微處理器實(shí)現可通信智能電流繼電器

摘要：通過(guò)對一種基于微處理器和CAN總線(xiàn)可通信智能電流繼電器的設計，實(shí)現了傳統的限時(shí)速切繼電保護功能需要電磁式電流繼電器、時(shí)間繼電器和信號繼電器組合在一起才能實(shí)現的功能。在此設計的可通信智能電流繼電器，不僅能夠完成限時(shí)速切功能，還可實(shí)現現場(chǎng)電器與上位機實(shí)現雙向通信功能，可對繼電器的動(dòng)作參數(電流值、時(shí)間值)進(jìn)行顯示、設定和修改，通過(guò)總線(xiàn)系統實(shí)達到遙調、遙控的目的，進(jìn)一步使得繼電器的性能得到提高，滿(mǎn)足電力系統的要求。

　　關(guān)鍵詞：節點(diǎn);可通信電器;智能繼電器;CAN總線(xiàn)

　　引言

　　傳統繼電器檢測和保護功能多由電磁器件完成，其動(dòng)作時(shí)間長(cháng)，保護精度低，已不能滿(mǎn)足現代輸、配電系統自動(dòng)化的需要。智能化低壓電器其技術(shù)特點(diǎn)主要是可通信，能與現場(chǎng)總線(xiàn)連接，這種技術(shù)給低壓電器帶來(lái)革命性的變化，為此對低壓電器提出了可通信要求。

　　本文研究的電力系統限時(shí)速切繼電器的保護功能，是采用微處理技術(shù)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)等設計的可通信的智能化繼電器。這里研究的限時(shí)速切繼電器，以CAN總線(xiàn)(Controller Area Network)作為一種支持分布式控制的底層串行通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現現場(chǎng)電器與上位機之間的信息傳遞，具有通信實(shí)時(shí)性好、可靠性高、連接使用方便靈活等特點(diǎn)，非常符合國內低壓電器的發(fā)展趨勢。

　　1 基于CAN總線(xiàn)的可通信智能繼電器總體設計

　　在采用總線(xiàn)連接微機和微處理器系統構成的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中，由微處理器系統構成的下位節點(diǎn)都能夠獨立完成一定功能，還可進(jìn)行直接的參數設定和顯示等，每個(gè)下位節點(diǎn)都可通過(guò)總線(xiàn)將數據傳送給上位PC監控節點(diǎn)或其它相關(guān)的節點(diǎn)，使相互關(guān)聯(lián)的繼電保護裝置之間具有了數據交換的功能，可以協(xié)調工作。

　　本文設計的限時(shí)速切繼電器，在CAN總線(xiàn)上連接一個(gè)上位監控PC節點(diǎn)和3個(gè)下位智能電流繼電器節點(diǎn)，構建智能繼電器的監控保護系統，系統結構示意如圖1所示。

　　為了增強通信的可靠性，CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的2個(gè)端點(diǎn)通常要加入終端匹配電阻，阻值的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定。系統設計采用雙絞線(xiàn)連接，特性阻抗為120 Ω，則總線(xiàn)上的2個(gè)端點(diǎn)集成120 Ω的終端電阻即可。

　　2 基于CAN總線(xiàn)的可通信智能繼電器硬件設計

　　智能繼電器節點(diǎn)的硬件組成主要包括：主控單元、測控電路(數據采集和轉換、監控存儲電路、按鍵和顯示部分、動(dòng)作信號)、CAN通信接口和電源等部分組成，如圖2所示。

　　2.1 主控制器

　　鑒于P87C591強大的80C51性能和A/D轉換及cAN相關(guān)特性，對于我們開(kāi)發(fā)基于CAN總線(xiàn)通信的智能繼電器是非常適合的。因此，系統的主控制器選用功能強大的P87C591單片機，作為主控制器的首選芯片。不但可以滿(mǎn)足數據處理的要求，還可不必外接CAN控制器直接實(shí)現CAN通信功能，大量節省了硬件資源。

　　2.2 存儲監控部分

　　監控設計包括監控電路設計和軟件監控程序設計2部分，硬件監控電路功能主要包括數據保護、上電復位、掉電復位、“看門(mén)狗”定時(shí)器(選用具有SPI接口的Xicor公司的25043/5系列)和電源監測等部分。

