基于CAN總線的微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)

尹海彪，桂 峰

（武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430070）

0 引 言

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置是通過測量線路或電氣設(shè)備的一些電氣參量，判別電力系統(tǒng)的正常、不正常工作及故障運(yùn)行狀態(tài)，從而動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出警示信號(hào)［1］。傳統(tǒng)模擬式繼電保護(hù)裝置是通過硬件電路測量線路電氣參數(shù)，與整定值比較來判斷線路是否發(fā)生故障，可靠性與抗干擾能力差。

CAN總線是一種多主總線系統(tǒng)，采用短幀結(jié)構(gòu)與CRC校驗(yàn)，對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，傳輸時(shí)間短，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。本文采用基于CAN現(xiàn)場總線的微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)反應(yīng)更快速可靠。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)際電力系統(tǒng)是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，主要由發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器等組成。下面以一個(gè)簡單的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型說明基于CAN現(xiàn)場總線的微機(jī)繼電保護(hù)原理，如圖1所示。

由繼電保護(hù)工作原理，系統(tǒng)測量部分主要通過測量變換元件實(shí)現(xiàn)；邏輯部分主要通過通信線路傳輸獲得電氣參量，再進(jìn)行一定的軟件判斷流程判斷系統(tǒng)電路工作狀態(tài)；執(zhí)行部分主要通過DSP判斷處理后發(fā)出是否動(dòng)作的信號(hào)，由保護(hù)元件執(zhí)行動(dòng)作信號(hào)相應(yīng)的操作［2］，各部分之間的通信通過CAN現(xiàn)場總線來完成。

圖1 微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)組成圖

基于CAN總線的微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)由交流變換模塊、保護(hù)測量模塊、微機(jī)管理模塊、開入開出模塊等幾大功能模塊組成。

交流變換模塊完成將電流信號(hào)和電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，作為采樣值送入保護(hù)測量模塊；保護(hù)測量模塊完成信號(hào)的采樣與計(jì)算；微機(jī)管理模塊用作人機(jī)對(duì)話接口和通信接口；開入開出模塊處理開關(guān)量開入開出信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測處理各開入開出通道的狀態(tài)［3］。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)原理與要求，系統(tǒng)硬件由模擬輸入變換模塊、保護(hù)CPU模塊、總線模塊、輸入輸出模塊組成，各部分電路的設(shè)計(jì)如下。

圖2 繼電保護(hù)總體結(jié)構(gòu)圖

（1）模擬量輸入與轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)測量的電氣參量電壓、電流信號(hào)都為模擬量，且電壓電流值都比較大，取值范圍也不在系統(tǒng)邏輯判斷部分的額定電壓電流值范圍，另外這些電氣參量的傳輸通信也不在傳輸?shù)碾姎夥秶柰ㄟ^電壓變換器與電流變換器變換。

（2）保護(hù)CPU模塊

保護(hù)CPU是系統(tǒng)下位機(jī)，需要與測量部分、執(zhí)行部分、通信部分配合工作，另外，保護(hù)CPU本身工作需要電源。

（3）總線模塊

CAN通信接口電路由DSP與CAN控制器構(gòu)成。CAN總線通信控制模塊選用SJA1000芯片，DSP負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，并通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

（4）輸入輸出模塊

開關(guān)信號(hào)主要包括：斷路器狀態(tài)的閉合和斷開，繼電器的吸合和釋放、外部閉鎖信號(hào)和外部輸入復(fù)位信號(hào)等［4］。這些信號(hào)經(jīng)過光電隔離后輸入微機(jī)系統(tǒng)，其輸入輸出電路如圖3所示。

圖3 開關(guān)量輸入輸出電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件功能主要是對(duì)系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)中判斷故障以及判斷不正常狀態(tài)后進(jìn)行中斷處理流程等。其中，系統(tǒng)測量部分一直處在測量監(jiān)測狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的電氣參量。正常、不正常、故障三種工作狀態(tài)通過信號(hào)處理與傳輸后，保護(hù)CPU再進(jìn)行邏輯分析判斷確定系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)出相應(yīng)執(zhí)行跳閘、報(bào)警或不動(dòng)作等指令［5］。系統(tǒng)總體軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體流程圖

4 結(jié) 論

基于CAN總線的微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)是一種網(wǎng)絡(luò)型的微機(jī)保護(hù)裝置，采用CAN總線方式的通信網(wǎng)絡(luò)，利用CAN總線的可靠性和非破壞性總線仲裁等技術(shù)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，能有效滿足電力系統(tǒng)可靠性、選擇性、速動(dòng)性、靈敏性的要求，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 孫國凱，翟利民，柴玉華.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［2］ 張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京：中國電力出版社，1994.

［3］ 謝 東，溫陽東.基于CAN總線的電力線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與儀表，2005，（03）：34－36.

［4］ 王洪濤，何 方.基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化微機(jī)保護(hù)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.廣東輸電與變電技術(shù)，2009，（01）：60－63.

［5］ 高 亮.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)［M］.北京：中國電力出版社，2007.