基于CAN总线可通信智能电流继电器的设计

摘要：通过对一种基于微处理器和CAN总线可通信智能电流继电器的设计，实现了传统的限时速切继电保护功能需要电磁式电流继电器、时间继电器和信号继电器组合在一起才能实现的功能。在此设计的可通信智能电流继电器，不仅能够完成限时速切功能，还可实现现场电器与上位机实现双向通信功能，可对继电器的动作参数(电流值、时间值)进行显示、设定和修改，通过总线系统实达到遥调、遥控的目的，进一步使得继电器的性能得到提高，满足电力系统的要求。
关键词：节点；可通信电器；智能继电器；CAN总线

0 引言
传统继电器检测和保护功能多由电磁器件完成，其动作时间长，保护精度低，已不能满足现代输、配电系统自动化的需要。智能化低压电器在国外取得很大进展，其强大功能的充分发挥，必须依赖于低压配电与控制系统网络化。国外主要低压电器制造商开发的新一代低压产品，其技术特点主要是可通信，能与现场总线连接，这种技术给低压电器带来革命性的变化，为此对低压电器提出了可通信要求。因此，能实现联网通信、集中监控的智能化电器越来越成为需要。其主要特征是在智能化的基础上具备基于现场总线的可通信特点。
本文研究的电力系统限时速切继电器的保护功能，是采用微处理技术和现场总线技术等设计的可通信的智能化继电器。在以可通信的智能化电器系统应用中，现场总线是连接智能化现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的通信网络。这里研究的限时速切继电器，以CAN总线(Controller Area Network)作为一种支持分布式控制的底层串行通信网络，实现现场电器与上位机之间的信息传递，具有通信实时性好、可靠性高、连接使用方便灵活等特点，非常符合国内低压电器的发展趋势。

1 基于CAN总线的可通信智能继电器总体设计
在采用总线连接微机和微处理器系统构成的现场总线控制系统中，由微处理器系统构成的下位节点都能够独立完成一定功能，还可进行直接的参数设定和显示等，每个下位节点都可通过总线将数据传送给上位PC监控节点或其它相关的节点，使相互关联的继电保护装置之间具有了数据交换的功能，可以协调工作。
本文设计的限时速切继电器，在CAN总线上连接一个上位监控PC节点和3个下位智能电流继电器节点，构建智能继电器的监控保护系统，系统结构示意如图1所示。

为了增强通信的可靠性，CAN总线网络的2个端点通常要加入终端匹配电阻，阻值的大小由传输电缆的特性阻抗所决定。系统设计采用双绞线连接，特性阻抗为120 Ω，则总线上的2个端点集成120 Ω的终端电阻即可。

2 基于CAN总线的可通信智能继电器硬件设计
智能继电器节点的硬件组成主要包括：主控单元、测控电路(数据采集和转换、监控存储电路、按键和显示部分、动作信号)、CAN通信接口和电源等部分组成，如图2所示。

