基于CAN 总线的智能断路器网络模型

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  0 引言

  随着计算机技术、信息技术的进步,电力设备向着可通信、智能化、网络化方向发展。低压断路器是为供配电网络提供过载、短路和欠压等保护及避免接地等故障破坏的重要电气元件,智能控制器是实现其测量和完成各种保护功能的核心控制单元,断路器的智能化主要体现在控制器上。

  目前,国内正致力于开发国产第四代断路器,断路器需具有智能化、模块化、可通信化的功能,供电系统中多台智能型断路器需实现集中监控、连锁保护功能。

  智能断路器接入控制网络有多种方案,如基于现场总线的嵌入式网关,设备通过嵌入式模块而非PC 接入Internet。这种方案占用空间大,成本高,开发任务重,其质量与底层设备的数据传输速度和可靠性联系密切。也有采用“分布式Web服务器”方案,由于采用裁减过的嵌入式TCP /IP协议栈和嵌入式Web 服务器,实现功能较为单一,安全性差,只适用于需求较简单的场合。

  目前,由于许多现有断路器仅具备现场总线接口,直接开发具有Internet 接口的断路器成本高,底层开发难度大,且很难与其他设备进行相互通信。故需根据不同的工作环境特点和通信要求,分级采用不同的通信方式,用协议转换的方式实现连接。本文建立了CAN/EtherNet /Internet三级网络模型。实现了跨越现场总线/以太网/互联网三层结构体系的智能管理,不仅能保证现场信息传递高可靠性、实时性,也能兼顾远程通信传输距离远、速率高的需求,从而实现断路器在电力系统各级的在线监控和信息管理。

  1 智能断路器网络模型

  在三级网络模型中,要兼顾各级性能,需选择不同的运行机制。第一级为现场智能断路器级,为强电环境,电磁干扰强,需提取各种电量的模拟信号,转换为数字信号向上传输。本文选用了CAN 总线完成通信功能。CAN 总线作为现场总线有很多优势。如采用短帧结构,一帧有8 bit,通信实时性好且受干扰率低,CRC 校验及其他校验措施保证了高可靠性,其通信速率最高达1 Mb /s /40 m,另外开发成本低,硬件结构简单。

  但基于CAN 总线的通信最多不超过10 km,故在主控制室级转为基于IP 协议的工业以太网方式传输。在这一级对上要接入互联网,满足兼容性,可靠性的要求,对下要传输现场电量参数和控制信息,需满足实时性、高速率的要求。另外,在本级要实现断路器区域连锁保护的功能,需具有一定的计算存储能力,故用PC 机作监控机,可满足各种管理要求。而采用以太网作通信接口,支持大部分流行的现场总线协议,传输速率为10 M/100 m,采用全双工通信方式,能较好满足实时性要求。在电力调度中心级,为了满足各种电力信息服务的需要,将工业以太网协议转入开放式互联网通信协议,在接入互联网时要考虑安全性的问题。

  网络模型中,首先通过对单个断路器的智能控制器测量模块、微处理模块、通信模块进行结构设计,完成基本的保护功能,然后对各级断路器通信,实现区域联锁保护,与电力调度中心通信,实现远程监控,如图1 所示。由此可见,断路器三级网络模型具有兼容性、可扩展性,可在硬件不变的基础上进行软件编程,使系统具备较大的适用性和升级能力。

图1 智能断路器三级网络模型.

  2 低压开关室智能断路器级

  2. 1 智能控制器硬件电路

  断路器智能控制器采用模块化结构,需实现测量、分析、执行动作、通信等功能,硬件电路如图2所示。其中,速饱和电流互感器提供自生工作电源,传感器、空心电流互感器等智能仪表实时采集三相电压、四相电流、电网频率、功率因数等参数,A/D 转换后送入微处理单元进行存储、电能质量分析、保护值计算,然后通过键盘和LCD 液晶屏整定参数值和动作时间,显示各参数,发出故障报警信息,同时发送信号给磁通变换器执行脱扣命令。作为智能控制器核心的微处理单元,选用内部集成CAN 控制器的高速微处理器DS80C390,最大时钟频率可达40 MHz,集成度高,抗干扰能力强。为避免电磁干扰,用光电耦合电路加以隔离,外接CAN 收发器SN65HVD230。

  该收发器为协议控制器与物理传输线路间的接口,提供两者间的差动收发功能,可用于较高干扰环境下,在不同速率下均具有良好的收发能力。

图2 智能控制器硬件电路图.

