基于CAN總線的微機保護測控裝置的設計-中國電氣傳動網歡.doc

基于CAN總線的微機保護測控裝置的設計王小進 趙喜軍 肖文華中國船舶重工集團公司第712研究所摘要：提出了一種基于CAN總線的微機保護測控裝置的設計方法，結合現場總線和嵌入式技術給出了微機保護測控裝置的軟硬件設計，對提高變電站綜合自動化水平具有重要的現實意義。關鍵詞：CAN 微機保護 通信 任務Design of Microprocessor Protection and Control Device Based on CAN BusWang Xiaojin Zhao Xijun Xiao WenhuaAbstract: This paper gives a design method of microprocessor-based protection and control device .It also gives the hardware and software of the device in detail based on CAN bus and embedded system. To improve the automation of electric system of transformer substation, it is necessary and useful.Keywords: CAN microprocessor-based protection communications task1 引言 分層分散式結構是變電站綜合自動化系統今后發(fā)展的一個重要方向，而位于系統間隔層的微機保護測控裝置是構成這種結構的最基本的單元。微機保護測控裝置集狀態(tài)監(jiān)視、數據采集和實時保護功能于一體，是整個自動化系統工作的基礎。因此對變電站測控保護單元通信的實時性、可靠性、靈活性提出了更高的要求。CAN（Controller Area Network）總線，又稱控制器局域網，是一種有效支持分布控制或實時控制的串行通信網絡。其具有以下的特性：1）CAN為多主方式工作，網絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求；2）CAN采用非破壞總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)傳輸數據；3）CAN只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據；4）CAN直接通信距離最遠可達10km（傳輸率5kb/s以下），通信速率最高可達1Mb/s（此時通信距離最長為40m）；5）CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節(jié)最多為8個，可滿足變電站控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的要求。同時，8B也不會占用過長的總線時間，從而保證了通信的實時性；6）CAN的每幀信息都有CRC檢驗及其他檢錯措施，每幀信息出錯率極低，適合在變電站這種高電壓、大電流、強電磁波的惡劣環(huán)境下工作；7）CAN的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活；8）CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。鑒于CAN總線的優(yōu)良性能，將CAN總線技術引入變電站綜合自動化系統中，是勢在必行的。因此，本文提出一種基于CAN總線的微機保護測控裝置，給出了裝置的硬件和軟件設計。2 微機保護測控裝置的硬件平臺硬件構成框圖如圖1所示。2.1 模擬量/互感器模塊微機保護測控裝置的模擬量/互感器模塊是交流采樣插件，采用小型精密電流電壓互感器， 圖1 微機保護測控裝置硬件構成框圖包括對電流、電壓模擬量隔離核調整。2.2 繼電器板該裝置由分、合繼電器，保持繼電器，信號繼電器組成。本裝置的繼電器板分兩種：一種具有防跳功能，裝置內部有防跳繼電器，可取代老式微機保護所用的外部防跳操作箱，并予留有外接分合閘及就地/遙控切換功能。一種不帶有防跳繼電器，以滿足很多自帶防躍功能的斷路器使用。信號繼電器之一用于裝置故障告警，由該信號繼電器的常閉觸點控制整個跳合閘出口的正電源，一旦CPU發(fā)現有裝置故障，閉鎖所有跳合閘出口，即不允許裝置帶故障運行于跳閘。2.3 主板 主板由單片機（選用32位單片機，型號為AT91M40800）、現場可編程器件、高精度A/D采樣器件合多路開關（選用MAX125CEAX）、光電隔離輸入輸出接口、定值存儲器、跳合閘邏輯電路、一階有源低通濾波器和高精度運算放大器（選用OP497）、電流限幅保護、模擬通道接口、硬件看門狗、光電隔離通信接口等組成。