孔　平，李　勇，李建祥

（1.国网山东省电力公司济宁供电公司，山东　济宁　272023；2.国网山东省电力公司，济南　250001；3.山东鲁能智能技术有限公司，济南　250101）

CAN总线技术在配电网数据通信中的应用

孔平1，李勇2，李建祥3

（1.国网山东省电力公司济宁供电公司，山东济宁272023；2.国网山东省电力公司，济南250001；3.山东鲁能智能技术有限公司，济南250101）

分析具有广泛应用前景的控制器局域网CAN（Control Area Network）总线数据通信协议，构建基于CAN总线技术的配电网通信模型，研究CAN总线技术在配电自动化数据通信中的应用案例，现场运行表明采用CAN总线技术的通信网络可靠性高、灵活性强，适用于配电数据通信系统。

CAN总线；配电网；馈线自动化；可靠通信

0　引言

伴随经济的快速发展和人民生活质量的持续提高，电力用户对电能质量的要求也越来越高。目前，国家投入大量人力、物力改造输配电网，电网自动化技术获得大范围的现场应用。建设与改造配电网行动计划明确提出2015—2020年，配电网建设改造投资不低于2万亿元，未来几年配网投资将快速增长。电网自动化建设主要内容［1］包括4个方面：变电站自动化；馈线自动化［2］，即配电线路自动化；配电管理自动化；用户自动化。其中馈线自动化是自动化平台的基础，同时也是自动化系统成功实施的关键。

CAN总线技术是主要运用在工业控制方面和规模化生产自动化场景的现场设施相互通信的网络技术。CAN总线是一种十分有效支持实时控制或分布式控制的串行方式通信网络。将CAN总线技术引入配电网数据通信平台［3-6］，既可使数据通信系统部署、调试、运维工作更加方便，而且提高了此数据通信平台的灵活性和可靠性。随着自动化控制关键技术和数据通信网络地不断改善与优化，各应用现场正逐渐构建以集成自动化系统为技术支撑的数据通信系统，其中以CAN总线为核心关键技术的高可靠性的监视与控制系统在电力系统得到大量应用。

CAN总线具有分布式特征，显著减少了数据通信平台的误码率，同时给现有自动化平台实现监视、遥控、遥调与灵活办公提出良好的解决方案。CAN总线技术在电网数据通信平台中各个业务管理系统的应用，明显节约建设方的人力与物力，提升一体化平台的数据通信质量和自动化水平，提高业务处理效率，又对各现场运维工作实现远程管理具有可行的现实意义。

1　CAN总线通信协议分析

CAN总线技术的初衷是为实现主流汽车中大量的传感器、感知装置、自动控制器和检测装置之间复杂的数据可靠通信，研发的通信协议采用串行方式。利用CAN总线建立的一体化自动化平台在实时性、扩展性、可靠性和灵活性等方面具有良好的性能表现，有利于规模化设备监控与管理、远程监视与控制中各个通信设施之间的互通、互连，现场总线技术借鉴许多先进的新方案和独特的设计方法，应用范围已不限于规模化汽车制造领域，也面向智能电网建设、设备检测、装置相互通信等场景。总线技术中给出标准模型的3层通信模型，从上向下依次为：应用层、数据链路层和物理层，总线通信接口负责实现物理层和数据链路层的数据交互，处理器负责实现数据分析与应用层的数据交互。使用短帧的组帧方式，信息中每个信息帧都有检测和容错机制，有效实现数据传输过程中较低的出错率，双绞线、同轴电缆和光纤等可作为此总线技术的传输介质。

现在，总线技术已由国际技术委员会批准为国际标准，同时也是现场总线技术中极少被批准为国际标准的复杂设备互联通信技术。

1.1CAN总线访问

CAN采用共享媒体通信技术和载波监听多路访问（CSMA）方式。通信节点访问总线的过程中严格采用硬同步，仅在数据总线上空闲时CAN控制单元才进行发送信息帧，总线控制单元同步位都位于起始帧的前端，具体的总线访问过程如图1所示。

图1　CAN总线访问过程

1.2总线仲裁机制

当数据CAN总线上不忙时呈非显性电平状态，此时总线上其他各个节点均可向总线发送一个显性电平，以此作为一个数据帧的开始。假如CAN总线上有两个或两个以上的信息节点同一时刻发送数据帧，则总线会产生冲突，发生冲突之后，CAN总线对标识符采取按位进行仲裁的解决方案：发送节点对每个数据帧发送电位的同时，读取总线的电位状态并与本节点发送的电位状态相互对比，若电位一致则持续发送数据帧，否则说明有更高优先级的信息帧要在总线上发送，即刻退出发送。最终，最高优先级的信息帧节点取得总线的通信权力。

现场总线协议釆用了避免碰撞、载波监听与媒体访问技术，此技术是一种无破坏总线仲裁技术，它规定通信数据的使用等级，如果遇到通信总线发生冲突时，对于优先级低的节点发送指令自动退出并转为接收状态，对于优先级高的节点获得总线通信使用权并进行发送数据。假如总线访问机制检测到总线空闲则发送消息，数据通信网络中的其他通信节点通过硬同步操作与帧起始位前端进行同步。仲裁场中的标识符来表示发送报文的传输优先级，标识符数值越小则传输优先级越高，由此可见，标识符全部为零的通信报文在总线上将具有最高的发送权。

