【电力期刊】基于CAN总线的分布式电网消弧选线系统.pdf

第 2 6卷第 6期函2 0 0 6 年6 月 电 力自 动 化 议 备E l e c t ri c P o w e r A u t o m a t i o nE q u i P m e n tV o l.2 6N o.6 J u n.2 0 0 6基于c A N 总线的分布式电网消弧选线系统 李(1.中国矿业大学毅，杨公训，安新2机电与信息工程学院，北京2.河北工程学院 信息与电子工程系，河北 邯郸1 0 0 0 8 3;0 5 6 0 3 8)摘要:基于控制器局域网C A N(C ont ro l le:A re aN et w or k)总线协议，针对电力系 统接地故障较多的问题，设计了 一种消弧及选线的电力保护系统。该系统由1 台上位机和多台下位机组成，上位机和下位机以及下位机之间采用C A N现场总线进行通信，对该方案的硬件系统尤其是下位机系统进行了详细的设计，给出了 软件系统需完成的各种具体功能，并根据C A N总线的通信协议规定了数据通信格式及地址的分配。实际运行结果证明了该系统的可靠性和有效性。关键词:C A N总线;自 动控制;消弧;选线中图分类号:TP 2 7 3文献标识码:B文章编号:1 0 0 6 一 6 047(2 0 0 6)0 6 一 0 0 6 0 一 0 3 在电力系统中，线路接地故障占总故障的70%以上，由于电网规模的扩大以及电缆在配电网中的大量应用，系统电容电流在不断增长。当发生单相接地时，电容电流较大，弧光不能自 熄，严重威胁着电网的安全运行，因此，相关单位都在开发能够消除电弧和判断接地线路的保护系统。本文将控制器局域网 C A N(C ont ro n e:A re aN et w o rk)现场总线应用于消弧和线路的接地判断系统当中。该系统基于C A N现场总线技术，使1 台上位机和几台下位机甚至是几十台下位机共同使用同一条总线，扩展了工作范围，使传输数据更加简单、快捷，并且大幅降低了所需的线路成本l 一 2。I C A N总线简介 C A N 总线属于现场总线的范畴，是德国B O S C H公司为分布式系统在强电磁干扰等恶劣环境下能可靠工作而 设计的 一种串 行通信网 络，有如下显著优点。a.多主方式工作。各节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统3。b.采用独特的非破坏性总线仲裁技术。优先级高的节点优先传送数据，能满足不同的实时性要求。c.广播式数据通信。采用C S M A/C D协议进行总线控制及数据通信。当节点向网上发送数据时，其他节点都同时收到数据，具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能。d.高传输可靠性。C A N总线上每帧有效字节数最多为5 个，并有循环冗余校验c R c(c y d i C R e d u n-da nc ychee k)及其他校验措施，数据出错率极低。并且若某一节点出现严重错误，可自 动脱离总线，而收稿日 期:2 0 0 5 一 0 9 一 2 8;修回日 期:2 0()5 一 1 1 一 0 1总线上的其他操作不受影响。e.特别适合于网络化智能设备，传输速率可达I M bit/5，传输距离可达 I k m，当信号传输距离达到rok m时，C A N仍可提供高达5 0 K bi t/5 数据传输速率，传输方式及传输介质为差动传送方式和双绞线。f.C A N总线只有2 根导线，系统扩充时，直接将新节点挂接在总线上即可，系统易实现冗余设计。基于 C A N网络协议的现场总线即 C A N总线具有多主、实时、高可靠性、低成本等优点4 一 5 ，特别适用于条件十分恶劣的工业和电力现场。2 系统原理 本系统由上位机和消弧模块、选线模块等几部分组成。上位机硬件采用研华工控机，软件则采用wi n d o w S 9 8/2 0 0 0/N rr 作为操作系统，通过C R T显示器将目 前的运行状况显示给用户。消弧模块和选线模块作为下位机，采用单片机+C A N总线控制器结构6j。整个系统由1 一 4 个消弧模块及6 0 个以下的选线模块组成，各模块之间及与上位机之间用屏蔽双绞线连接，并在C A N总线两端安装终端匹配电阻，鉴于该系统的信息传输量不是很大，因此传输距离可达 10k m，可以满足实际需要7。系统结构如图 1 所示。图 1系统结构图F i g.IS y s t e ms t ruc t u re3 上位机软、硬件结构 上位机为整个系统的核心部分，采用研华工控机，操作系统为W in dow S 98/2000/N T，软件环境为微软公司的可视化编程语言visu alC+6.0，与下位机的接口卡采用单路C A N非智能P cl卡，C A N总线协议为C A N Z.O B 标准帧数据格式，n位ID号。万方数据第 6期李毅，等:基于C A N总线的分布式电网消弧选线系统.上位机的软件所具有的功能如下:a.实时测量电容电流的变化，并发出调档信号使消弧线圈跟踪至合适档位;b.进行母线路数、出线数、接地启动电压、跳闸时间、线路编号、系统时间及消弧线圈电抗等参数的现场设定;c.对各下位机模块定时进行自检，必要时发出报警信号及部位;d.