基于CAN總線(xiàn)的智能斷路器網(wǎng)絡(luò )模型

　　0 引言

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)、信息技術(shù)的進(jìn)步，電力設備向著(zhù)可通信、智能化、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。低壓斷路器是為供配電網(wǎng)絡(luò )提供過(guò)載、短路和欠壓等保護及避免接地等故障破壞的重要電氣元件，智能控制器是實(shí)現其測量和完成各種保護功能的核心控制單元，斷路器的智能化主要體現在控制器上。

　　目前，國內正致力于開(kāi)發(fā)國產(chǎn)第四代斷路器，斷路器需具有智能化、模塊化、可通信化的功能，供電系統中多臺智能型斷路器需實(shí)現集中監控、連鎖保護功能。

　　智能斷路器接入控制網(wǎng)絡(luò )有多種方案，如基于現場(chǎng)總線(xiàn)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，設備通過(guò)嵌入式模塊而非PC 接入Internet。這種方案占用空間大，成本高，開(kāi)發(fā)任務(wù)重，其質(zhì)量與底層設備的數據傳輸速度和可靠性聯(lián)系密切。也有采用“分布式Web服務(wù)器”方案，由于采用裁減過(guò)的嵌入式TCP /IP協(xié)議棧和嵌入式Web 服務(wù)器，實(shí)現功能較為單一，安全性差，只適用于需求較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。

　　目前，由于許多現有斷路器僅具備現場(chǎng)總線(xiàn)接口，直接開(kāi)發(fā)具有Internet 接口的斷路器成本高，底層開(kāi)發(fā)難度大，且很難與其他設備進(jìn)行相互通信。故需根據不同的工作環(huán)境特點(diǎn)和通信要求，分級采用不同的通信方式，用協(xié)議轉換的方式實(shí)現連接。本文建立了CAN/EtherNet /Internet三級網(wǎng)絡(luò )模型。實(shí)現了跨越現場(chǎng)總線(xiàn)/以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)三層結構體系的智能管理，不僅能保證現場(chǎng)信息傳遞高可靠性、實(shí)時(shí)性，也能兼顧遠程通信傳輸距離遠、速率高的需求，從而實(shí)現斷路器在電力系統各級的在線(xiàn)監控和信息管理。

　　1 智能斷路器網(wǎng)絡(luò )模型

　　在三級網(wǎng)絡(luò )模型中，要兼顧各級性能，需選擇不同的運行機制。第一級為現場(chǎng)智能斷路器級，為強電環(huán)境，電磁干擾強，需提取各種電量的模擬信號，轉換為數字信號向上傳輸。本文選用了CAN 總線(xiàn)完成通信功能。CAN 總線(xiàn)作為現場(chǎng)總線(xiàn)有很多優(yōu)勢。如采用短幀結構，一幀有8 bit，通信實(shí)時(shí)性好且受干擾率低，CRC 校驗及其他校驗措施保證了高可靠性，其通信速率最高達1 Mb /s /40 m，另外開(kāi)發(fā)成本低，硬件結構簡(jiǎn)單。

　　但基于CAN 總線(xiàn)的通信最多不超過(guò)10 km，故在主控制室級轉為基于IP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)方式傳輸。在這一級對上要接入互聯(lián)網(wǎng)，滿(mǎn)足兼容性，可靠性的要求，對下要傳輸現場(chǎng)電量參數和控制信息，需滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、高速率的要求。另外，在本級要實(shí)現斷路器區域連鎖保護的功能，需具有一定的計算存儲能力，故用PC 機作監控機，可滿(mǎn)足各種管理要求。而采用以太網(wǎng)作通信接口，支持大部分流行的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，傳輸速率為10 M/100 m，采用全雙工通信方式，能較好滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。在電力調度中心級，為了滿(mǎn)足各種電力信息服務(wù)的需要，將工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉入開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，在接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)要考慮安全性的問(wèn)題。

　　網(wǎng)絡(luò )模型中，首先通過(guò)對單個(gè)斷路器的智能控制器測量模塊、微處理模塊、通信模塊進(jìn)行結構設計，完成基本的保護功能，然后對各級斷路器通信，實(shí)現區域聯(lián)鎖保護，與電力調度中心通信，實(shí)現遠程監控，如圖1 所示。由此可見(jiàn)，斷路器三級網(wǎng)絡(luò )模型具有兼容性、可擴展性，可在硬件不變的基礎上進(jìn)行軟件編程，使系統具備較大的適用性和升級能力。

　　
圖1 智能斷路器三級網(wǎng)絡(luò )模型.