假设节点1和节点2同时发送数据帧，总线仲裁场中，节点1的前4个电位为1 100，总线仲裁场节点2的前4个电位为1 100。因为两个节点发送的前4位一致，所以两个节点始终发送总线仲裁场的标识符位，但当发送到第五位时，由于节点2发送的显性电位而节点1发送的非显性电位，因此节点1仲裁得败，节点2仲裁获赢。之后节点2则继续发送报文，节点1自动退出总线，结束发送数据。仲裁过程见图2所示。

图2　CAN总线仲裁过程

1.3编码与解码

信息帧的开始与终止域、数据域、仲裁域、控制域和校验位均利用位填充算法实现信息编码。现场总线技术编码方案中，在连续的5个一致状态电平位中插入一个与这5位互补的电平位；还原信息与解码时，删除每5个相同数值电位后面的互补电位，由此实现了数据传输过程中的一致性和透明性。

1.4超载与容错

当检测到信息帧传输错误、电位不正确、应答不正确或格式不正确时，总线控制器将发送一个提示错误的标识、标志。

核桃是世界著名的四大坚果之一，被誉为“摇钱树”“铁杆庄稼”“绿色银行”。核桃产业是云南林业产业中最重要的组成之一，在全省种植面积很广，产值在逐年增加。核桃成为了云南广大山区人民脱贫致富的骨干产业，也是绿汁镇各村的经济林果和退耕还林产业。

1.5性能分析

因为CAN总线技术的通信方式是双向的，所以控制中心能够对现场电力设备进行参数设置、调整及运行状态监视，实现在故障发生前的风险预测。CAN总线技术是可高效地完成对数据通信的成帧处理的串行的网络协议，它与现存的通信技术相比，数据传输及交互具有更高的灵活性、扩展性和实时性。

具有高性价比。传输媒介可以是现有的双绞线、同轴电缆和高速光纤，应用模式非常方便、灵活。摒弃之前的站地址编码方式，总线通信技术采用的是对通信数据块进行编码方式。采取多方竞争的措施运行，通信总线中的其他节点均可在空闲状态主动地向总线上的其他通信节点发送数据，不再区分主从关系。

具有优先级仲裁机制。在信息报文标识符上，CAN总线上通信节点的优先级各不相同，符合各类实时通信的指标需要。总线上的节点只要通过对信息报文的标识符实施滤波，即可满足点对点、一对多、局域网广播方式传送与接收数据的需求。若多个通信节点在同一时刻向总线上发送信息时，低优先级的通信节点主动停止数据发送，而高优先级的节点则选择继续传输信息，合理解决了发送冲突问题。

完备的校验和容错机制。每个数据信息帧均有校验与检错方法，确保信息传输较高的可靠性，满足在恶劣环境高干扰下的应用场景。每一信息帧的有效字节数量为8，短的间隔（起止时间）内数据传输，受外界因素（环境）干扰的可能性非常低，数据误码率（数据误传）极低。

通信节点在发送严重错误的情况下可自动退出总线。信息报文不包含目的地址和源地址，仅用信息报文的标识符来表示通信节点优先级、传输数据等。

2　基于CAN总线技术的配电网通信模型

2.1电力自动化平台对通信网络的指标要求

可靠性高。电力网络时刻运行，通信网络数据流是连续不间断的，网络的通信故障严重影响电力自动化平台的稳定运行，因此，需要对数据通信网络及其设备互联进行合理的设计和规划，以满足通信可靠性的较高要求。

实时性高。电力自动化平台的数据网络需要实时传送现场设备的采集数据、运行参数与运行状况，现场设备接受站控层的调控操作指令。现代电力工业规范中对现场设备数据的传送时间有较高的实时性要求，数据网络要保证通信的实时性指标，尤其是数据传输数量及传输需求迅速增长，之前的数据传输技术不再符合系统实时性要求。CAN总线技术方案中已指明电力数据平台的通信网络传输时间：设备层与间隔层、设备层内部之间、间隔层中的间隔单元之间为0.001～0.1 s，间隔层与变电站层为0.01～1 s，变配电站与控制中心间为1 s。

抗电磁干扰能力强。电力站点存在不稳定电源、事故跳闸、恶劣天气（雷击）等大量电磁强干扰，网络通信环境相当的恶劣。所以需要釆取有效的方案和关键技术以解决这些因素对通信数据电磁干扰的影响。

2.2基于CAN总线技术的配电网通信模型

为实际可靠分析，电力数据通信平台根据竖向功能的不同划分成两层：业务层和站级层。业务层设备主要为断路器设备、电流互感器、电压互感器等带有通信接口的智能电子通信装置。业务层中的设备相对独立，通过站内CAN总线技术实现设备互连与通信，以及设备与站控层的通信。信息处理过程CAN总线通信模型如图3所示。