  2. 2 断路器三段保护功能的实现

  对于单台断路器,主要考虑其可实现的多重保护功能。智能控制器可实现的保护功能主要有三段保护、接地保护、剩余电流保护等,其中三段电流保护是断路器最重要的保护功能,分为过载长延时保护、短路短延时保护和短路瞬动保护,如图3 所示。针对不同的保护要求,可通过设定长延时脱扣电流整定值Ir、长延时时间整定值tr、短延时脱扣电流整定值Isd、短延时时间整定值tsd及瞬时脱扣电流值Ii进行调整,其中,过载长延时保护是反时限保护,动作时间与故障电流平方成反比,当延时时间一到,若实际测得的故障电流值仍大于整定值,即执行脱扣动作。短路短延时保护特性为定时限保护,当短路电流大于8Ir时,定时器启动,设定的动作时间一到,即执行脱扣动作,不受电流影响。短路瞬动保护为定时限保护,若在某些场合不需要短路瞬动保护,可以关闭此功能。

图3 断路器三段保护曲线.

  断路器三段保护算法的程序流程图如图4 所示。依照优先级由高到低,依次是短路瞬动保护、短路短延时保护、过载长延时保护判断。首先通过CAN 总线接收上一级发送的参数整定值,微处理器调用定时中断处理程序对电流值采样,由采样所得一个周期的电流值计算出电流有效值,进入三段电流保护程序,与各种保护电流整定值依次比较,确定不同的保护动作,并将控制信息通过CAN 总线传送到上一级。

图4 三段保护程序流程图.

  3 配电所主控制室级

  3. 1 断路器主控制室的连锁保护功能

  在变电站中,都设有主控制室,通过监控对低压开关室的各级断路器进行协同控制,形成连锁保护。电气主接线采用单母线分段形式,有母线断路器QF1、QF2,母联断路器QF5,分支断路器QF3、QF4、QF6、QF7,这些断路器所处位置不同,如果参数设置值相互独立,发生故障时可能造成上下级线路同时断开,会影响其他分支线路正常供电,而启动连锁保护后,依照断路器间逻辑关系,通过约束设备间动作时间,可以实现故障影响区域最小化,持续供电最优化的经济效果,如图5所示。如过载或短路故障时,设置下级断路器动作时间整定值使其迅速动作,而上一级离故障点最近的断路器必须延时动作,以确保下级断路器能清除故障,在下级断路器保护失效时,上一级断路器再执行后备保护。

  3. 2 CAN-TCP /IP 协议转换电路

  如图5 所示,在变电站主控制室设计了基于ARM7 嵌入式处理器的协议转换电路,将带有CAN 总线接口的智能断路器接入以太网,不仅可完成断路器的实时监控,也便于与上一级电力调度中心的通信。电路设计中,选用ARM 核微控制器STR710FZ2T6 实现协议转换,优点是功耗低、性能高、性价比高,同时支持CAN2. 0 协议和TCP /IP 协议规范。其内部集成有CAN 模块,位速率最高可达1 Mb /s。外接的网络控制芯片CS8900A 是一款低功耗、性能优越的16 bit 以太网控制器,通信速率10 Mb /s,负责处理以太网数据帧的发送和接收。

  图5 CAN-TCP/IP 协议转换电路.

  3. 3 CAN-TCP /IP 协议转换流程

  工业以太网采用TCP /IP 协议族,CAN 和TCP /IP 网络是通信协议完全不同的异质网络,若想完成之间的信息交换,实质上是在应用层进行协议转换,通过对数据按照不同协议的封装使其能够被不同的网络读取。协议转换过程流程图如图6 所示。

图6 协议转换主程序流程图.

  4 电力调度中心级

  目前,110 kV 以下配电网中已有很多变电站实现了无人值班,由电力调度中心进行远方控制。

  电力调度中心网络连接如图7 所示,在该设计中,调度中心与监控级的变电站主控制室都采用TCP /IP 协议通信,但具体协议方式根据互联网的要求有一定的改变,同时可通过Internet网络与供电局、发电厂、其他电力调度部门通信,从而联成一个全方位的电力通信网络,其有很多优势:① 综合不同区域电力供应情况,协调各级电网;② 可进行分区段轮流检修,减少停电损失;③ 联网后,通过广域测控系统的普及,可进行快速故障定位,实现智能电网自愈功能;④ 未来会逐步将新能源( 如风电,太阳能、生物能等) 纳入电网规划,进行有效调配,发挥可再生能源的功效,满足经济、环保的要求。但接入Internet 网络会带来很多安全方面的隐患,如保密信息泄露、黑客攻击、*侵入等,需采用防火墙、入侵检测、防*、VPN 技术等多种措施构建电力网络的安全防护体系。

图7 电力调度中心网络连接.

  5 结语

  本文构建了断路器三级网络模型,以DS80C390 为核心,设计了一种基于CAN 总线的低压断路器智能控制器,实现断路器的三段保护、测量、控制等功能,提出了一种基于ARM 微控制器STR710FZ2T6 的CAN-TCP /IP 协议转换电路,通过以太网通信方式与网络上的电力调度中心进行交互,符合智能电器网络化发展趋势,有很好的应用前景,同时对电力网络中其他智能电器的设计也提供了一定的参考。