引言

隨著計算機技術、信息技術的進步，電力設備向著可通信、智能化、網絡化方向發展。低壓斷路器是為供配電網絡提供過載、短路和欠壓等保護及避免接地等故障破壞的重要電氣元件，智能控制器是實現其測量和完成各種保護功能的核心控制單元，斷路器的智能化主要體現在控制器上。

目前，國內正致力于開發國產第四代斷路器，斷路器需具有智能化、模塊化、可通信化的功能，供電系統中多臺智能型斷路器需實現集中監控、連鎖保護功能。

智能斷路器接入控制網絡有多種方案，如基于現場總線的嵌入式網關，設備通過嵌入式模塊而非PC 接入Internet。這種方案占用空間大，成本高，開發任務重，其質量與底層設備的數據傳輸速度和可靠性聯系密切。也有采用“分布式Web服務器”方案，由于采用裁減過的嵌入式TCP /IP協議棧和嵌入式Web 服務器，實現功能較為單一，安全性差，只適用于需求較簡單的場合。

目前，由于許多現有斷路器僅具備現場總線接口，直接開發具有Internet 接口的斷路器成本高，底層開發難度大，且很難與其他設備進行相互通信。故需根據不同的工作環境特點和通信要求，分級采用不同的通信方式，用協議轉換的方式實現連接。本文建立了CAN/EtherNet /Internet三級網絡模型。實現了跨越現場總線/以太網/互聯網三層結構體系的智能管理，不僅能保證現場信息傳遞高可靠性、實時性，也能兼顧遠程通信傳輸距離遠、速率高的需求，從而實現斷路器在電力系統各級的在線監控和信息管理。

1 智能斷路器網絡模型

在三級網絡模型中，要兼顧各級性能，需選擇不同的運行機制。第一級為現場智能斷路器級，為強電環境，電磁干擾強，需提取各種電量的模擬信號，轉換為數字信號向上傳輸。本文選用了CAN 總線完成通信功能。CAN 總線作為現場總線有很多優勢。如采用短幀結構，一幀有8 bit，通信實時性好且受干擾率低，CRC 校驗及其他校驗措施保證了高可靠性，其通信速率最高達1 Mb /s /40 m，另外開發成本低，硬件結構簡單。

但基于CAN 總線的通信最多不超過10 km，故在主控制室級轉為基于IP 協議的工業以太網方式傳輸。在這一級對上要接入互聯網，滿足兼容性，可靠性的要求，對下要傳輸現場電量參數和控制信息，需滿足實時性、高速率的要求。另外，在本級要實現斷路器區域連鎖保護的功能，需具有一定的計算存儲能力，故用PC 機作監控機，可滿足各種管理要求。而采用以太網作通信接口，支持大部分流行的現場總線協議，傳輸速率為10 M/100 m，采用全雙工通信方式，能較好滿足實時性要求。在電力調度中心級，為了滿足各種電力信息服務的需要，將工業以太網協議轉入開放式互聯網通信協議，在接入互聯網時要考慮安全性的問題。

網絡模型中，首先通過對單個斷路器的智能控制器測量模塊、微處理模塊、通信模塊進行結構設計，完成基本的保護功能，然后對各級斷路器通信，實現區域聯鎖保護，與電力調度中心通信，實現遠程監控，如圖1 所示。由此可見，斷路器三級網絡模型具有兼容性、可擴展性，可在硬件不變的基礎上進行軟件編程，使系統具備較大的適用性和升級能力。

圖1 智能斷路器三級網絡模型.

2 低壓開關室智能斷路器級

2. 1 智能控制器硬件電路

斷路器智能控制器采用模塊化結構，需實現測量、分析、執行動作、通信等功能，硬件電路如圖2所示。其中，速飽和電流互感器提供自生工作電源，傳感器、空心電流互感器等智能儀表實時采集三相電壓、四相電流、電網頻率、功率因數等參數，A/D 轉換后送入微處理單元進行存儲、電能質量分析、保護值計算，然后通過鍵盤和LCD 液晶屏整定參數值和動作時間，顯示各參數，發出故障報警信息，同時發送信號給磁通變換器執行脫扣命令。作為智能控制器核心的微處理單元，選用內部集成CAN 控制器的高速微處理器DS80C390，最大時鐘頻率可達40 MHz，集成度高，抗干擾能力強。為避免電磁干擾，用光電耦合電路加以隔離，外接CAN 收發器SN65HVD230。

該收發器為協議控制器與物理傳輸線路間的接口，提供兩者間的差動收發功能，可用于較高干擾環境下，在不同速率下均具有良好的收發能力。

圖2 智能控制器硬件電路圖.

