CAN總線技術在低壓機組一體化裝置中的應用

謝傳萍（南京南瑞集團公司水利水電技術分公司，江蘇 南京 211106）

?

CAN總線技術在低壓機組一體化裝置中的應用

謝傳萍
（南京南瑞集團公司水利水電技術分公司，江蘇 南京 211106）

摘要：為提高低壓機組的自動化水平，實現低壓機組的全自動操作，從低壓機組的現狀和控制要求出發，結合CAN總線的技術特點，分別從硬件和軟件設計方面闡述了CAN總線技術在低壓機組一體化裝置中的應用。

關鍵詞：小水電；CA N總線技術；低壓機組；一體化控制

1低壓機組現狀

我國小水電資源十分豐富，可開發的小水電資源位居全球首位，已建成的農村水電站達到4.8萬多座，其中約有80%以上是小容量的400 V低壓機組，這些電站大部分是在20世紀60～80年代建成，至今已運行30年以上，多數沒有進行過設備更新和改造，設備老舊或老化嚴重，自動化水平比較低，對電站和運行人員的安全存在一定的安全隱患［1］。

近年來，我國為有效的促進節能減排，改善生態環境，消除安全隱患，提高電站生產效率，出臺了諸如小水電增效擴容改造、小水電代燃料工程、小水電新農村電氣化縣建設等激勵措施［2］。其中，增效擴容改造主要是對電站現有設備進行升級改造，由常規控制方式轉為自動控制方式，提高電站自動化技術水平，無疑是農村水電轉變發展方式的重要舉措。

近年來，現場總線技術、通訊技術發展迅速，特別是CAN現場總線技術具有實時數據傳輸、可快速實現信息共享的技術特點［3］，對于低壓機組實現監控、保護、勵磁、測量等采用一體化控制，可以有效提高低壓機組電站的自動化水平。

2 CAN總線技術特點

現場總線技術經過近20年的發展，已經日臻成熟，逐漸受到了國內外自動化設備廠商和關鍵用戶的青睞，并在電力自動化領域得到了越來越多的應用。其中CAN現場總線技術，由于其采用了許多新技術和獨特的設計，數據通信具有更加突出的可靠性、實時性和靈活性。

CAN總線是一種多主方式的串行數據通訊總線，能夠有效支持分布式控制和實時控制。最初是由德國Bosch公司為解決汽車中控制與測試儀器之間的數據通信問題，以減少不斷增加的硬件接線而開發的，隨后CAN接口逐漸成為微控制器的標準串行接口［4］。

為滿足現場設備間通信的實時性要求，CAN總線采用分層結構，包括數據鏈路層和物理層。其中數據鏈路層是核心部分，負責完成過濾、過載通知和管理恢復，以及打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉換等功能；物理層主要定義物理數據在總線上各節點間的傳輸過程，以保證CAN協議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求。

在電力系統領域，CAN總線技術的應用很多，如采用CAN技術的傳感器和現場數據采集系統、電力控制設備等，不但提高了數據采集的實時性和靈活性，而且還提高了控制的快速性和可靠性。

3低壓機組一體化裝置的設計

低壓機組主要是指單機容量在1 000 kW以下，發電機出口電壓為400 V的小型發電機，其電氣設備包括監控、保護、自動準同期、勵磁、溫度測量、轉速測量、交流采樣等設備。

如果考慮將這些電氣設備在同一硬件平臺上來進行設計，可以大大降低生產成本。低壓機組一體化智能控制裝置就是這樣一款集監控、保護、勵磁、同期、測量等功能于一體的設備，其軟硬件設計均按照

在硬件設計方面，低壓機組一體化智能控制裝置通過統一的硬件平臺，進行數據集中采集和處理，其硬件結構主要采用總線背板配合插件的方式。所有插件固定在一個標準的4U（44.45mm×4=177.8mm）全寬機箱中，插件主要包括電源、CPU、I/O、模擬量、溫度量、交流量、保護、勵磁、同期和MMI等插件，如圖1所示。

圖1一體化裝置的背板和插件結構圖

各插件通過與插箱背板相連，優化了各插件間的信號量采集，避免了信號重復采集，提高了各插件間的數據共享和處理能力，而且實現了插件相互之間的信息交換。其中，保護、勵磁、同期、測速、開關量、模擬量等組件除完成各自核心功能外，還可將采集到的有效信息通過CAN現場總線送至智能控制器負責監視控制的CPU插件中，經過處理后再通過CAN總線網有效的送往各外圍組件，如液晶屏和上位機后臺，如圖2所示。

