CAN總線低壓斷路器智能控制器

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的進(jìn)步，電力設(shè)備向著可通信、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(hù)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(xiàn)其測(cè)量和完成各種保護(hù)功能的核心控制單元，斷路器的智能化主要體現(xiàn)在控制器上。

目前，國(guó)內(nèi)正致力于開(kāi)發(fā)國(guó)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(tǒng)中多臺(tái)智能型斷路器需實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、連鎖保護(hù)功能。

智能斷路器接入控制網(wǎng)絡(luò)有多種方案，如基于現(xiàn)場(chǎng)總線的嵌入式網(wǎng)關(guān)，設(shè)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(shè)備的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)有斷路器僅具備現(xiàn)場(chǎng)總線接口，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(shè)備進(jìn)行相互通信。故需根據(jù)不同的工作環(huán)境特點(diǎn)和通信要求，分級(jí)采用不同的通信方式，用協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)連接。本文建立了CAN/EtherNet /Internet三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)現(xiàn)了跨越現(xiàn)場(chǎng)總線/以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)體系的智能管理，不僅能保證現(xiàn)場(chǎng)信息傳遞高可靠性、實(shí)時(shí)性，也能兼顧遠(yuǎn)程通信傳輸距離遠(yuǎn)、速率高的需求，從而實(shí)現(xiàn)斷路器在電力系統(tǒng)各級(jí)的在線監(jiān)控和信息管理。

1 智能斷路器網(wǎng)絡(luò)模型

在三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型中，要兼顧各級(jí)性能，需選擇不同的運(yùn)行機(jī)制。第一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)智能斷路器級(jí)，為強(qiáng)電環(huán)境，電磁干擾強(qiáng)，需提取各種電量的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)向上傳輸。本文選用了CAN 總線完成通信功能。CAN 總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線有很多優(yōu)勢(shì)。如采用短幀結(jié)構(gòu)，一幀有8 bit，通信實(shí)時(shí)性好且受干擾率低，CRC 校驗(yàn)及其他校驗(yàn)措施保證了高可靠性，其通信速率最高達(dá)1 Mb /s /40 m，另外開(kāi)發(fā)成本低，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

但基于CAN 總線的通信最多不超過(guò)10 km，故在主控制室級(jí)轉(zhuǎn)為基于IP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)方式傳輸。在這一級(jí)對(duì)上要接入互聯(lián)網(wǎng)，滿足兼容性，可靠性的要求，對(duì)下要傳輸現(xiàn)場(chǎng)電量參數(shù)和控制信息，需滿足實(shí)時(shí)性、高速率的要求。另外，在本級(jí)要實(shí)現(xiàn)斷路器區(qū)域連鎖保護(hù)的功能，需具有一定的計(jì)算存儲(chǔ)能力，故用PC 機(jī)作監(jiān)控機(jī)，可滿足各種管理要求。而采用以太網(wǎng)作通信接口，支持大部分流行的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，傳輸速率為10 M/100 m，采用全雙工通信方式，能較好滿足實(shí)時(shí)性要求。在電力調(diào)度中心級(jí)，為了滿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(zhuǎn)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(duì)單個(gè)斷路器的智能控制器測(cè)量模塊、微處理模塊、通信模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成基本的保護(hù)功能，然后對(duì)各級(jí)斷路器通信，實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖保護(hù)，與電力調(diào)度中心通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖1 所示。由此可見(jiàn)，斷路器三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型具有兼容性、可擴(kuò)展性，可在硬件不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件編程，使系統(tǒng)具備較大的適用性和升級(jí)能力。

圖1 智能斷路器三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型.

2 低壓開(kāi)關(guān)室智能斷路器級(jí)

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(jié)構(gòu)，需實(shí)現(xiàn)測(cè)量、分析、執(zhí)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(shù)等參數(shù)，A/D 轉(zhuǎn)換后送入微處理單元進(jìn)行存儲(chǔ)、電能質(zhì)量分析、保護(hù)值計(jì)算，然后通過(guò)鍵盤和LCD 液晶屏整定參數(shù)值和動(dòng)作時(shí)間，顯示各參數(shù)，發(fā)出故障報(bào)警信息，同時(shí)發(fā)送信號(hào)給磁通變換器執(zhí)行脫扣命令。作為智能控制器核心的微處理單元，選用內(nèi)部集成CAN 控制器的高速微處理器DS80C390，最大時(shí)鐘頻率可達(dá)40 MHz，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)。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(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于單臺(tái)斷路器，主要考慮其可實(shí)現(xiàn)的多重保護(hù)功能。智能控制器可實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能主要有三段保護(hù)、接地保護(hù)、剩余電流保護(hù)等，其中三段電流保護(hù)是斷路器最重要的保護(hù)功能，分為過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)和短路瞬動(dòng)保護(hù)，如圖3 所示。針對(duì)不同的保護(hù)要求，可通過(guò)設(shè)定長(zhǎng)延時(shí)脫扣電流整定值Ir、長(zhǎng)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(diào)整，其中，過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)是反時(shí)限保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間與故障電流平方成反比，當(dāng)延時(shí)時(shí)間一到，若實(shí)際測(cè)得的故障電流值仍大于整定值，即執(zhí)行脫扣動(dòng)作。短路短延時(shí)保護(hù)特性為定時(shí)限保護(hù)，當(dāng)短路電流大于8Ir時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng)，設(shè)定的動(dòng)作時(shí)間一到，即執(zhí)行脫扣動(dòng)作，不受電流影響。短路瞬動(dòng)保護(hù)為定時(shí)限保護(hù)，若在某些場(chǎng)合不需要短路瞬動(dòng)保護(hù)，可以關(guān)閉此功能。

圖3 斷路器三段保護(hù)曲線.

