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摘要：针对电力系统通信效率问题，基于背板总线，在继电保护装置中，应用FlexRay总线，以继电保护装置内部的不同模块，作为总线节点，进而实现通信。FlexRay总线凭借通信效率高、时效性好、容错性强等优点，已经成为了电力系统继电保护装置通信的主要方式，逐渐取代了CAN总线协议。
关键词：FlexRay总线；电力系统；继电保护；通信
随着FlexRay总线的发展，使其被应用于不同领域，作为主要的通信协议，以此发挥着重要的作用。FlexRay通信机制的应用研究刚刚起步，FlexRay总线是基于FlexRay总线协议，所建立的线控转向系统，已经被作为主要的通信网络被广泛的应用。
1 FlexRay总线概述
FlexRay帧是由头部段、负载段、尾部段组成。FlexRay网络通信节点在进行报文帧发送时，按照头部段-负载段-尾部段的流程进行。FlexRay协议的媒体访问控制方式，其是基于通信周期实现的，FlexRay所提供的媒体访问方式，主要包括柔性时分多路访问方式（动态段）、时分多路访问方式（静态段）。通信周期主要包括符号窗口、动态段、网络空闲时间、静态段，通过总线实现的数据传输。
2 FlexRay总线应用优势
FlexRay总线在电力系统继电保护装置中，具有以下应用优势：1）通信速率高。其单通道速度能够达到10Mbits/s，而双通道速率则能够达到20Mbits/s。2）实时性好。其采用周期循环方式通信，通信周期中的静态段，采取的是时间触发技术，接收器能够预测数据到达的时间，预测偏差小。3）容错性强。FlexRay总线单通道通信时，能够实现与物理层的监控器连接，若系统节点出现故障，则总线监控器能够及时断开控制器以及总线，确保其他节点的运行。而双向通道则利用传输相同数据，来实现冗余容错。4）载荷数据容量大。因为FlexRay帧，其数据结构较为复杂，每帧的数据容量能够达到254字节，适用于多数据信息传输[1]。
3 FlexRay总线在电力系统继电保护装置中的具体应用
3.1 继电保护装置内部的FlexRay组网方案
继电保护装置内部，不同独立板卡作为其功能模块，各个板卡之间则利用背板总线实现连接。而背板总线解决方案则是利用FlexRay实现的，而各个板卡就是通信节点，以此实现的通信。在继电保护装置内部，构件网络化硬件平台，利用FlexRay总线实现通信，以此确保微机保护装置软件与硬件的模块化功能能够实现，极大程度上提高了软硬件运行的可靠性。该组网方案选用的是总线型拓扑结构，使用双通信通道，以冗余运行，进而提高通信的可靠性，节点数目最多能达到22个，各节点之间最远的通信距离是24m[2]。
3.2 FlexRay通信节点设计
3.2.1 FlexRay总线通信节点构成
FlexRay总线通信节点结构构成中，主要包括MCU、总线驱动器、FlexRay通信控制器。MCU主要功能是进行数据处理，以满足节点功能需求。通信控制器主要功能是支持FlexRay协议运行。总线驱动器的功能是实现FlexRay物理层信号接收与发送。电力系统继电保护装置选用的多为集成型通信控制器，以此来简化硬件设计以及软件设计，同时因为集成型通信控制器的FlexRay总线在芯片内部，因此具有较强的抗干扰能力，而且系统的可靠性较高。集成型FlexRay通信控制器作为MCU的主要内部资源，是的MCU在读写的时间周期较小，不需要消耗较多的时钟周期，能够提高FlexRay通信节点的性能。
3.2.2 FlexRay总线通信节点实现方案
电力系统继电保护装置内部，将额板卡作为通信节点，利用FlexRay总线实现连接，使得核心功能板卡具有较大的运算量，比如通信、逻辑运算板卡等，辅助功能板卡的运算量较小。基于智能电网系统中的继电保护装置运行需要，则FlexRay总线通信节点实现可以通过以下方案：1）使用32位MUC MPC5567型号的MCU，其内部功能模块将FlexRay模块集成在一起，作为通信节点实现支撑。2）使用16位MCU MC9S12XF型号的MCU，该型号MCU拥有协处理器Xgate，同时该MCU内部模块将FlexRay模块集成在一起。3）使用16位MCU MC9S12XE，使用将FlexRay通信控制器，型号为MFR4310，其符合将FlexRayV2.1A标准。FlexRay通信节点实现方案中，使用的总线驱动器型号为TJA1080A，其具有较强的性能，能够对总线进行监控[3]。
3.3 设计要点
基于将FlexRay物理层协议功能实现要求，总线驱动器同物理层接口电路图如图1所示。此接口设计能够满足不同FlexRay通信节点实现方案，L1是共模扼流器，其设计要点是频率在20-50MHz，共模扼流器率是最大的，R13与R14的型号精度要高，确保匹配性。FlexRay总线系统的运行参数确定，则需要不同类型参数进行设置，对于通信周期、时间宽度、动静态段、同步节点等参数，则需要基于继电保护装置的运行需求以及设备性能而定。对于同步节点总数以及冷启动尝试次数等参数，则需要根据FlexRay通信协议规定来设置，确保FlexRay总线通信的合理性以及正确性。
图1 总线驱动器同物理层的接口电路示意图
结束语
FlexRay总线在电力系统的继电保护装置中应用，与CNA总线相比，其通信速率更高，而且实时性好，具有较强的容错性，因此被广泛的应用。FlexRay总线在继电保护装置中应用功能实现，则需要设计通信组网方案，设置运行参数，基于继电保护装置的运行需求，以及FlexRay总线系统运行的安全性以及合理性。
参考文献
[1]丁毅,叶品勇,郭晓,徐頔飞,尹军.基于背板总线的继电保护装置过程总线功能设计[J].电力自动化设备,2013（08）:162-166.
[2]王琴,陈欣,吕迅竑.基于FlexRay总线的无人机飞行控制计算机[J].兵工自动化,2011（12）:30-34.
[3]王闯.FlexRay总线在线控转向系统中的应用研究[J].自动化仪表,2015（08）:38-41.
论文作者:朱爱芳
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/16
标签：总线论文; 通信论文; 节点论文; 保护装置论文; 继电论文; 板卡论文; 电力系统论文; 《电力设备》2016年第24期论文;