CAN總線(xiàn)在變電站高壓開(kāi)關(guān)柜在線(xiàn)檢測系統中的應用

引言

高壓開(kāi)關(guān)柜在電力系統中擔負控制和保護的雙重作用，隨著(zhù)電網(wǎng)日益擴大和供電可靠性日益提高，以及變電站無(wú)人值班管理模式的普及推廣,高壓開(kāi)關(guān)柜的安全運行越來(lái)越重要,因此迫切需要高壓開(kāi)關(guān)柜具有高可靠性,并能即時(shí)監視開(kāi)關(guān)柜的運行狀態(tài),以便采取預防措施防止事故發(fā)生。由于電子信息技術(shù)的進(jìn)步,現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)在高壓開(kāi)關(guān)柜功能智能化系統中得到了廣泛應用，使高壓開(kāi)關(guān)柜的在線(xiàn)檢測系統形成了一個(gè)分布式的監測系統,并使整個(gè)系統較傳統的集中監測系統性能增強,功能更為完善。

1.CAN總線(xiàn)技術(shù)及其特點(diǎn)

在傳統的變電站監測系統中,一般采用BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn),但在實(shí)際應用中都有以下缺陷：

①BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)上只能有一個(gè)主節點(diǎn),無(wú)法構成多主系統,一旦主節點(diǎn)出現故障，系統就不能正常運行，導致整個(gè)系統的可靠性較差；
②BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)的抗干擾能力較差，不適應在高電磁環(huán)境下運行，而且起錯誤處理能力也很差；

③數據通信方式是命令響應式,下端節點(diǎn)只有在在收到主節點(diǎn)的命令以后,才能響應,從而造成數據不能及時(shí)上傳,導致整個(gè)系統實(shí)時(shí)性較差，不適用于開(kāi)關(guān)柜在線(xiàn)檢測這種要求實(shí)時(shí)性很高的系統中。

為了解決BITBUS總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)在應用中的一系列問(wèn)題，本文采用了目前在工業(yè)測控系統中常用的控制器局域網(wǎng)絡(luò )CAN(Controller Area Network)。CAN總線(xiàn)采用差分驅動(dòng),可適用于高噪聲干擾的環(huán)境且具有較強的糾錯能力,目前已形成國際標準ISO11898規范，并以其價(jià)格低廉，可靠性高，結構靈活的特性已被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。
CAN采用了OSI/ISO模型全部七層中的兩層，即物理層和數據鏈路層,用戶(hù)可以以這兩為基礎，根據實(shí)際需要來(lái)開(kāi)發(fā)相應的應用層通信協(xié)議。CAN主要特點(diǎn)有：
①可以多主方式工作,網(wǎng)絡(luò )上任意節點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向總線(xiàn)上其它節點(diǎn)發(fā)送信息,因而可以構成多主機系統;

②當CAN節點(diǎn)嚴重錯誤時(shí),具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能,切斷該節點(diǎn)與總線(xiàn)的聯(lián)系,使總線(xiàn)上的其他節點(diǎn)及通信不受影響,故具有較強的抗干擾能力。

③采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù),當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)上發(fā)送信息時(shí),優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止數據發(fā)送,而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據,節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間，避免了總線(xiàn)沖突；

④總線(xiàn)上的節點(diǎn)信息可以分成不同的優(yōu)先級,以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求；

⑤ 可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數據；

⑥ CAN的通信距離最遠可達10km/5kbps,通信速率最高可達1Mbps/40m,CAN上的節點(diǎn)數實(shí)際可達110個(gè);

⑦ CAN采用短幀結構，每幀信息含有8個(gè)字節，并有CRC校驗等檢錯措施,傳輸時(shí)間短，保證了數據出錯率低;

⑧ 通信介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖,選擇靈活。

總之,采用CAN總線(xiàn)實(shí)時(shí)性強、可靠性高，用戶(hù)接口簡(jiǎn)單，非常適合用于變電所中構成高壓開(kāi)關(guān)柜故障在線(xiàn)檢測系統。

2.系統總體設計方案

高壓開(kāi)關(guān)柜在線(xiàn)檢測系統結構如圖1所示

整個(gè)系統通過(guò)CAN總線(xiàn)將各采集單元模塊和監控計算機單元連成分布式結構的現場(chǎng)控

制網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中計算機和各個(gè)檢測單元模塊分別有自己的ID標志，且保證各自的ID不能重復。由數據采集單元模塊采集開(kāi)關(guān)柜的各種信號參數，通過(guò)CAN總線(xiàn)送至系統監控機單元，建立起全變電站高壓開(kāi)關(guān)柜的數據庫，計算機對整個(gè)CAN總線(xiàn)系統進(jìn)行監視管理，具有系統參數（如傳輸速率、節點(diǎn)地址等）設置、數據發(fā)送、數據接受、本機狀態(tài)查詢(xún)、節點(diǎn)狀態(tài)查詢(xún)、中斷狀態(tài)查詢(xún)等功能。系統監控機單元采用工業(yè)控制機配CAN總線(xiàn)通信接口卡組成，它接收數據采集單元模塊發(fā)來(lái)的數據,經(jīng)計算機進(jìn)行相應的計算處理得出高壓開(kāi)關(guān)柜的各個(gè)參數的值,根據各種參數及其波形等相關(guān)性質(zhì),從而具體分析得出高壓開(kāi)關(guān)柜的工作狀態(tài)。CAN總線(xiàn)通信接口卡使工控機能方便地連接到CAN總線(xiàn)上，它由CAN接口電路及其與計算機串口的連接電路組成，確保數據能準確地在CAN總線(xiàn)和計算機之間流通。

3.硬件電路設計

由于計算機串口是標準的RS-232接口，發(fā)出的數據信號是以字節為單位進(jìn)行傳送，而CAN總線(xiàn)信號是以幀為單位進(jìn)行傳送的，因此我們要想在計算機串口與CAN總線(xiàn)之間進(jìn)行數據傳送，就必須有CAN總線(xiàn)通信接口卡，此卡的作用就是把計算機串口發(fā)出的信號和CAN總線(xiàn)發(fā)出的信號進(jìn)行格式轉換，使每一方都能識別對方發(fā)送來(lái)的信號，實(shí)現數據流通。

本文CAN總線(xiàn)通信接口卡硬件電路設計如圖2所示，圖中省略了振蕩電路和復位電路。

3.1 CAN接口電路

3.1.1CAN控制器的選取

本文選取了SJA1000芯片，它支持CAN2.0B通信協(xié)議，它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件上和軟件上完全兼容，并在其基礎上增加了新功能：標準幀數據結構和擴展幀數據結構，并且這兩種幀格式都具有單/雙接收過(guò)濾器；64字節的接收FIFO；可讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的錯誤計數器和錯誤限制報警以及只聽(tīng)方式等等。

3.1.2CAN收發(fā)器

PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器和物理總線(xiàn)間的接口，可提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收能力。它有三種不同的工作方式：高速、備用和斜率控制。一般采用斜率控制方式。硬件電路中使用PCA82C250是為了增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線(xiàn)等作用。

圖2CAN總線(xiàn)通信接口卡硬件電路圖