　　2 低壓開(kāi)關(guān)室智能斷路器級

　　2. 1 智能控制器硬件電路

　　斷路器智能控制器采用模塊化結構，需實(shí)現測量、分析、執行動(dòng)作、通信等功能，硬件電路如圖2所示。其中，速飽和電流互感器提供自生工作電源，傳感器、空心電流互感器等智能儀表實(shí)時(shí)采集三相電壓、四相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數等參數，A/D 轉換后送入微處理單元進(jìn)行存儲、電能質(zhì)量分析、保護值計算，然后通過(guò)鍵盤(pán)和LCD 液晶屏整定參數值和動(dòng)作時(shí)間，顯示各參數，發(fā)出故障報警信息，同時(shí)發(fā)送信號給磁通變換器執行脫扣命令。作為智能控制器核心的微處理單元，選用內部集成CAN 控制器的高速微處理器DS80C390，最大時(shí)鐘頻率可達40 MHz，集成度高，抗干擾能力強。為避免電磁干擾，用光電耦合電路加以隔離，外接CAN 收發(fā)器SN65HVD230。

　　該收發(fā)器為協(xié)議控制器與物理傳輸線(xiàn)路間的接口，提供兩者間的差動(dòng)收發(fā)功能，可用于較高干擾環(huán)境下，在不同速率下均具有良好的收發(fā)能力。

　　
圖2 智能控制器硬件電路圖.

　　2. 2 斷路器三段保護功能的實(shí)現

　　對于單臺斷路器，主要考慮其可實(shí)現的多重保護功能。智能控制器可實(shí)現的保護功能主要有三段保護、接地保護、剩余電流保護等，其中三段電流保護是斷路器最重要的保護功能，分為過(guò)載長(cháng)延時(shí)保護、短路短延時(shí)保護和短路瞬動(dòng)保護，如圖3 所示。針對不同的保護要求，可通過(guò)設定長(cháng)延時(shí)脫扣電流整定值Ir、長(cháng)延時(shí)時(shí)間整定值tr、短延時(shí)脫扣電流整定值Isd、短延時(shí)時(shí)間整定值tsd及瞬時(shí)脫扣電流值Ii進(jìn)行調整，其中，過(guò)載長(cháng)延時(shí)保護是反時(shí)限保護，動(dòng)作時(shí)間與故障電流平方成反比，當延時(shí)時(shí)間一到，若實(shí)際測得的故障電流值仍大于整定值，即執行脫扣動(dòng)作。短路短延時(shí)保護特性為定時(shí)限保護，當短路電流大于8Ir時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng)，設定的動(dòng)作時(shí)間一到，即執行脫扣動(dòng)作，不受電流影響。短路瞬動(dòng)保護為定時(shí)限保護，若在某些場(chǎng)合不需要短路瞬動(dòng)保護，可以關(guān)閉此功能。

　　
圖3 斷路器三段保護曲線(xiàn).

　　斷路器三段保護算法的程序流程圖如圖4 所示。依照優(yōu)先級由高到低，依次是短路瞬動(dòng)保護、短路短延時(shí)保護、過(guò)載長(cháng)延時(shí)保護判斷。首先通過(guò)CAN 總線(xiàn)接收上一級發(fā)送的參數整定值，微處理器調用定時(shí)中斷處理程序對電流值采樣，由采樣所得一個(gè)周期的電流值計算出電流有效值，進(jìn)入三段電流保護程序，與各種保護電流整定值依次比較，確定不同的保護動(dòng)作，并將控制信息通過(guò)CAN 總線(xiàn)傳送到上一級。

　　
圖4 三段保護程序流程圖.

　　3 配電所主控制室級

　　3. 1 斷路器主控制室的連鎖保護功能

　　在變電站中，都設有主控制室，通過(guò)監控對低壓開(kāi)關(guān)室的各級斷路器進(jìn)行協(xié)同控制，形成連鎖保護。電氣主接線(xiàn)采用單母線(xiàn)分段形式，有母線(xiàn)斷路器QF1、QF2，母聯(lián)斷路器QF5，分支斷路器QF3、QF4、QF6、QF7，這些斷路器所處位置不同，如果參數設置值相互獨立，發(fā)生故障時(shí)可能造成上下級線(xiàn)路同時(shí)斷開(kāi)，會(huì )影響其他分支線(xiàn)路正常供電，而啟動(dòng)連鎖保護后，依照斷路器間邏輯關(guān)系，通過(guò)約束設備間動(dòng)作時(shí)間，可以實(shí)現故障影響區域最小化，持續供電最優(yōu)化的經(jīng)濟效果，如圖5所示。如過(guò)載或短路故障時(shí)，設置下級斷路器動(dòng)作時(shí)間整定值使其迅速動(dòng)作，而上一級離故障點(diǎn)最近的斷路器必須延時(shí)動(dòng)作，以確保下級斷路器能清除故障，在下級斷路器保護失效時(shí)，上一級斷路器再執行后備保護。