圖2一體化控制裝置示意圖

一體化裝置的軟件設計主要包括CPU和人機接口兩個部分。

CPU是一體化裝置的核心部分，主要負責完成數據運算處理、流程控制、負荷調節等功能，以及與其他插件和外部設備進行通訊，如圖3所示。裝置內各插件與CPU插件通過CAN網通訊方式進行數據交換，主要數據包括開關量輸入、模擬量采集、交流量采集、控制輸出、以及同期、保護、勵磁等插件信號，裝置預留了一個RS232接口，可以根據需要與外部設備進行通訊。

圖3 CPU與外圍設備連接圖

其中：CPU軟件設計包括板級支持、任務管理、內部通訊、外部通訊、以及應用程序等軟件設計，人機部分軟件設計主要是實現人機交互功能，包括液晶屏菜單顯示、按鍵響應、與控制模塊的數據交互等。

一體化裝置以CAN總線為高速數據通道，完美的將各功能插件集成在一起，實現對低壓機組的自動操作，能夠以一個指令實現自動開停機和事故停機等操作，實現一鍵式操作。主要完成的功能還包括：

（1）具有自動準同期功能，能夠自動調節有/無功功率；

（2）能夠自動根據水位信號進行機組開停機，以最大化實現經濟運行功能；

（3）具有發電機電流速斷、過電壓等繼電保護功能；

（4）具有對外通訊接口，能夠與監控后臺機進行聯網，實現遠程監控功能以及報表記錄、歷史查詢功能［5］。

4實際應用

在實際應用中，低壓機組一體化智能控制裝置可以和外圍的電氣一次、二次設備組成一面獨立的屏柜，完成低壓機組的監控和負荷調節，如出口斷路器、隔離開關、互感器以及勵磁可控硅整流器、滅磁及過壓保護回路、電源系統、測量需要的儀表和操作按鈕。

低壓機組一體化智能控制屏通過高度集成、模塊化設計，將傳統模式中的監控、保護、勵磁等系統設備進行優化和信息共享，進一步簡化了這些設備間的現場接線，減少了信號量的重復采集，采用模塊化、插件式設計，當模塊故障時可直接更換，也降低了設備維護的難度。如圖4所示，低壓機組一體化控制屏的采集信號和控制輸出回路大部分都集成在屏柜中，在廠家供貨前完成組屏，在現場安裝時只需要接入外部的回路信號，即可投入使用［6］。這樣不但簡化了設計工作，而且現場安裝調試工作也大為減少，縮短了現場調試時間。

圖4低壓機組一體化屏結構圖

5　結束語

CAN總線所具有的開放性特點，已被眾多廠家掌握和應用，因此，選用CAN總線作為低壓機組一體化裝置的通訊總線是合理的。采用CAN總線技術設計的低壓機組一體化智能控制裝置具有經濟實用、簡單可靠及維護方便的特點，不但節省了業主的投資成本，保障了低壓機組設備的可靠安全運行，而且也為電站實現“無人值班”（少人值守）運行方式提供了條件，提高了電站的經濟效益。

參考文獻：

［1］盧任文.400 V低壓機組少人值班自動化控制系統［J］.小水電，2014（4）.

［2］張巧惠，鄧小剛，楊春霞，等.農村小水電自動化控制技術現狀及分析［J］.水電站機電技術，2012，35（3）：22-24.

［3］陶秋紅，張偉龍.CAN總線技術及發展［J］.商場現代化，2007 （09）：11-12.

［4］楊樹濤，楊戈，王亦寧，等.CAN總線技術在小水電綜合自動化裝置中的應用［J］.水電自動化與大壩監測，2010（4）：5-8.

［5］趙雪飛，謝傳萍.小水電一體化控制技術及其應用［J］.水電自動化與大壩監測，2014，38（2）：64-66.

［6］聶旭旺，楊沐.低壓機組一體化控制屏在農村水電中的應用［J］.小水電，2015（5）：69－71.

中圖分類號：TV734.4

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）06-0034-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.012

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：謝傳萍（1976-），男，高級工程師，從事水電廠自動化的研究工作。一體化的設計理念，以CAN總線為基礎，采用模塊化、標準化、插件式進行結構設計，具有體積小、功能強、運行可靠、維護方便等特點。