【摘要】在分析我国风电场微机监控系统存在的问题和CAN（Controller Area Network，控制器局域网）总线技术的主要特点和优势的基础上，建立了一种基于CAN总线的监控系统模型，该系统以CAN总线作为风电场监控系统的数据传输载体，对风电场运行过程中的各种信息指标进行实时监测，并详细阐述了CAN总线监控系统的硬件和软件的设计方法。
【关键词】CAN总线；风力发电；监测系统
1.引言
对绿色可再生能源的开发和利用，特别是对风能的开发利用，已经受到全人类的普遍关注[1]。随着我国风电产业的飞速发展，如何保证风力发电机组安全运行，高效的利用风力资源已经成为非常重要的一个课题摆在了我们面前。
风电场监控系统是保证风电机组稳定运行的关键技术之一，我国已经把风电场微机监控系统列为国产化的突破口。目前，大型风电场监控系统在我国还处在研制、开发阶段，试验的样品可靠性、功能等方面还不能满足大型机组安全稳定运行的要求。从国外引进的大型风电厂监控系统技术比较完善，但价格十分昂贵。如果机组数量太大，上、下位机之间距离超过几十公里时，这些从国外引进的监控系统在通讯方面也出现各种各样的问题，有待进一步解决。CAN总线技术在国内外许多工业监控系统中得到广泛运用，效果十分理想，把这项新技术应用在大型风电厂监控系统中是一种新的探索。
2.风电场对监控系统的要求
（1）下位机能独立运行，完成本机组安全运行所需的各种控制要求。现代微机技术发展得快，选用功能齐全、性能可靠的微机是可以完成的。这一要求比较容易实现。
（2）上位机和下位机可靠双工通讯，尽量节省通讯电缆。由于风力发电组排列不一定很规则，特别是在山上建立风电场，这就决定上位机和下位机组成的通讯网不十分规范。即不是总线形，也不是星型或环型，确切地讲，应该是分布式网络，因此，一般的通讯方式很难保证通讯可靠。
（3）一般风电场有几十台风机组成，上、下位机之间距离较远，有时可能超过几公里。这就要求双工通讯要有较强的负载能力，通讯距离较远。
（4）能避免各种干扰，主要指工业干扰（如高压交流电场、静电场、电弧、可控硅）、自然界干扰（如雷电冲击）、高频干扰（如微波通讯、无线电信号、雷达）[2]。
3.CAN总线简介
CAN总线是德国BOSH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测量仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，它能够满足分布系统在强电磁干扰等环境下可靠工作的要求。CAN总线协议具有下列几个重要特点：（1）同步、串行、多主、面向通信数据块的通信方式，网上节点数多达110个；（2）CAN总线上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活；（3）每帧数据信息为O～8个字节，具体长度由用户决定，这样可减少信息碰撞几率；（4）信息有优先级别之分，采用非破坏性总线仲裁，当总线上有两个节点同时向网络上输送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点继续发送；（5）强有力的错误控制及错误重发功能，采用CRC校检方式，每帧信息中不可检错概率少于3×10-5；（6）最大通信速率为1Mb/s，直接通信距离最远可达10km，没有物理层规定，在实际应用中可采用单线制、双线制、同轴电缆、双绞线和光缆、微波等传输介质[3]。
综上所述，CAN现场总线网络具有多主、实时、高可靠性、低成本等优点，特别适用于在条件十分恶劣的工业现场进行实时数据传输，是大型风电场现场总线类型的理想选择。
4.风电场监控系统的总体结构设计
基于上面所述风电场对监控系统的要求以及CAN总线的优点，下面采用了CAN现场总线设计了由多台风力发电机组成大型风电场的监控系统，总体结构框图如图1所示。
风电场监控系统负责管理每台风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等。为了实现上述功能，风电厂监控系统由就地监控系统、中央监控系统、远程监控制系统三个部分的有机结合组成。
就地监控系统设置在每台风电机塔筒的控制柜内，它的下位机应能将机组的数据、状态和故障情况等通过CAN总线与中央监控系统的上位机通讯，同时上位机应能向下位机传达控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能。
中央监控系统一般运行在位于中央控制室的一台通用PC机或工控机上，通过与分散在风电场上的每台风力机就地控制系统进行通信，实现对全场风力机的集群监控。风电场中央监控系统与风力机就地控制系统之间的通信属于较远距离的一对多通信，本文采用CAN现场总线作为数据传输载体。中央监控系统主要职能为：能根据画面的切换随时监视风电现场每一台风力发电机组的运行状态，控制风力发电机组运行参数，对故障机组进行实时报警处理，并做出故障诊断，给出机组发生故障的具体位置、程度以及维修建议等。
