基于CAN 總線的智能斷路器網(wǎng)絡模型

　　智能斷路器通過CAN 總線網(wǎng)絡接入變電站主控制室，實現(xiàn)實時監(jiān)控，并通過CAN-TCP/IP 協(xié)議轉換電路接入以太網(wǎng)，在電力調(diào)度中心實現(xiàn)“四遙”功能，并通過以太網(wǎng)，與發(fā)電、供電網(wǎng)絡間進行雙向通信。

　　0 引言

　　隨著計算機技術、信息技術的進步，電力設備向著可通信、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。低壓斷路器是為供配電網(wǎng)絡提供過載、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，智能控制器是實現(xiàn)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(xiàn)在控制器上。

　　目前，國內(nèi)正致力于開發(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(tǒng)中多臺智能型斷路器需實現(xiàn)集中監(jiān)控、連鎖保護功能。

　　智能斷路器接入控制網(wǎng)絡有多種方案，如基于現(xiàn)場總線的嵌入式網(wǎng)關，設備通過嵌入式模塊而非 PC 接入Internet。這種方案占用空間大，成本高，開發(fā)任務重，其質量與底層設備的數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性聯(lián)系密切。也有采用“分布式Web服務器”方案，由于采用裁減過的嵌入式TCP /IP協(xié)議棧和嵌入式Web 服務器，實現(xiàn)功能較為單一，安全性差，只適用于需求較簡單的場合。

　　目前，由于許多現(xiàn)有斷路器僅具備現(xiàn)場總線接口，直接開發(fā)具有Internet 接口的斷路器成本高，底層開發(fā)難度大，且很難與其他設備進行相互通信。故需根據(jù)不同的工作環(huán)境特點和通信要求，分級采用不同的通信方式，用協(xié)議轉換的方式實現(xiàn)連接。本文建立了CAN/EtherNet /Internet三級網(wǎng)絡模型。實現(xiàn)了跨越現(xiàn)場總線/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(xiàn)場信息傳遞高可靠性、實時性，也能兼顧遠程通信傳輸距離遠、速率高的需求，從而實現(xiàn)斷路器在電力系統(tǒng)各級的在線監(jiān)控和信息管理。

　　1 智能斷路器網(wǎng)絡模型

　　在三級網(wǎng)絡模型中，要兼顧各級性能，需選擇不同的運行機制。第一級為現(xiàn)場智能斷路器級，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(shù)字信號向上傳輸。本文選用了CAN 總線完成通信功能。CAN 總線作為現(xiàn)場總線有很多優(yōu)勢。如采用短幀結構，一幀有8 bit，通信實時性好且受干擾率低，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，另外開發(fā)成本低，硬件結構簡單。

　　但基于CAN 總線的通信最多不超過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)，滿足兼容性，可靠性的要求，對下要傳輸現(xiàn)場電量參數(shù)和控制信息，需滿足實時性、高速率的要求。另外，在本級要實現(xiàn)斷路器區(qū)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(jiān)控機，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，能較好滿足實時性要求。在電力調(diào)度中心級，為了滿足各種電力信息服務的需要，將工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉入開放式互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，在接入互聯(lián)網(wǎng)時要考慮安全性的問題。

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

　　圖1 智能斷路器三級網(wǎng)絡模型.

　　2 低壓開關室智能斷路器級

　　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，需實現(xiàn)測量、分析、執(zhí)行動作、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時采集三相電壓、四相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)等參數(shù)，A/D 轉換后送入微處理單元進行存儲、電能質量分析、保護值計算，然后通過鍵盤和LCD 液晶屏整定參數(shù)值和動作時間，顯示各參數(shù)，發(fā)出故障報警信息，同時發(fā)送信號給磁通變換器執(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路間的接口，提供兩者間的差動收發(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現(xiàn)

　　對于單臺斷路器，主要考慮其可實現(xiàn)的多重保護功能。智能控制器可實現(xiàn)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，分為過載長延時保護、短路短延時保護和短路瞬動保護，如圖3 所示。針對不同的保護要求，可通過設定長延時脫扣電流整定值Ir、長延時時間整定值tr、短延時脫扣電流整定值Isd、短延時時間整定值tsd及瞬時脫扣電流值Ii進行調(diào)整，其中，過載長延時保護是反時限保護，動作時間與故障電流平方成反比，當延時時間一到，若實際測得的故障電流值仍大于整定值，即執(zhí)行脫扣動作。短路短延時保護特性為定時限保護，當短路電流大于8Ir時，定時器啟動，設定的動作時間一到，即執(zhí)行脫扣動作，不受電流影響。短路瞬動保護為定時限保護，若在某些場合不需要短路瞬動保護，可以關閉此功能。

　　圖3 斷路器三段保護曲線.

　　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，依次是短路瞬動保護、短路短延時保護、過載長延時保護判斷。首先通過CAN 總線接收上一級發(fā)送的參數(shù)整定值，微處理器調(diào)用定時中斷處理程序對電流值采樣，由采樣所得一個周期的電流值計算出電流有效值，進入三段電流保護程序，與各種保護電流整定值依次比較，確定不同的保護動作，并將控制信息通過CAN 總線傳送到上一級。