现场总线在电力远程监测管理系统中的应用

利用极为普遍的公用电话网实现MODEM远程抄表是目前电力远程监测管理的主要方式之一。常见的MODEM抄表系统是管理中心通过电话网以发散的形式与分散于各台变区域的集中器连接，形成1对N的星型通信网络。由于利用电话线进行通信通常需要较长时间进行握手应答和线路续接，数据点较多时通信效率很低;另外，当集中器数目较多时，租用的电话线也较多，尤其在居民密集的城区，集中器的密度很大，管理中心的电话租借费用将相当高。因此，上述缺点限制了传统的基于电话网的电力远程监测管理系统的推广使用。

为此，笔者开发了一种基于CAN总线的电力远程监测管理系统。该系统打破了传统的一个集中器一部电话的组建模式，而将位置相对集中的多个集中器用CAN总线组成局域网，一个局域网只需一部电话与管理中心通信。这种组建方式一方面大大减少了集中器电话租借数目，大大降低了通信成本;另一方面，利用CAN总线特有的广播通信方式，可有效提高系统的实时通信能力。

1 电力远程监测管理系统构成

基于CAN总线的电力远程监测管理系统是一个三级分布式检测系统，主要由管理中心、集中器、采集单元、通信信道、采集终端等5部分组成，系统结构如图1所示。

图1中，系统信道包括电话线、CAN总线和RS-485总线。采用电话线拨号方式，三级通信包括管理中心与主集中器之间的MODEM通信、主集中器与从集中器之间的CAN总线通信、集中器与采集单元（或采集模块、采集终端）之间的RS-485总线通信，通过MODEM的调制和解调功能，能够及时、方便地进行系统的远程信息传输，与主集中器实现信息交换：每台主集中器通过CAN总线，可以管理10 km内安放在各配电变压器附近的从集中器（CAN节点），从集中器为1～110个;从集中器通过RS-485总线，采用的SN65LBC184芯片规定的从机个数为1～64个，因此系统采集终端的个数也为1～64个，（即1～1024户居民用户电表），管理变压器采集单元和低压居民用户采集终端;每个采集终端可以实现1～16户居民用户的电量采集与采集信息传输。


图1 基于CAN总线的电力远程监测管理系统

2 CAN总线通信系统设计

CAN总线是电力远程监测管理系统主、从集中器之间的通信链路，CAN总线通信的稳定可靠是电力远程监测管理系统运行成败的关键。

2.1 CAN总线简介

CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是一种先进的串行通信协议，属于现场总线范围。CAN总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高噪声环境，并具有较远的传输距离，特别适合中小型分布式测控系统。由于CAN具有实时性好、可靠性高、抗干扰能力强、传输距离远、通信速度快、采用短信息帧结构和多主通信方式以及可使用多种通信介质等许多优点，在航空、航海、汽车、建筑物环境控制、机床、医疗设备等领域以及各种工业自动化控制系统中得到了广泛的应用。

2.2 CAN总线分布式测控网络的组建方法

多个CAN节点通过传输介质按一定的形式互连，就可以组成CAN通信网络。与RS-485总线类似，CAN总线只支持总线型网络拓扑结构，不支持环形或星型网络。CAN总线通信只用到两根导线CAN_H、CAN_L，对通信介质的要求较低，双绞线、同轴电缆或光纤均可，通常采用廉价的双绞线即可。由集中器节点组成的CAN总线分布式测控网络结构如图2所示。

图2 CAN总线分布式测控网络结构图

图2中，总线的两个末端均接有抑制信号反射的终端电阻RT，一般取RT=100～120Ω。在实际组网时，应根据现场情况决定图中的3个参数：节点分支长度D应小于0.3米;相邻节点的距离S和不加中继的可靠通信距离L取决于总线的通信速率，速率越高，其允许值越小。按照CAN国际标准ISO11898的建议，在总线位速率为1Mbps时，S和L的值应小于40m，但当总线位速率小于5Kbps时，L的允许值可达10Km。