实时显示系统的电容电流、电感电流、残流、档位、位移电压及母线电压;e.能够对下位机进行测试;f.具有位移过限、调档失败、档位到底/顶、容量不适、装置异常、接地等报警;9.能够打印、通信及追忆;h.接地信息记忆次数200 次;1.可记忆、恢复接地电流、电压波形;j.对于架空线路可选择突变量算法;k.有自动重判、手动重判和基波补救算法功能。4 消弧模块工作原理 消弧模块的通信地址为1 一 4，选线模块的地址大于4，各模块的通信地址不能相同。上位机每秒对各消弧模块进行访问，消弧模块接到采集数据命令后，将采集到的滤波后的 1 个周期数据及输入开关量信号一并上传，然后上位机对传来的数据进行快速傅里叶变换(F FT)，计算出各模拟量的实部及虚部，通过位移电压法及实时测量法计算出系统的电容电流值，经判断后如需调档，则下发调档指令。软件及硬件的设计上有完善的自 检功能，满足电磁兼容及工频耐压的要求。整机电路原理如图2 所示。符合2 0 O 0 v工频耐压的要求，在有完善的软、硬件自 检功能后，各出口继电器一般不会出现拒动或误动作情况，且满足电磁兼容的需求。6 上、下位机数据传输格式6.I C A N Z.O B标准帧数据格式(1 1 位I D)C A N标准帧信息包分为信息和数据 2部分。前3 个字节为信息部分。第 1 个字节是帧信息，F F位为帧格式;R T R位为远程发送请求，0 为发送数据帧，1 为发送远程帧;x 位为无关位;最后4 位D L C是数据长度，即所发数据的实际长度，单位为字节。第2、3 个字节的前 n位为C A N _ ID标识符(2 个字节)，包含本信息包的目的站地址。其余8 个字节是数据部分，存贮实际发送的数据。详见表1。表 IC A NZ.O B标准帧数据格式T a h.IDa t aform a to fC A N20 B s t a n d a r d fr a me 765432l0字节 1F FRT RXXD L C(数据长度)字节 2(地址标识符)I D 2 8 一 I D Z I字节 3I D2 0I D1 8XXXXX字节 4数据 1字节 5数据 2字节 6数据 3字节 7数据 4字节 8数据 5字节 9数据 6字节 ro数据 7字节 11数据 8I LI o认眺UcUo酥 图 2消弧模块结构图F i g.ZS t ru c t u reofa rc 一 e x t i n c t i o nm o d u l e6.2 整套系统地址通信分配及设置 考虑到软件实现的方便，将ID20一 ID1 8(ID号的低3 位)清零，I D号仅用高8 位。在C A N Z.O B 标准帧数据格式中的字节2 定义为各模块的地址，o x 8 0 一 o x s l 为上位机地址，0 x 0 1 一 O X O A的1 0 个数为消弧模块的地址，O X 0b O x l4的10个数为选线电压模块地址，0 x 1 5 一 o x 7 F 为选线模块地址。地址的设定由上位机发命令实现，实现方法是:先将要设置地址的模块与上位机建立连接，在其余模块不送电的情况下，单独对此模块设置地址后，模块将此地址转存在本身的E E P R O M中，这样可避免复杂的硬件设计，并可节约宝贵的端口资源。5 选线模块工作原理 本模块的功能是依上位机指令进行电压或电流的数据采集，按采集信号的种类分为电压采集模块和电流采集模块，2 种类型为相同的硬件结构，通过简单的硬件变换即可实现电流或电压的输人。该装置有 4路开关量输人信号及 2 路继电器输出端子，由 上位机发信来控制继电 器的开合。通信的硬件采用光电隔离方式，各输人、输出7 结语 本文在分析C A N现场总线特点的基础上，将C A N总线与配电网的自动化系统相结合，提出了一种新的控制网络结构，该系统体现出现场总线的优势和特点，提高了 效率和可靠性，并降低了成本。本文还对控制系统的软硬件结构进行了详细设计，并依据C A NZ.0 协议设计了数据格式，以及对地址进行了分配，使整个系统达到了实际应用水平。万方数据函电 力自 动 化 议 备第 2 6卷参考文献:川 邓晓刚，唐厚君.c A NBusZ.OB 在配电网自 动化中的应用 J卜 计算机工程与应用，2 005(2):214 一 2 16.D E N GX i ao 一 g a ll g，TAN GH o u 一 u n.The叩p l i c at i o nof C A N B U S 2.O B i n P o w e rd i s trib u ti o n aut o m at i o n J .C o mPu t e r E n gi-n een n ga n dA p p l i c a t io n s，2 0()5(2):2 1 4 一 2 1 6，2 刘文.现场总线技术在厂用电监控系统中的应用J低压电 器，2(X)5(5):4 0 一 4 2.UUWe n.Thea p p l i c at i o nof C A Nb u si np 0 w e r ofp l a n t d e t e c-t i n ga n dc ont rOli n gs 邓 t e m J .助wV o l t a g eA p p arat u s，2 0 0 5(5):40 一 4 2.3 阳宪惠.现场总线技术及其应用【M .北京:清华大学出版社，1 9 9 9.