2. 2 斷路器三段保護功能的實現

對于單臺斷路器，主要考慮其可實現的多重保護功能。智能控制器可實現的保護功能主要有三段保護、接地保護、剩余電流保護等，其中三段電流保護是斷路器最重要的保護功能，分為過載長延時保護、短路短延時保護和短路瞬動保護，如圖3 所示。針對不同的保護要求，可通過設定長延時脫扣電流整定值Ir、長延時時間整定值tr、短延時脫扣電流整定值Isd、短延時時間整定值tsd及瞬時脫扣電流值Ii進行調整，其中，過載長延時保護是反時限保護，動作時間與故障電流平方成反比，當延時時間一到，若實際測得的故障電流值仍大于整定值，即執行脫扣動作。短路短延時保護特性為定時限保護，當短路電流大于8Ir時，定時器啟動，設定的動作時間一到，即執行脫扣動作，不受電流影響。短路瞬動保護為定時限保護，若在某些場合不需要短路瞬動保護，可以關閉此功能。

圖3 斷路器三段保護曲線.

斷路器三段保護算法的程序流程圖如圖4 所示。依照優先級由高到低，依次是短路瞬動保護、短路短延時保護、過載長延時保護判斷。首先通過CAN 總線接收上一級發送的參數整定值，微處理器調用定時中斷處理程序對電流值采樣，由采樣所得一個周期的電流值計算出電流有效值，進入三段電流保護程序，與各種保護電流整定值依次比較，確定不同的保護動作，并將控制信息通過CAN 總線傳送到上一級。

圖4 三段保護程序流程圖.

3 配電所主控制室級

3. 1 斷路器主控制室的連鎖保護功能

在變電站中，都設有主控制室，通過監控對低壓開關室的各級斷路器進行協同控制，形成連鎖保護。電氣主接線采用單母線分段形式，有母線斷路器QF1、QF2，母聯斷路器QF5，分支斷路器QF3、QF4、QF6、QF7，這些斷路器所處位置不同，如果參數設置值相互獨立，發生故障時可能造成上下級線路同時斷開，會影響其他分支線路正常供電，而啟動連鎖保護后，依照斷路器間邏輯關系，通過約束設備間動作時間，可以實現故障影響區域最小化，持續供電最優化的經濟效果，如圖5所示。如過載或短路故障時，設置下級斷路器動作時間整定值使其迅速動作，而上一級離故障點最近的斷路器必須延時動作，以確保下級斷路器能清除故障，在下級斷路器保護失效時，上一級斷路器再執行后備保護。

3. 2 CAN-TCP /IP 協議轉換電路

如圖5 所示，在變電站主控制室設計了基于ARM7 嵌入式處理器的協議轉換電路，將帶有CAN 總線接口的智能斷路器接入以太網，不僅可完成斷路器的實時監控，也便于與上一級電力調度中心的通信。電路設計中，選用ARM 核微控制器STR710FZ2T6 實現協議轉換，優點是功耗低、性能高、性價比高，同時支持CAN2. 0 協議和TCP /IP 協議規范。其內部集成有CAN 模塊，位速率最高可達1 Mb /s。外接的網絡控制芯片CS8900A 是一款低功耗、性能優越的16 bit 以太網控制器，通信速率10 Mb /s，負責處理以太網數據幀的發送和接收。

圖5 CAN-TCP/IP 協議轉換電路.

3. 3 CAN-TCP /IP 協議轉換流程

工業以太網采用TCP /IP 協議族，CAN 和TCP /IP 網絡是通信協議完全不同的異質網絡，若想完成之間的信息交換，實質上是在應用層進行協議轉換，通過對數據按照不同協議的封裝使其能夠被不同的網絡讀取。協議轉換過程流程圖如圖6 所示。

圖6 協議轉換主程序流程圖.

4 電力調度中心級

目前，110 kV 以下配電網中已有很多變電站實現了無人值班，由電力調度中心進行遠方控制。

電力調度中心網絡連接如圖7 所示，在該設計中，調度中心與監控級的變電站主控制室都采用TCP /IP 協議通信，但具體協議方式根據互聯網的要求有一定的改變，同時可通過Internet網絡與供電局、發電廠、其他電力調度部門通信，從而聯成一個全方位的電力通信網絡，其有很多優勢:① 綜合不同區域電力供應情況，協調各級電網;② 可進行分區段輪流檢修，減少停電損失;③ 聯網后，通過廣域測控系統的普及，可進行快速故障定位，實現智能電網自愈功能;④ 未來會逐步將新能源( 如風電，太陽能、生物能等) 納入電網規劃，進行有效調配，發揮可再生能源的功效，滿足經濟、環保的要求。但接入Internet 網絡會帶來很多安全方面的隱患，如保密信息泄露、黑客攻擊、*侵入等，需采用防火墻、入侵檢測、防*、VPN 技術等多種措施構建電力網絡的安全防護體系。

圖7 電力調度中心網絡連接.

5 結語

本文構建了斷路器三級網絡模型，以DS80C390 為核心，設計了一種基于CAN 總線的低壓斷路器智能控制器，實現斷路器的三段保護、測量、控制等功能，提出了一種基于ARM 微控制器STR710FZ2T6 的CAN-TCP /IP 協議轉換電路，通過以太網通信方式與網絡上的電力調度中心進行交互，符合智能電器網絡化發展趨勢，有很好的應用前景，同時對電力網絡中其他智能電器的設計也提供了一定的參考。