　　2.3 按鍵和顯示部分

　　可通信智能繼電器所應用的繼電保護系統，對于各個(gè)保護的節點(diǎn)的監測都需通過(guò)上位控制PC機來(lái)實(shí)現，采樣成本低、接口簡(jiǎn)單、功耗小的液晶顯示模塊?？刂破鞯娘@示部分采用青云公司的LCM061A六位八段模塊作為顯示輸出。使用者只要向LCM送入相應的命令和數據就可實(shí)現所需要的顯示，模塊與CPU連接簡(jiǎn)單，使用起來(lái)靈活方便。至于按鍵，本系統只需4個(gè)按鍵即可實(shí)現參數修改和設定，因此可分別與主控制器的I/O口直接相連即可。

　　2.4 信號部分

　　電流繼電器整個(gè)繼電器節點(diǎn)工作情況是先用微控制器完成電流的比較、時(shí)間的控制，如果所監測線(xiàn)路中的電流超出設定的電流值，則開(kāi)始計時(shí)并繼續比較電流值。若到了設定的時(shí)間發(fā)現被采集的電流值仍然大于設定值，那么微控制器發(fā)出使繼電器動(dòng)作的控制信號。由于單片機I/O口輸出電流為1.6 mA，不能達到繼電器動(dòng)作電流，所以我們通過(guò)7407芯片將驅動(dòng)電流放大至40 mA以驅動(dòng)繼電器動(dòng)作。

　　2.5 數據采集和轉換

　　因為智能電流繼電器所需采集的電流為線(xiàn)路中的電流值，而針對電力系統輸、配電線(xiàn)路中通過(guò)的高電壓和大電流，必須選用電流互感器。測量?jì)x表選用容量為5 VA，二次側額定電流為1 A的互感器，將互感器二次側電流通過(guò)采樣電阻轉換成對于一定比例關(guān)系的電壓值。

　　A/D轉換采用外接MAXIM公司12位精度高速A/D轉換芯片，是因為P87C591內部芯片所帶的10位A/D為單極性轉換，不能滿(mǎn)足交變電流采樣雙極性的要求。利用MAX197，P87C591以及驅動(dòng)與隔離電路構成一個(gè)完整的實(shí)時(shí)測控系統。

　　采用查詢(xún)的方式通過(guò)P口讀取/INT引腳的電平是否為低，如果不為低就繼續查詢(xún)等待，如果為低電平則可讀取數據。A/D轉換程序放在T0中斷程序中進(jìn)行，每隔1 ms進(jìn)行一次模擬數據采集和轉換，在轉換的間隙MAX197處于低電流關(guān)斷狀態(tài)。

　　2.6 節點(diǎn)電源

　　智能節點(diǎn)系統中所需的+5 V直流電源，需將有效值為220 V、頻率為50 Hz的交流電經(jīng)降壓、整流和濾波，再經(jīng)過(guò)降壓和穩壓電路后作為節點(diǎn)的電源。

　　2.7 通信部分

　　集成在P87C591中的CAN控制器SJA1000和CAN高速收發(fā)器PCA82C250以及高速光電耦合器6N137構成通信的主要部分，其中SJA1000是實(shí)現CAN總線(xiàn)通信的核心芯片，與收發(fā)器82C250配套使用，組成完整的CAN通信接口。SJA1000工作模式采用BasicCAN模式，滿(mǎn)足數據傳輸量不大的一般性工控場(chǎng)合，故被本系統采用。單片機對SJA1000進(jìn)行控制及收發(fā)數據均通過(guò)對SJA1000的內部寄存器的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)來(lái)實(shí)現的，操作如同訪(fǎng)問(wèn)外部RAM。PCA82C250負責與CAN物理層的連接，接收和發(fā)送數據。為了增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，P87C591的TXDC和RXDC(即SJA1000的TX和RX)通過(guò)高速光耦6N137后與PCA82C250相連，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源必須完全隔離，這樣才能達到隔離的作用。為了防止PCA82C 250受過(guò)流的沖擊，CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5 Ω的電阻與CAN總線(xiàn)相連。另外，在CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個(gè)30pF的小電容，以濾除總線(xiàn)上的高頻干擾和防電磁輻射口。