【4 邹益仁，马增良，蒲维.现场总线控制系统的设计和开发【M 北京:国防工业出版社，2 003.5 白焰，吴鸿，杨国田.分散控制系统与现场总线控制系统【M.北京:中国电力出版社，2(X)1，【6 唐晓泉，韩崇昭.C A N总线在提升设备状态监测系统中的应用 J .测控 技术，1 9 9 8，1 7(6):2 0 一 2 2.T A N GX i a o 一 q u an，H A NC h o n 合 z h ao.T h ea p p l i c at i o no f C A Nb u s i ne I e v a t ed e v i c es t a t u sd et ect i n gs y s t e m J .M eas u re a n dC o n-t ro l Tec h n o l o 群，1 9 9 8，1 7(6):2 0 一 2 2.7 邻宽明.C A N总线原理和应用系统设计 M.北京:北京航空航 天大学出版社，199 6.【8 戴荣平，李振华，屠勤.一种具有双C A N B u S 接口的通用多功能 D l 模块设计和应用【J .现代电子技术，2 005，2 8(9):5 5 一 5 7.D A I R o n g 甲 i n g，L I Z h e n 一 u a，T UQ i n.D e s i，anda p p l i c at i o nof ag e n e ral m u 1 t i fu n c t i o n al D Im odu l ew i t hd u al C A N B U S J .M o d e m E l e c t ro n i cTec h n i q u e，2(X)5，2 8(9):5 5 一 5 7.【9 马庆云，周坚.基于C A N现场总线的智能数据采集器的研究【J 山东科技大学学报:自然科学版，2 003(9):6 8 一 7 0.M A 切n 片 y u n，Z H O U J i an.The re s earc h of i n t e l l i 罗 n td at a c ol l e c t o r b a s e do nC A N B U S J .J o u mdof s h a n d o n gU n i v e rs i t y ofs c i e n c ea n dTec h n o l o gy:N at u ral s c i e n c e，2 0()3(9):6 8 一 7 0.【10 芦雷，顾德英.基于c anB u s 现场总线的数字通信日，仪器 仪表学报，2 005，2 6(8):4 3 2 一 4 3 4.L U Lei，G U D e 一 y i n g.The d a t a c o m m u n i c a t i onb as e d o n C anB u s J .C h i n e s eJ o u rn al of S c i e n t i fi cl n s t ru m e n t，2(X)5，2 6 (8):4 3 2 一 4 3 4 (责任编辑:康鲁豫)作者简介:李 毅(l 9 74一)，男，河北安平人，讲师，博士研究生，主要从事控制理论、控制工程和工业自 动化等方面的教学和科研工作(E 一 m a u:k d l i y i h o t m a i l.c o m);杨公训(1 9 41一)，男，天津人，教授，博士研究生导师，主要从事控制理论与控制工程等方面的教学和科研工作;安 新(l 9 73一)，女，河北衡水人，讲师，主要从事工业自动化专业等方面的教学和科研工作。D i s t ri b u te da r c 一 e x t i n c ti o na n dg r o u n d i n gd e t e c t i o n s y s t e m b a s e do nC A N b u s L I Y i 里，Y A N GG o n g 一 x u n l，A NX i n Z (1.C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dTec h n o l o 群，B e ij i n g1 0 0 0 8 3，C h i n a;2.H e b e i U n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g，H a n d a n0 5 6 0 3 8，C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h eC A N(C o n t ro l l e r A re aN e t w o rk)b u sp r o t o c o l，a na rc 一 e x t i n c t i o na n d卿u n d i n gd e t e c t i o ns y s t e mi s d e s i g n e dfo r freq u e n t 群 o u n d i n g fa u l t s i np o w e r s y s t e m s，w h i c hi sc o m p o s e do f o n es u p e ro r d i n a t ec