2．1 主控制器
鉴于P87C591强大的80C51性能和A／D转换及cAN相关特性，对于我们开发基于CAN总线通信的智能继电器是非常适合的。因此，系统的主控制器选用功能强大的P87C591单片机，作为主控制器的首选芯片。不但可以满足数据处理的要求，还可不必外接CAN控制器直接实现CAN通信功能，大量节省了硬件资源。
2．2 存储监控部分
监控设计包括监控电路设计和软件监控程序设计2部分，硬件监控电路功能主要包括数据保护、上电复位、掉电复位、“看门狗”定时器(选用具有SPI接口的Xicor公司的25043／5系列)和电源监测等部分。
2．3 按键和显示部分
可通信智能继电器所应用的继电保护系统，对于各个保护的节点的监测都需通过上位控制PC机来实现，采样成本低、接口简单、功耗小的液晶显示模块。控制器的显示部分采用青云公司的LCM061A六位八段模块作为显示输出。使用者只要向LCM送入相应的命令和数据就可实现所需要的显示，模块与CPU连接简单，使用起来灵活方便。至于按键，本系统只需4个按键即可实现参数修改和设定，因此可分别与主控制器的I／O口直接相连即可。
2．4 信号部分
电流继电器整个继电器节点工作情况是先用微控制器完成电流的比较、时间的控制，如果所监测线路中的电流超出设定的电流值，则开始计时并继续比较电流值。若到了设定的时间发现被采集的电流值仍然大于设定值，那么微控制器发出使继电器动作的控制信号。由于单片机I／O口输出电流为1．6 mA，不能达到继电器动作电流，所以我们通过7407芯片将驱动电流放大至40 mA以驱动继电器动作。
2．5 数据采集和转换
因为智能电流继电器所需采集的电流为线路中的电流值，而针对电力系统输、配电线路中通过的高电压和大电流，必须选用电流互感器。测量仪表选用容量为5 VA，二次侧额定电流为1 A的互感器，将互感器二次侧电流通过采样电阻转换成对于一定比例关系的电压值。
A／D转换采用外接MAXIM公司12位精度高速A／D转换芯片，是因为P87C591内部芯片所带的10位A／D为单极性转换，不能满足交变电流采样双极性的要求。利用MAX197，P87C591以及驱动与隔离电路构成一个完整的实时测控系统。
采用查询的方式通过P口读取／INT引脚的电平是否为低，如果不为低就继续查询等待，如果为低电平则可读取数据。A／D转换程序放在T0中断程序中进行，每隔1 ms进行一次模拟数据采集和转换，在转换的间隙MAX197处于低电流关断状态。
2．6 节点电源
智能节点系统中所需的+5 V直流电源，需将有效值为220 V、频率为50 Hz的交流电经降压、整流和滤波，再经过降压和稳压电路后作为节点的电源。
2．7 通信部分
集成在P87C591中的CAN控制器SJA1000和CAN高速收发器PCA82C250以及高速光电耦合器6N137构成通信的主要部分，其中SJA1000是实现
CAN总线通信的核心芯片，与收发器82C250配套使用，组成完整的CAN通信接口。SJA1000工作模式采用BasicCAN模式，满足数据传输量不大的一般性工控场合，故被本系统采用。单片机对SJA1000进行控制及收发数据均通过对SJA1000的内部寄存器的读写访问来实现的，操作如同访问外部RAM。PCA82C250负责与CAN物理层的连接，接收和发送数据。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，P87C591的TXDC和RXDC(即SJA1000的TX和RX)通过高速光耦6N137后与PCA82C250相连，光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离，这样才能达到隔离的作用。为了防止PCA82C 250受过流的冲击，CANH和CANL引脚各自通过一个5 Ω的电阻与CAN总线相连。另外，在CANH和CANL与地之间并联2个30pF的小电容，以滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射口。

3 上位控制PC机节点软硬件设计
3．1 硬件接口
CAN-232采用ZLGCAN-232转换卡，PC只需经RS 232接口简单连接即可实现CAN数据通信，进行CAN信息帧的接收发送。CAN-232接口卡也可以直接应用到嵌入式系统中，可在不改变已有硬件结构的情况下使嵌人式产品具有CAN通信接口。RS 232总线接口部分是转换卡板和PC机之间交换数据的桥梁，PC机之间的数据交换是通过MAX232实现的，其将232电平转换成TTL电平。CAN通讯部分实现了CAN物理层和数据链路层协议，板卡中由带CAN控制器的处理器P87C591构成。
3．2 软件设计
可通信智能继电器节点的主要任务是能够独立完成线路电流的实时监控和保护功能，并且能够利用CAN总线接口与上位控制PC进行双向数字通信功能。其中数据采集和转换程序在T0中断服务程序中进行，通信收发在CAN中断子程序中进行。主程序采用循环查询的方法检测有无按键，然后定时处理一些如显示数据更新、通信待发数据准备和接收数据处理等。
在智能节点控制系统软件设计中，为了充分而合理的利用硬件资源并且构建一个清晰的程序构架，把程序大致分为：初始化程序、数据采集和转换程序、监控存储程序、按键和显示程序、CAN通信程序、数据、计算处理程序以及起整体调度作用的主程序等模块。主程序流程如图3所示。