摘要：变电站通信电源为站内所有通信设备提供稳定可靠的直流电源，作为站内通信系统的“心脏”，通信电源在电力通信系统中具有无可比拟的地位。现在大多数变电站都是无人值守，所以对变电站内通信设备的依耐性非常高，而通信电源的好坏无疑将影响整个电力通信系统的稳定运行。本文针对现有的通信电源监测系统存在的一些弊端，提出了基于CAN总线的通信电源监测设计方案以及ＣＡＮ总线在未来电力物联网中的应用设想，具有重大的改进作用。
关键词：通信电源；电力通信系统；电源监测；CAN总线；电力物联网
引言
现在变电站的自动化程度越来越高，各种信息的获取都是通过计算机和网络，所以对通信的要求也越来越高。电力通信网络是电网企业的专用通信网络，上面承载着各种生产实时业务和管理信息业务，特别是继电保护、安稳系统、调度自动化和调度电话等业务是保障电网能够安全稳定运行的基础业务[1]。作为电力通信系统的“心脏”，通信电源的重要性不言而喻，所以对通信电源的运行情况进行实时监测是必不可少的[2]。
现有的通信电源监测大多采用串口RS232或RS485通信，传输距离近、速度慢、可靠性不高，而且监测节点少，通信模式为主从模式，组网困难。特别是随着电力物联网的发展，对变电站内各种信息的采集密度更高、通信节点更多，现有的传感网络不能满足未来全面感知的要求。CAN总线作为一种成熟的现场总线，具有成本低、通信速率高、距离远、可靠性高、组网便捷等优点而广泛应用在汽车工业、航空工业、工业控制等领域[3]。
1 变电站通信电源结构简介
现代变电站内通信电源基本上都是采用直流-48V电源供电，只有少数早期的设备采用交流供电。变电站通信电源结构框图如图1所示。
图1 变电站通信电源结构框图
交流电源是来自变电站内的市电，一般有两路来自不同母线的交流输入，确保其中一路交流失压后马上切换到第二路。整流模块是整个通信电源系统中最核心的部分，它将交流电源变换成直流电源，为直流通信设备负载供电，同时对蓄电池充电。一般都配有多个整流模块，当某一个整流模块发生故障后，其他模块还能继续工作。正常情况下，蓄电池处于浮充状态，只有在两路交流失压或者所有整流模块都发生故障的情况下，才切换到蓄电池供电。不间断电源UPS为变电站内少数的交流设备供电，当两路市电都失压后，蓄电池给UPS的逆变器供电，将直流转换为交流后为交流负载供电。
从上面的结构图中我们可以到，变电站内通信电源运行是否稳定，主要由市电、整流模块和蓄电池三大部分决定。所以对通信电源系统的监测也是以这三大部分为目标，通过各种监测手段，实时采集它们的数据发送给监控中心，这样就能远程监控通信电源的实时运行状态。
2 现有变电站通信电源监测系统结构及存在的不足
2.1 现有通信电源监测原理
目前佛山供电局变电站通信电源监测都是采用直流或交流变换器将高电压转化为低电压，然后接入数据采集单元，再接到协议处理器，最后通过路由器传送到网管中心，原理图如图2所示。
图2 通信电源监测原理图
交流电压和直流电压经过电压变送器后，变换为数据采集单元能够采集的电压范围。数据采集单元将各路电压变送器采集来的数据进行转换和整合再通过串口发送给协议处理单元。由于串口的传输距离有限，不能直接发送给网管中心，所以必须经过协议转换后再通过变电站综合数据网传送到网管中心。
2.2 现有通信电源监测系统存在的不足
从2.1的原理分析中可以看出现有的通信电源监测系统存在以下不足：首先，电压采集精度不高。电压变送器输出的是经过转换后的模拟电压信号，然后通过导线连接到数据采集单元，这中间有一定的距离，而且变电站内各种干扰信号比较多，所以到达数据采集单元的模拟信号有一定的失真。用这个失真的模拟信号数据计算实际的电压值时就会产生误差，从而影响采集精度。其次，串口通信传输距离短、速率低。数据采集单元将获取的各路模拟电压信号经过采样、计算、编码后得到数字信号，再通过串口RS232输出到协议处理单元。RS232协议传输距离较短，而且随着距离的增加会导致速率下降和误码率升高。RS232是单点到单点的传输协议，当有多个节点时，通信就会瘫痪。最后，系统采集通道有限，不能灵活增减采集通道。当数据采集单元采集通道满后，若需增加一路采集通道，则要新增一个数据采集单元，造成资源浪费。
