的分别，为信号的反馈提供了通路，使信息的传递更加的灵活和方便，总线上设备的连接也更加的简单，节约了设计成本。

（四）网络各节点之间的数据通信实时性强在具备了总线式结构、理论上无限的可连接设备数量、节点间自由通讯的特点基础上，CAN总线还对传输速率提出了更高的追求，数据通信实时性正是为了满足用户在速率上的需求而设定的。

工业上的数据传输很多都涉及到生产程序的检测和数据的实时反馈，仪器仪表在反应生产过程的进程和状态时要求被检测的数据具有很好的实时性，只有这样才能准确的反应生产或运作的状态，因此传输速率是各种总线都共性重视的方面。

采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点决定了CAN总线是实时性上超越了其他很多总线因而得到了广泛的重视。

（五）开放互操作性开放互操作性就如同计算机领域中的兼容性一样，让不同厂家生产的产品能够在总线上得到很好的兼容，可以同时使用，总线上的设备控制权对于用户来说也是透明开放的，便于用户对于设备的控制室监管。

开放户操作性为用户的实际应用提供了很大的方便，一方面他让操作变得更为简单，另一方面他让不同厂商生产的设备能够很好的接入系统中，简化了系统集成，也在很大程度上促进了CAN总线的快速发展，使这项技术越来越发展，直到今日成为使用率最高的总线之一。

（六）可靠性高可靠性是总线最基本也是最重要的性能之一。

不论是工作于任何系统，可靠性都是先决条件，之前所涉及到和未涉及到的各项优点其实都是在为可靠性服务，保证系统的正常工作，减少故障的发生，在故障发生时能够保证系统的工作，如UPS技术（正常工作时由发电厂供电，发电厂或发电线路出现问题时由备用电源供电）。

CAN总线采用数字信号传输数据，提高了数据的精度和抗干扰性。

将控制功能放到现场设备中，使危险分散，系统的可靠性从而提高。

除了以上提到的有点，CAN总线还具有信息综合组态灵活、彻底的分散控制、缩短了开发周期、结构简单等特点。

CAN总线的应用时通过CAN总线技术来实现的，是以CAN总线控制系统为基础的。

CAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。

由于其设计成本低，通讯可靠，在电力系统中得到了广泛应用。

想要了解CAN总线是如何在电力系统中发生作用的，就先要了解CAN总线系统。

CAN总线系统由CAN总线接口模块、数据采集模块、控制模块、CAN总线通讯模块、监控模块等部分组成。

如下图所示为CAN总线系统的一般模式：图3CAN总线在电力系统中的应用时非常广泛的，这里只做举例介绍。

CAN总线在变电所综合自动化中的应用。

变电所是电力系统的一部分，用于连接发电厂与远程输电线路，是电力系统自动化组成中的重要部分，变电所需要采取电力监控装置，实时观测电力网的运作情况，各仪表需要即时采读数据，以保证能够及时发现故障及时排除，确保电力系统的稳定运行。

CAN 协议本身具有较强的检错、纠错能力，但在工业控制现场，插头连接不牢固、传输介质损坏或总线驱动器损坏等都会破坏CAN 的可靠通信，因此采用双CAN 现场总线在内部定期对备用CAN进行备用检测，从而保证通信系统正常运行，提高了内部网络的冗余度。

图4 变电所自动化中CAN总线的应用CAN总线还可以应用于电力抄表系统中，电力抄表系统分为用于实现控制功能的主站服务器、集中器和用于数据采集的采集器。

其中第二层的集中器需要用CAN总线与采集器数据终端连接，完成与采集器和主站服务器的数据通信工作，能够及时、方便地进行系统的远程信息传输，与主站服务器实现信息交换；每台集中器通过CAN总线，可以管理最多110个采集器。

基于ARM的CAN总线，其电力集中抄表系统的数据通信具有很强的实时性、可靠性和抗干扰性。

虽然以上两个系统中都有CAN总线配合工作，但是该总线更多的应用于检测和通讯过程中，下面就分别予以介绍。