　　3. 2 CAN-TCP /IP 協(xié)議轉換電路

　　如圖5 所示，在變電站主控制室設計了基于A(yíng)RM7 嵌入式處理器的協(xié)議轉換電路，將帶有CAN 總線(xiàn)接口的智能斷路器接入以太網(wǎng)，不僅可完成斷路器的實(shí)時(shí)監控，也便于與上一級電力調度中心的通信。電路設計中，選用ARM 核微控制器STR710FZ2T6 實(shí)現協(xié)議轉換，優(yōu)點(diǎn)是功耗低、性能高、性?xún)r(jià)比高，同時(shí)支持CAN2. 0 協(xié)議和TCP /IP 協(xié)議規范。其內部集成有CAN 模塊，位速率最高可達1 Mb /s。外接的網(wǎng)絡(luò )控制芯片CS8900A 是一款低功耗、性能優(yōu)越的16 bit 以太網(wǎng)控制器，通信速率10 Mb /s，負責處理以太網(wǎng)數據幀的發(fā)送和接收。

　　
圖5 CAN-TCP/IP 協(xié)議轉換電路.

　　3. 3 CAN-TCP /IP 協(xié)議轉換流程

　　工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP /IP 協(xié)議族，CAN 和TCP /IP 網(wǎng)絡(luò )是通信協(xié)議完全不同的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò )，若想完成之間的信息交換，實(shí)質(zhì)上是在應用層進(jìn)行協(xié)議轉換，通過(guò)對數據按照不同協(xié)議的封裝使其能夠被不同的網(wǎng)絡(luò )讀取。協(xié)議轉換過(guò)程流程圖如圖6 所示。

　　
圖6 協(xié)議轉換主程序流程圖.

　　4 電力調度中心級

　　目前，110 kV 以下配電網(wǎng)中已有很多變電站實(shí)現了無(wú)人值班，由電力調度中心進(jìn)行遠方控制。

　　電力調度中心網(wǎng)絡(luò )連接如圖7 所示，在該設計中，調度中心與監控級的變電站主控制室都采用TCP /IP 協(xié)議通信，但具體協(xié)議方式根據互聯(lián)網(wǎng)的要求有一定的改變，同時(shí)可通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )與供電局、發(fā)電廠(chǎng)、其他電力調度部門(mén)通信，從而聯(lián)成一個(gè)全方位的電力通信網(wǎng)絡(luò )，其有很多優(yōu)勢:① 綜合不同區域電力供應情況，協(xié)調各級電網(wǎng);② 可進(jìn)行分區段輪流檢修，減少停電損失;③ 聯(lián)網(wǎng)后，通過(guò)廣域測控系統的普及，可進(jìn)行快速故障定位，實(shí)現智能電網(wǎng)自愈功能;④ 未來(lái)會(huì )逐步將新能源( 如風(fēng)電，太陽(yáng)能、生物能等) 納入電網(wǎng)規劃，進(jìn)行有效調配，發(fā)揮可再生能源的功效，滿(mǎn)足經(jīng)濟、環(huán)保的要求。但接入Internet 網(wǎng)絡(luò )會(huì )帶來(lái)很多安全方面的隱患，如保密信息泄露、黑客攻擊、*侵入等，需采用防火墻、入侵檢測、防*、VPN 技術(shù)等多種措施構建電力網(wǎng)絡(luò )的安全防護體系。

　　
圖7 電力調度中心網(wǎng)絡(luò )連接.

　　5 結語(yǔ)

　　本文構建了斷路器三級網(wǎng)絡(luò )模型，以DS80C390 為核心，設計了一種基于CAN 總線(xiàn)的低壓斷路器智能控制器，實(shí)現斷路器的三段保護、測量、控制等功能，提出了一種基于A(yíng)RM 微控制器STR710FZ2T6 的CAN-TCP /IP 協(xié)議轉換電路，通過(guò)以太網(wǎng)通信方式與網(wǎng)絡(luò )上的電力調度中心進(jìn)行交互，符合智能電器網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展趨勢，有很好的應用前景，同時(shí)對電力網(wǎng)絡(luò )中其他智能電器的設計也提供了一定的參考。