远程控制系统根据需要布置在不同地点的远方监控中心或者研究机构，实行对整个风电场的远程调度和监控，解决技术难题并进行科学研究等。远程监制系统一般通过调制解调器或电流环等通讯方式访问中央控制室主机来实现。
5.CAN总线监控系统硬件设计
鉴于就地监控系统下位机的重要性，可选用按照工业标准设计，并安装CAN总线网卡的工控机（IPC486以上配置），它从元件的选用到散热、防振、防尘、抗电磁干扰方面，都符合工业环境的要求具有很高的可靠性。
为保证中央监控系统可靠性，可使用两台装有CAN总线接口卡的高性能的商用PC构成上位机组，其中一台作为主机，另一台作为从机，主机故障时从机启用。
远程监控系统的硬件配置则根据经济条件以及个人喜好进行选择，但应具备最基本的通信以及显示等功能。
CAN通信适配卡是整个系统的关键部件，它主要由微控制器、CAN总线收发接口和CAN通信控制器三部分，配上锁存器、复位电路、EPROM、双口RAM等辅助电路和元器件组成。对于微控制器、CAN收发接口和CAN通信控制器可以分别采用8051、82C250芯片和SJA1000。CAN卡接口原理图如图2所示[3]。
CAN通信适配卡插在上位机和工控机的扩展槽上，负责将上位机和CAN总线上的数据传输点联系起来。当上位机发出信号时，通知CAN通信适配卡，CAN通信适配卡根据命令来完成数据写入、标志位的置位等工作。反之，上位机也可以通过适配卡来接收数据采集点的数据，并将数据存放在适配卡上的双口RAM中，上位机再通过RAM来读取数据。
6.CAN总线监控系统软件设计
6.1 用户层通信协议设计
根据CAN总线技术规范和ISO11898标准，上述硬件设计已经完成了物理层和数据链路层设计，所以只需设计用户层协议，其帧结构定义如图3所示。系统站点之间的通信均以该协议为基础进行数据交换。
DIR：方向位。主站向从站发送信息时为0，反之为1。
Address：地址域。主站发送信息时，该域为目的地址，从站发送信息时，该域为原地址，广播时该域无意义。
TYPE：帧类型。当其为100时，为单帧广播，为000时，为单帧点对点。主站发送信息时，帧类型为单帧点对点，从站发送信息时，帧类型为单帧广播，这样总线网上所有站点都能接收到信息。
DLC：报文长度域。给定其后数据长度，可为O～8个字节。
CmdO，Cmdl：命令功能符。根据系统具体情况，可有多种定义。本文给出了常用的几种定义，如表1所示。
物理通道序号：用户设定的输入输出通道的编号（0～255），Data（O～4），5字节长的数据[4]。
6.2 中央监控系统上位机软件设计
根据CAN网卡驱动程序提供的接口函数，用户可方便地使用C，C++，VC++等语言设计上位机初始化、发送和接收程序。程序采用主动方式发送命令信息，采用中断方式接收信息。
（1）CAN初始化它主要完成模式设置（Pe-liCAN模式）、时钟输出寄存器设置、接收码寄存器ACR设置、接收屏蔽码寄存器AMR设置、总线定时器设置和输出控制寄存器设置[5]。其流程图如图4。
（2）数据发送程序信息从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的，发送程序只需把被发送的信息帧送到CAN的发送缓冲区，并启动发送命专即可。其流程图如图5。
（3）接收程序信息从CAN总线到CAN接收缓冲区是由CAN控制器自动完成的，接收程序只需从接收缓冲区读取要接收的信息即可。
6.3 就地监控系统下位机软件设计
就地监控系统下位机（从站）主要完成两项任务：一是执行数据采集与处理和输出控制任务。二是接收主站命令，进行相应操作。第一项任务可在主程序当中完成，第二项任务在中断服务程序中完成。程序采用C51或ASM51汇编语言设计，程序流程图如图6所示。
7.结论
目前国内风电场远程监控系统大多依赖从国外进口，自主开发的监控系统对于促进风电场整体国产化建设具有举足轻重的作用。文中介绍的实时监控系统在大型风电场监控系统中得到了应用，原系统采用的是传统的DCS系统，不仅工程安装复杂，成本高，而且数据传输速率低，实时更新慢，经常出现跟踪滞后现象，影响了系统的可靠运行，严重时还出现烧毁现场设备的事故。采用文中研究设计的CAN总线实时监控系统后，不仅解决了老系统的缺点，而且提高了系统的抗干扰能力和系统信息集成能力，并且具有灵活的软硬件组态功能。实践证明，本文提出的基于CAN总线的大型风电场监控系统模型切实可行，符合未来监控技术的发展趋势。
参考文献
[1]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2]张红霞.浅谈绿色能源—风力发电的发展现状与发展趋势[J].内蒙古科技与经济，2012（21）.
[3]李建华.基于CAN总线的风电场电能质量检测与优化[D].广州工业大学，2006.
[4]段斌，林媛源，黄凌翔，于雄.风电场监控通信安全解决方案[J].电力系统自动化，2009（12）.
[5]曹小华，赵成，陶德馨.基于现场总线CAN的实时监控系统研究与设计[J].武汉理工大学学报，2005，29（6）：910-912.
作者简介：王丹（1984—），女，陕西人，硕士，西安铁路职业技术学院电气工程系助教，主要研究方向：电机与电力电子技术。