图3　配电自动化CAN总线数据通信模型

数据通信系统分为现场监视部分和远方调度部分。现场监视的子站和远方调度的总站均可以接收设备间隔层传递的数据，同时也可以向通信管理服务器发送操作命令，包括：运行参数修改、设备参数查询、设备遥控执行以及设备运行状态检查等。在数据通信系统总线上传输的信息主要有电子式电压互感器、电流互感器的实时采集值；隔离开关、断路器的实时状态信息；电力变电站内电力设备故障评估的消息；站级层发送的操作指令与运行状态等。

3　应用CAN总线的配电网数据通信系统

现有的通信技术已不能满足人们对电能质量或者供电稳定性逐渐严格的要求，通过深入研究，结合领先通信技术，分析配电中的电力设备动态远方监视、控制与管理的数据通信整体平台，分析CAN总线技术在配电网监控与调度上的重要实际应用。

利用符合绝大多数地区配网的双电源环网开环运行、乡村单电源辐射结构的故障处理案例，属于典型故障处理与通信技术结合案例，数据通信中间过程不依赖各级主站的影响和干预，可明显降低数据通信平台的投资人力、物力成本。配网设备具有分布广、较分散的特点，并且通信数据量巨大。对一个某个地区或某个城市来讲，配网自动化平台一般可分为3层：配网终端层、配网子站层及配网主站层。

假设线路是连接同一个站内的两条母线或者相邻两个站，线路包括4个分段点，各个组成部分细化分解之后，其中一个分段点为环网开关 （即联络开关），常规运行方式下，断路器处于开环运行状态。每个环网断路器的终端装置只与相邻断路器的终端装置及两侧变电站出线保护装置通信。故障判定和信息交互方式采用分段完成，故障处理过程中以相邻终端装置间交换有无故障电流的信息，以相邻信息为基准，判定设备故障区段的故障信息。

联络断路器的分闸动作逻辑为：当线路上发生故障时，此变电站出线断路器先跳闸，启动重合闸并向数据总线发出暂停数据采集与监视平台通信命令。采用较低通信速率，相邻设备之间传输有无故障信息仅几毫秒，处理故障速率满足要求。若线路故障段两侧终端装置中故障电流标志一侧有，另一侧无，则出线开关重合后，二次出现故障电流时立即分开开关，快速切除故障线段，线路各终端装置立即停止数据采集与监视平台通信，向相邻终端装置及变电站广播故障电流标志并接收相邻终端装置的故障电流标志，再将两相邻终端装置的故障电流标志进行异或运算。终端装置的故障处理数据通信流程见图4。

图4　故障处理数据通信流程

从模拟实验和现场运行两个方面分析，采用总线技术的配电数据平台投资成本（人力、物力）低廉，后期运维工作量较少，通信误码率低，经过验证分析：在实验模拟中数据传输指令线路长度可达5 km，其通令方式低成本，连接5个通信节点，通信介质为双绞线，因无需中继器，成本较低，误码率一直为0，证明CAN总线抗干扰能力强，实验室中采用硬件抗干扰编码。利用CAN总线技术实现的馈线自动化系统投入现场运行后效果良好，具有较强的抗干扰能力，此通信网络前景广阔。

在配电自动化数据通信平台中，选择现场总线技术进行配电终端间隔层的通信及互连，由此充分利用现场总线技术的性能优点，保证可靠且灵活的通信质量，大幅度改善配电通信网络体系，缓解配电主站和子站的通信压力，并且在终端层实现环网供电故障的检测和就地隔离、恢复供电，节省大量的资金和人力运行成本。

应用CAN总线技术实现的配电自动化系统，现场运行误码率低，满足现场恶劣环境下的数据传输可靠性要求，运行状况非常安全、稳定，偶尔遇到站端到地市配电管理中心网络中断现象，但均未影响本地关键数据的查看和浏览，而且在通信恢复正常时，可以将有关的关键数据传送至地市公司的数据库服务器。利用WEB技术所浏览的数据和各站端内控制器输出的数据对比，传送到数据库里的数据和各站端采集终端上采集的数据吻合，采集终端装置上传的数据是准确可信的。

应用CAN总线技术之后，后台服务器稳定运行，数据通信可靠性明显提升，符合数据处理的要求，对站控端客户响应及时、快速。采用二维表、棒图、柱状图等形式集中展现远方的采集数据信息，同时对采集信息做深入统计与分析，可以准确、快速发现系统平台运行中存在的不利问题，改善电网运行的管理精度与措施。

4　结语

在配电数据通信中引入CAN总线技术，进一步改善并优化数据通信的实时性、扩展性、灵活性和容错能力。在配电网数据通信系统中应用CAN总线技术，对持续提升配电自动化业务处理能效，优化供电连续性和稳定性，提升电网经济运行水平都将具有现实意义和支撑作用。

［1］赵江河，陈新，林涛，等.基于智能电网的配电自动化建设［J］.电力系统自动化，2012，36（18）：33-36.

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孔平（1973），高级工程师，主要从事电力信息管理和信息系统安全、大数据研究；

李勇（1972），高级工程师，主要从事科技信息管理和电力系统技术研发工作；

李建祥（1978），高级工程师，主要从事电气自动化技术研究。

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