基于控制器局域網絡CAN實現高壓開關柜故障檢測系統的設計

1、引言

在電力系統中10kV高壓開關柜應用極為廣泛，擔負著控制、保護雙重功能。隨著電網日益擴大以及變電站無人值班管理模式和綜合自動化的普及推廣，高壓開關柜的安全運行越來越重要，停電事故給生產和生活帶來的影響及損失也越來越大，因此迫切需要高壓開關柜具有高可靠性，并能在線檢測故障，以便采取預防措施，避免停電事故發生。

隨著電子技術的進步和傳感器技術、計算機技術、信息處理技術、現場總線技術等的發展，高壓開關柜功能智能化已具備技術上的條件。在“10kV高壓開關柜的故障在線檢測，，課題研究中將當今工業控制領域中廣為流行的現場總線技術應用于其中，使高壓開關柜的故障在線檢測形成了一個分布式的監測系統，并使整個系統較以往集中監測系統性能增強，功能更為完善。

本文主要討論10kV高壓開關柜故障在線檢測系統研制中現場總線的應用情況。

2、現場總線簡介

在以往的變電站監測系統中，一般使用BITBUS總線和RS-485總線，但它們在應用中有以下缺陷：

1）BITBUS總線和RS-485總線上只能有一個主節點，無法構成多主冗余系統，導致系統可靠性較差；

2）數據通信方式是命令響應式，從節點只有在收到主節點的命令后，才能響應，一些重要的信息得不到及時上送，致使系統的靈活性差，實時性差；

3）BITBUS總線和RS-485總線的抗干擾能力及糾錯能力差，不適應在高壓開關柜內的高電磁環境下運行。

為了克服BITBUS總線和RS-485總線在使用中的缺陷，經過方案比較，本文采用了控制器局域網絡CAN（Controller Area Network）。它是20世紀80年代初研制成功的一種現場總線，其最初主要是為汽車監測、控制系統而設計的。如今，由于其采用差分驅動，可在高噪聲干擾的環境中使用以及較強的糾錯能力等，加之國際半導體知名廠家的產品支持，已形成國際標準ISO11898規范。并已被公認為最有前途的現場總線之一。

CAN的通訊協議建立在國際標準組織的開放系統互聯參考模型基礎上，主要工作在數據鏈路層和物理層，用戶可在其基礎上開發適應系統實際需要的應用層通信協議。CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能，以切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其他節點及通信不受影響，故具有較強的抗干擾能力。其主要特點有：

CAN可以多主方式工作，網絡上任意節點均可以在任意時刻主動地向總線上其它節點發送信息，這就可以構成多主機系統；

CAN總線上的節點信息可以分成不同的優先級，以滿足不同的實時要求；

CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當兩個節點同時向總線上發送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，節省了總線沖突仲裁時間；

CAN可以點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式發送接收數據；

CAN的直接通訊距離可達10km（速率5K）；

CAN的通訊速率最高可達1M（此時通訊距離最長為40m）；

CAN上的節點數實際可達110個；

CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據出錯率低；

通訊介質采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活，連接方便。

從上述的分析可看出，CAN總線非常適合用音變電所中構成高壓開關柜故障在線檢測系統。

3、故障檢測系統組成

高壓開關柜故障在線檢測系統結構如圖1所示。

基于控制器局域網絡CAN實現高壓開關柜故障檢測系統的設計

整個系統使用CAN總線將一系列故障檢測單元模塊和系統機單元連成分布式結構的現場控制網絡，由故障檢測單元模塊采集開關柜的信號數據，通過現場總線送至系統機單元，建立起全變電站高壓開關柜的數據庫。系統機單元采用工業控制機配CAN總線通信接口卡組成，它接收故障檢測單元模塊發來的數據，經計算機數字信號處理得出高壓開關柜的各個參數，顯示各種參數和波形，打印報告，分析和診斷得出高壓開關柜的工作狀態。CAN總線通信接口卡完成ISO/OSI參考模型中的物理層和數據鏈路層兩層功能，如數據打包、拆包、發送、接收、校驗、編碼、解碼等，用戶只需開發應用層和用戶層的相應軟件即可，它使工控機能方便地連接到CAN總線上。

故障檢測單元模塊的CPU采用ATMEL公司的AT89C52單片機，CAN控制器和CAN收發器分別采用SJA1000和82C250，其硬件電路結構原理圖如圖2所示。