o m p u t e r a n ds e v e r a l s u b o rd i n at ec o m p u t e r s，a p p l y i n gC A Nfi e l db u s fo r c o m m u n i c at i o na m o n g t h e m.The h a rd w are s y s t e m，e s p e c i al l y t h e s u b o r d i n a t e s y s t e m，i s d e s i g n e di nd e t a i l，a n d p a rt i c u l a rfu n c t i o n s o f t h es o ft w ar ea reg i v e n.A c c o rdi n gt ot h eC A Nb u sp ro t o c o l，t h ec o m m u n i c a t i o nfo rma t a n da d d re s s a s s i 邵m e n t ar es p e c i fi e d.Pra c t i c es h o w s i t s r e l i a b i l i t ya n de ffec t i v e n e s s.K e ywor d s:C A Nb u s;ant o m a t i c c o n t ro l;a rc 一 e x t i n c t i o n;g r o u n d i n g d e t e c t i o n合 笋 备、户、咎户产 公户、夕户、产产户户 卜 吩户吩户户心，盏、公户、户、吕户、夕蕊 户、夕户、公户、户公 浇公户公户公户、户户p户夕户今 笋 盏、户吩户、，户夕 洛 吩户、，户公户兮 笋 江 笋 小公户、产公户、，户、户、夕户(上接第2 6页c o n t i n u e dfromp a g e2 6)S tud yo nto P o I o g i c a l s t ruc tur eo f m e d i u m v o l tag ea c ti v eP o w e rfi l te r WA N GB i 一 fa n g l，L I UM i n Z，Y U A NT u o 一 l a i l，Z H A N GZ h e n 一 h u a n l (1.S c h o o l o f E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g，Wu h a nU n i v e r s i t y，Wu h a n4 3 0 0 7 2，C h i n a;2.C e n t ra l C h i n aG ri dC o m p a n yL i m i t e d，Wu h a n4 3 0 0 7 7，C h i n a)A b s t r a c t:M a i nc i ro u i t s o f t h em i d d l ev o l t a g eA P F(A c t i v eP o w e r F i l t e r)h avet w ot y p e s:t h ep a s s i v e&a e t i v eh y b ri ds t 川c t u re andt h ee a s c ade dm u l t i l e v e 1s t ruc t u re.B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e s es t ruc t u r e s，ac a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e rt e rw i t hi s o l a t i o nt ra n s fo rme ri sp r e s e n t e d，w h i c hi su s e da st h em a i nc i rc u i to ft h eA P F.T h em u l t i 一 c a rr i e rP WM(Pul s e wi d t h M o d u l at i o n)c o n t ro l i su s e d.Theo u tP u tv o l t a g ei sc o m p o s e do fas e ri e sOf s t e ps q u a r ew a v e s，b e i n gl i k eas i n u s o i d，I th a sa d v a n t a g e s Ofs i m p l es t ru c t u rea n de a s yD C 一 s i d e v o l t a g e c o n t r o l.S i m u l at i o n s v e ri fyi t s fe a s i b i l i t y.K ey wor d s:a c t i v eP owe r fi l t e r;c a s c a d e dm u l t i l e v e l i n v e rt e r;m u l t i 一 c a rrie r万方数据