3 主、从集中器之间的通信方式

在本电力远程监测管理系统中，主、从集中器之间是一种典型的分布式通信系统，以主从方式进行通信，即系统中必须且仅需一个主集中器，其余均为从集中器。所有通信皆由主集中器发起，从集中器之间不能、也无必要通信。

3.1 主、从集中器地址分配

CAN协议的报文标识符可以使不同的数据发往不同的节点，也可以使不同的节点同时收到相同的数据。若定义某CAN节点只接收以某个特定的标识符开始的数据，则可以近似地把该标识符作为此节点的“地址”。

电力远程监测管理系统中，主、从集中器作为CAN总线的节点都工作于增强模式（PeliCAN mode），以扩展帧双滤波方式传递报文。对于扩展帧而言，滤波器1由ACR0、ACR1、AMR0和AMR1构成，滤波器2由ACR2、ACR3、AMR2和AMR3组成，扩展帧格式的CAN信息帧的29位标识符中也只有高16位（ID28～ID13）参与了滤波。两个滤波器在过滤数据时是“或”的关系，即只要CAN信息帧通过其中任意一个滤波器的验收，就可以被接收。如图3所示即为扩展帧格式的双滤波器验收滤波流程图。


图3 扩展帧格式的双滤波器验收滤波流程

系统为每个CAN节点的滤波器1的验收码寄存器ACR定义了不同的数值，用以区分不同的集中器，即为集中器分配了地址，其中主集中器的地址为0001，这是区分主、从集中器的标志。有了这个CAN节点地址，分布式系统中的主集中器就可以和系统中任意一个从集中器交换数据，即进行点对点双向通信。所有从集中器的滤波器2的ACR值均为FFFFH，作为接收主集中器广播数据的地址。主、从集中器的地址分配如表1所示。

表1 主、从集中器的地址分配


由上可见，基于CAN总线的分布式通信系统中，主、从集中器之间实质上存在着两条信息通道，即所有CAN节点的滤波器1构成了点对点信息交换通道（点名通道），所有CAN节点的滤波器2构成了一点对多点的信息交换通道（广播通道）。其中点名通道是双向的，广播通道是单向的，即CAN信息帧由主集中器发出，所有从集中器进行接收。CAN总线分布式测控网络信息通道抽象示意图如图4所示。

图4 CAN总线信息通道抽象示意图

3.2 点名通信

进行点对点双向通信（点名）时，主集中器发送的信息帧高16位标识符即为从集中器的地址（点名地址）。系统所有从集中器的验收屏蔽码AMR全为0，即要求滤波器1和滤波器2进行全值滤波，只有当从集中器的滤波器1验收码ACR设定值与主集中器发送的点名地址完全相符时，该从集中器才可以接收数据。主集中器的验收屏蔽码AMR全为1，实现无条件滤波，可以接收所有从集中器的数据，这个特点是主从式通信系统中主机所应具备的特点。

点名通信由主集中器发起，通过总线送出信息帧后，所有从集中器均进行滤波，但只有符合点名地址的那个从集中器才能接收到命令和数据，由其CAN控制器SJA1000向CPU发出中断请求。从集中器的中断服务程序根据接收的命令或数据执行相应的操作，然后向主集中器发送返回信息。

3.3 广播通信

进行广播通信时（如整点对时、发布统一费率等），主集中器发送的信息帧高16位标识符是FFFFH，所有从集中器均可通过各自的滤波器2接收数据，从而实现全局广播通信。广播通信可以使同一CAN局域网内的所有从集中器同时接收主集中器的命令或数据，体现了通信的实时性和同步性。

4 结束语

基于CAN总线的电力远程监测管理系统利用CAN总线实现了位置相对集中的变压器台区的组网通信，大大减少了MODEM抄表所需的电话租借数目，大幅降低电话租借费用，取得了良好的经济效益。实际运行表明：CAN总线可以实现主、从集中器之间的可靠通信。因此，本系统所采用的CAN总线通信方式可推广到其它类似的分布式测控系统。

本文作者创新点：构建了基于CAN总线的分布式测控网络系统;充分利用CAN控制器SJA1000增强模式下双滤波器的特性，实现了主、从集中器之间的点对点通信和广播通信;本系统已经实践考验，具有很高的实际应用价值。