2.4 鍵盤/顯示模塊 裝置前面板有以下四部分組成： 1) 240128大屏幕圖形液晶顯示器LCD，用于顯示操作菜單、各種運行數據、參數、波形及狀態(tài)。 2) 7個LED 工作狀態(tài)指示燈，分別為：運行、通訊、分閘、合閘、告警、故障、及控制回路斷線。 3) 8個操作控鈕,分別為：合閘、分閘、方向鍵（ ）、確認、取消。 4) 一個3位鎖，用于設置本裝置以下3種工作模式：遙控、本地和設置。2.5 通信接口模塊 硬件平臺設置了現場總線CAN接口，作為用本裝置構成變電站綜合自動化系統時的控制網絡接口。另外還有調試用的RS232串行接口。 CAN控制器與現場總線之間加有光電隔離環(huán)節(jié)，提高通信的抗干擾能力，使得多個通信模塊能組成一個獨立的通信網絡，而與其他電路沒有任何電氣連接，提高可靠性。2.6 抗干擾措施 在硬件設計上，采用了如下抗干擾措施：1) 電源濾波、旁路/退耦電容、輔助變流器/變壓器電屏蔽、光電隔離、弱電系統浮地、強弱電信號走線分離、磁屏蔽、單點接地、雙絞線、PCB板內合理分塊布線等措施；2) 提高敏感設備的電磁敏感度去耦電容、多層印制板、電磁波屏蔽、邏輯與5V系統總線不外引，各CPU間通訊采用雙絞線等措施；3) 機箱采用防銹鋁板，采用2.5mm的薄板，成形后再作導電氧化處理。機箱前后兩面開口，其余各面用型材料螺釘安裝而成，組裝容易，接縫嚴密，可防止孔縫泄漏，接地良好，裝置就能順利通過靜電放電干擾試驗和工頻磁場干擾試驗；4) 在主板上設計有一級WATCHDOG。這樣，當程序受到干擾飛掉時，可以由WATCHDOG對CPU進行復位，重新運行程序；5) 各電路印制板與主板之間安裝和取出方便，印制板的屏蔽和間距良好的解決了電磁干擾問題。3 CAN通信的硬件設計CAN屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，其協議是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的，其模型結構只有3層，只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線。通信速率最高可達1Mb/s/40m，直接傳輸距離最遠可達10Km/5b/s?？蓲旖釉O備最多可達110個。CAN通信模塊的硬件電路主要包括：CAN通信控制器與微處理器之間，以及CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路。電路設計如圖2所示。用Philips獨立CAN控制器SJA1000作為通信控制器，使用Philips的82C251作為CAN控制器接口芯片，為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過采用高速光耦6N137實現收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，滿足在最高速率1Mb/s下的電氣響應。圖2 CAN通信接口電路4 微機保護測控裝置的軟件設計微機保護測控裝置為了變電站綜合自動化系統對測量的準確性、動作的可靠性、安全性、實時性等高要求，軟件采用了嵌入式實時操作系統的設計思想。該設計思想的核心就是將保護、測量、通訊、顯示等功能劃分為優(yōu)先級不同的任務，并按照任務優(yōu)先級的不同來決定執(zhí)行任務的次序。本裝置采用嵌入式操作系統uC/OS-II，該操作系統具有易移性，多任務，高穩(wěn)定性和可靠性，適合小系統開發(fā)等特點。根據裝置的功能可以劃分為以下幾個任務：A/D采樣任務、通訊任務、保護任務、計量任務、鍵盤響應任務、液晶顯示任務等，主要任務的優(yōu)先級分配如下：圖3 CAN通信程序框圖1）保護任務：處于最高級別類的任務，電流保護和電壓保護的判斷；2）顯示任務：處于最低級別類的任務，LCD的顯示和LED的顯示；3）測量任務：較高優(yōu)先級的任務，完成測量計算的功能；4）通訊任務：較高優(yōu)先級任務，完成與上位機的通訊。對實時性要求很高的任務，采用中斷方式實現。這些任務的優(yōu)先級以上順序排列，他們從等待態(tài)到就緒態(tài)的狀態(tài)轉換由時鐘設定，其它狀態(tài)轉換則由uC/OS-II任務調度算法程序完成。CAN通信程序功能框圖如圖3所示。5 結論基于本文設計方法的微機保護測控裝置實現了對變電站測控保護單元通信的實時性、可靠性、靈活性等要求。CAN現場總線技術和嵌入式技術在變電站綜合自動化領域的應用，將大大促進變電站綜合自動化的進