斷路器三段保護(hù)算法的程序流程圖如圖4 所示。依照優(yōu)先級(jí)由高到低，依次是短路瞬動(dòng)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)、過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)判斷。首先通過(guò)CAN 總線接收上一級(jí)發(fā)送的參數(shù)整定值，微處理器調(diào)用定時(shí)中斷處理程序?qū)﹄娏髦挡蓸樱刹蓸铀靡粋€(gè)周期的電流值計(jì)算出電流有效值，進(jìn)入三段電流保護(hù)程序，與各種保護(hù)電流整定值依次比較，確定不同的保護(hù)動(dòng)作，并將控制信息通過(guò)CAN 總線傳送到上一級(jí)。

圖4 三段保護(hù)程序流程圖.

3 配電所主控制室級(jí)

3. 1 斷路器主控制室的連鎖保護(hù)功能

在變電站中，都設(shè)有主控制室，通過(guò)監(jiān)控對(duì)低壓開(kāi)關(guān)室的各級(jí)斷路器進(jìn)行協(xié)同控制，形成連鎖保護(hù)。電氣主接線采用單母線分段形式，有母線斷路器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(shù)設(shè)置值相互獨(dú)立，發(fā)生故障時(shí)可能造成上下級(jí)線路同時(shí)斷開(kāi)，會(huì)影響其他分支線路正常供電，而啟動(dòng)連鎖保護(hù)后，依照斷路器間邏輯關(guān)系，通過(guò)約束設(shè)備間動(dòng)作時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)故障影響區(qū)域最小化，持續(xù)供電最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效果，如圖5所示。如過(guò)載或短路故障時(shí)，設(shè)置下級(jí)斷路器動(dòng)作時(shí)間整定值使其迅速動(dòng)作，而上一級(jí)離故障點(diǎn)最近的斷路器必須延時(shí)動(dòng)作，以確保下級(jí)斷路器能清除故障，在下級(jí)斷路器保護(hù)失效時(shí)，上一級(jí)斷路器再執(zhí)行后備保護(hù)。

3. 2 CAN-TCP /IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換電路

如圖5 所示，在變電站主控制室設(shè)計(jì)了基于ARM7 嵌入式處理器的協(xié)議轉(zhuǎn)換電路，將帶有CAN 總線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(jiān)控，也便于與上一級(jí)電力調(diào)度中心的通信。電路設(shè)計(jì)中，選用ARM 核微控制器STR710FZ2T6 實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，優(yōu)點(diǎn)是功耗低、性能高、性價(jià)比高，同時(shí)支持CAN2. 0 協(xié)議和TCP /IP 協(xié)議規(guī)范。其內(nèi)部集成有CAN 模塊，位速率最高可達(dá)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(fù)責(zé)處理以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。

圖5 CAN-TCP/IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換電路.

3. 3 CAN-TCP /IP 協(xié)議轉(zhuǎn)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(yīng)用層進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換過(guò)程流程圖如圖6 所示。

圖6 協(xié)議轉(zhuǎn)換主程序流程圖.

4 電力調(diào)度中心級(jí)

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

電力調(diào)度中心網(wǎng)絡(luò)連接如圖7 所示，在該設(shè)計(jì)中，調(diào)度中心與監(jiān)控級(jí)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(jù)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、其他電力調(diào)度部門通信，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(shì):① 綜合不同區(qū)域電力供應(yīng)情況，協(xié)調(diào)各級(jí)電網(wǎng);② 可進(jìn)行分區(qū)段輪流檢修，減少停電損失;③ 聯(lián)網(wǎng)后，通過(guò)廣域測(cè)控系統(tǒng)的普及，可進(jìn)行快速故障定位，實(shí)現(xiàn)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(guī)劃，進(jìn)行有效調(diào)配，發(fā)揮可再生能源的功效，滿足經(jīng)濟(jì)、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(cè)、防*、VPN 技術(shù)等多種措施構(gòu)建電力網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)體系。

圖7 電力調(diào)度中心網(wǎng)絡(luò)連接.

5 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了斷路器三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型，以DS80C390 為核心，設(shè)計(jì)了一種基于CAN 總線的低壓斷路器智能控制器，實(shí)現(xiàn)斷路器的三段保護(hù)、測(cè)量、控制等功能，提出了一種基于ARM 微控制器STR710FZ2T6 的CAN-TCP /IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)以太網(wǎng)通信方式與網(wǎng)絡(luò)上的電力調(diào)度中心進(jìn)行交互，符合智能電器網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)，有很好的應(yīng)用前景，同時(shí)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)中其他智能電器的設(shè)計(jì)也提供了一定的參考。