基于CAN 总线的智能断路器网络模型

　　智能断路器通过CAN 总线网络接入变电站主控制室，实现实时监控，并通过CAN-TCP/IP 协议转换电路接入以太网，在电力调度中心实现“四遥”功能，并通过以太网，与发电、供电网络间进行双向通信。
　　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。