CAN总线在变电站综合自动化系统中的应用与比较
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摘要：在变电站综合自动化系统中，需要有效的收集与传输现场采集的数据，并且需要将控制信号从控制中心发送到现场控制节点上。变电站综合自动化系统控制方式的不断进步，推进了许多通信方式总线标准的产生，这些总线标准各有千秋，其中最常用的是CAN现场总线。本文首先简单介绍了CAN总线的概念和特点，以及其在变电站综合自动化系统中的应用，然后将CAN总线与其他总线进行性能的综合比较。希望本文抱砖引玉，为其他相关人员正确认识系统总线，提供一定的参考和借鉴。
关键词：CAN总线，数据通信，其它总线
中图分类号：C37文献标识码：A 文章编号：
0 引言
变电站综合自动化系统中，数据通信把继电保护、自动装置和监控系统紧密地联系在一起，实现了变电站的现代化管理，是一个非常重要的环节。
现场总线作为变电站综合自动化数据通信系统中系统内部各功能模块和各子系统间信息和数据交换的媒介，发挥着重要作用。电力通信系统中，现场总线标准种类繁多，比如FieldBus现场总线、ProfiBus总线、CAN总线及LonWorks总线等，其中，CAN总线是研究关注的焦点，这是由于它具有良好的实时性、高可靠性、灵活组网和较高性价比。
1 CAN现场总线-变电站自动化系统通信枢纽
CAN（Controlled Area Net）的全称是控制器局域网络，它是这样一组多主总线，它是串行通信网络，通信速率可达1Mbit/s，且能够有效支持分布式控制或实时控制，在所有现场总线中，CAN总线受到了最多关注。CAN总线的通信接口可以实现很多功能，例如，校验循环冗余、选择优先级、实现位填充、编码数据块，这些帧处理性能都是基于规约的物理层和资料链路层实现的[1]。
CAN规约改变了编码方式，由传统的站地址编码改为了编码通信数据块，这样在理论上可以不必限制网络内的节点数，这是一个很大的突破。CAN总线有良好的实时性和极好的防错能力、良好的通信距离、良好的灵活性（CAN 总线的通信介质很多，可为双绞线、同轴电缆或光纤，用户可以灵活选择），这些都令CAN总线获得了广泛应用。
但CAN总线也存在一定限制，由于采用数字模式来描述其节点和节点之间关系，因此对运行人员要求较严格，需深入理解专门CAN总线相关知识。变电站综合自动化系统是由站控层，间隔层和设备层组成的分层分布式结构的一种自动控制系统，系统站控层和间隔层之间采用CAN总线作为通信介质。间隔层的主要功能是通过其保护单元来保护系统设备，通过其测控单元来实现测量运行参数、控制各个设备并及时调节设备，最终经过CAN总线将所获取的信息传送到站控层。站控层中，主控机通过CAN总线与间隔层之间进行数据通信，最终能够与调度通信最终管理整个变电站[2]。图1为CAN总线作为联结枢纽的变电站自动化系统结构图。
图1 CAN通信网络结构在变电站综合自动化系统中的应用
2 CAN总线与其他总线比较
2.1 CAN总线与RS-485比较
RS-485总线的收发方式为平衡发送，差分接收，在工业现场中，它也是一种应用非常广泛的总线，能够有效对共模干扰产生抑制作用。RS-485是一种通信方式选择的协议，属于半双工通信，具体来说，就是通信的双方都可以接收、发送数据，但是在同一时刻只能发送或接收数据。它不仅通信简单，而且技术十分成熟。
在分布式控制系统中，将基于RS-485与基于CAN总线的系统进行比较，CAN总线有很多突出的性能：
1) CAN总线比RS-485 总线的通信容量更大，通信速率更快，RS-485常用波特率为9600bit/s。
2) 在节点数据通信实时性方面，CAN总线网络更有优势。CAN总线通信方式十分灵活，它的控制器的工作方式是多主竞争方式，网络上的任意节点采取点对点、一点对多点和全局广播的方式且不分主从地从任一时刻向其它节点发送或接收消息，且CAN协议特殊的编码方式，即使节点不同，仍能同时接收相同数据，通信实时性是其它数据总线难以做到的。而RS-485构成的系统控制器工作方式是主从式的，只能主站轮询来数据通信，系统实时性存在劣势，且可靠性不高。
3) CAN总线开发周期短。由于CAN控制器芯片及其接口芯片具有优良特性，可以完善CAN的通信协议，这大大降低了系统的开发难度，从而缩短了开发周期，而 RS-485仅仅采用电气协议，开发难度大，开发周期长。
另外，较之RS-485，CAN总线因具有较快的数据传输速率、较低的系统成本、较高的线利用率、极低的通讯失败率、较广的通讯距离、极其容易实现网络调试、较低的后期维护检修的成本等优势，令其获得了更为广泛的应用。
2.2 CAN总线和标准以太网综合性能比较
在目前广泛使用的以太网，是一种标准开放的局域网，它采用的传输媒体方式为共享总线型。
与CAN总线比较而言，首先，在数据传送过程中，以太网的实时性相对较差，这是由于以太网采用的协议是载波侦听多路访问（带冲突检测）；其次，以太网的可靠性更差，是因为采用的机制为超时重发，当发生单点故障时，易扩散到造成整个网络系统中，造成瘫痪事故，因而其可靠性更差[3]，并且以太网组网成本更高；最后，它们应用范围各不相同，以太网安装在220kV及以上等级变电站，而CAN总线一般应用在110kV和35kV等级变电站。图2所示为标准以太网的应用模式简图。
图2 标准以太网应用模式图
2.3 CAN总线和LonWorks总线比较
LonWorks总线成功的实现了完整的端到端的控制系统，并提供实现开放性互操作控制系统所需的所有组件，这使控制网络可以方便地与现有的数据网络完成无缝集成，LonWorks总线可同时应用在设备级以及装置级等任何一层总线中。
对LonWorks总线与CAN总线特性进行性能比较。首先，在通讯速率方面，CAN总线最高通信速率可达1M每秒，而LonWorks总线只有20K左右。另外，最显著的区别是，LonWorks总线有一个主节点，其它是从节点。当主节点有需要时，从节点才向主节点发送消息，而不能自发向主节点传送信息；而CAN总线任意时刻节点间都可互相传送信息，没有主从的限制，如果两个节点同时发送信息，那么按报文优先级来分，而优先级的确定是根据报文标示符，优先级高的可以先发。综合上述对比可以看出，在可靠性、传输距离、通讯速率等方面，CAN总线更有优势，应用更广。
3 总结
表1所示为变电站综合自动化系统中，各总线特性综合比较情况。从表1可以看出，与其他现场总线比较而言， CAN总线的数据传输率最高、通讯速率很快、采用多主网络，实时性非常强、可靠性极高、较高的灵活性和成本较低，性价比较高等特点。以上这些优点，都令目前在变电站综合自动化系统中CAN总线的广泛应用并且具有强劲的市场竞争力。CAN总线已经在国际中广泛应用，受到大家的一致认可。由于CAN总线高性价比，高可靠性以及实时性强等突出优点，相信未来CAN总线的应用范围将会越来越广。
表1：各个总线特性综合比较
参考文献：
[1] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京: 清华大学出版社,1999.
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[7] 曹海欧.郑建勇.蔡月明.基于CAN总线变电站综合自动化通信系统的研究[J].电力系统及其自动化学报.2002,14(6):24-26.
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