3 CAN总线通信的原理和优点
CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，它是一种有效支持分布式控制和实时控制的穿行通信网络。CAN总线通信原理模型如图3所示。
图3 CAN总线通信原理模型
CAN总线通信由两根线组成，分别是CAN_H和CAN_L。所以节点的CAN_H接到一起，CAN_L接到一起。每个节点上都有一个CAN控制器，负责CAN协议的处理。各个节点之间都可以相互通信，任何一个节点都可以作为主节点和从节点，所以对比串口的主从方式而言，通信方式要灵活很多，实时性更强。
CAN总线最大的特点是它的稳定性，它具有完整的发错重发、错误校验等一系列差错控制协议，确保发送和接受的数据完整性，这是串口RS232和RS485无法实现的。
4 基于CAN总线的通信电源监测系统
基于CAN总线的通信电源监测系统采用分布式采集方式，每个采集节点采集一路数据，然后通过CAN总线发送给协议转换单元，系统原理图如图4所示。
每个监测节点都有一个独立的数据采集单元和CAN总线协议控制器。监测系统能够监测市电交流、整流模块、蓄电池单体以及负载设备的电压。若需监测新增设备的电压，只要增加一个监测模块接到总线上即可，方便随时增减监测单元而不需要改变网络物理结构，网络组网非常灵活。
现有的电源监测系统不能监测蓄电池的单体电压和负载设备电压，只能监测母线电压。若只是某个负载设备单独掉电，则系统不能监测到。本监测系统不仅能监测每个蓄电池的单体电压，还能监测单个设备的电压，大大提高了监测系统的可靠性。
每个监测节点都有一个唯一的ID，当总线空闲时，监测节点将采集到数据发送给协议转换设备，然后将数据打包发送给路由器，再通过以太网反馈到网管中心。CAN总线支持多主方式工作，网络上的任何监测节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接受/发送数据。当多个节点同时发送信息时，CAN总线采用仲裁协议，按优先级的高低，依次发送消息，这样就避免了总线冲突[4]。CAN总线上还可以挂接其他告警设备，当通信电源异常时能够发出声光告警，就算以太网中断后，变电站值班室的工作人员也能及时发现故障。
随着泛在电力物联网发展，变电站内各种智能传感器越来越多，传感网络越来越复杂，如何实现各个节点之间的相互通信以及海量数据的稳定传输，这是一个亟待解决的问题。单个CAN总线控制器最大支持256个通信节点，理论上可以无限扩展，能够满足电力物联网时代“万物互联，全面感知的要求”。
图4 基于CAN总线的通信电源监测系统原理图
5 结语
本文介绍了佛山供电局现有通信电源监测系统的构成和原理，并指出了其不足的地方。为了解决这些弊端，提出了一种基于CAN总线的通信电源监测系统设计方案，并给出了该方案的设计原理和思路，以及对ＣＡＮ总线未来在电力物联网中的应用提出了设想。采用该方案的通信电源监测系统很好的解决了现有监测系统存在的监测通道少、通信速率低、组网不灵活、运行不稳定等问题，具有很好的实用价值。
参考文献：
[1]阮筠萃，杨言.基于电力通信网管系统实时故障的探讨[J].电子测试，2013，（22）：119-121.
[2]刘晓建，张站春，孙晓慧.通信电源监测预警系统[J].电力系统通信，2007，28（177）：54-58.
[3]李克俭，陈文辉，高远.基于CAN总线的电力直流电源监控系统的设计[J].工矿自动化，2008，2（1）：93-95.
[4]皱松清.基于CAN总线的设备运行状态远程监控系统通讯的实现[J].控制与检测，2008，（2）：43-47.
论文作者:蔡勇超
论文发表刊物:《云南电业》2019年7期
论文发表时间:2019/12/13
标签：总线论文; 通信电源论文; 节点论文; 电压论文; 监测系统论文; 变电站论文; 站内论文; 《云南电业》2019年7期论文;