基于控制器局域网络CAN实现高压开关柜故障检测系统的设计

1、引言

在电力系统中10kV高压开关柜应用极为广泛，担负着控制、保护双重功能。随着电网日益扩大以及变电站无人值班管理模式和综合自动化的普及推广，高压开关柜的安全运行越来越重要，停电事故给生产和生活带来的影响及损失也越来越大，因此迫切需要高压开关柜具有高可靠性，并能在线检测故障，以便采取预防措施，避免停电事故发生。

随着电子技术的进步和传感器技术、计算机技术、信息处理技术、现场总线技术等的发展，高压开关柜功能智能化已具备技术上的条件。在“10kV高压开关柜的故障在线检测，，课题研究中将当今工业控制领域中广为流行的现场总线技术应用于其中，使高压开关柜的故障在线检测形成了一个分布式的监测系统，并使整个系统较以往集中监测系统性能增强，功能更为完善。

本文主要讨论10kV高压开关柜故障在线检测系统研制中现场总线的应用情况。

2、现场总线简介

在以往的变电站监测系统中，一般使用BITBUS总线和RS-485总线，但它们在应用中有以下缺陷：

1）BITBUS总线和RS-485总线上只能有一个主节点，无法构成多主冗余系统，导致系统可靠性较差；

2）数据通信方式是命令响应式，从节点只有在收到主节点的命令后，才能响应，一些重要的信息得不到及时上送，致使系统的灵活性差，实时性差；

3）BITBUS总线和RS-485总线的抗干扰能力及纠错能力差，不适应在高压开关柜内的高电磁环境下运行。

为了克服BITBUS总线和RS-485总线在使用中的缺陷，经过方案比较，本文采用了控制器局域网络CAN（Controller Area Network）。它是20世纪80年代初研制成功的一种现场总线，其最初主要是为汽车监测、控制系统而设计的。如今，由于其采用差分驱动，可在高噪声干扰的环境中使用以及较强的纠错能力等，加之国际半导体知名厂家的产品支持，已形成国际标准ISO11898规范。并已被公认为最有前途的现场总线之一。

CAN的通讯协议建立在国际标准组织的开放系统互联参考模型基础上，主要工作在数据链路层和物理层，用户可在其基础上开发适应系统实际需要的应用层通信协议。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及通信不受影响，故具有较强的抗干扰能力。其主要特点有：

CAN可以多主方式工作，网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向总线上其它节点发送信息，这就可以构成多主机系统；

CAN总线上的节点信息可以分成不同的优先级，以满足不同的实时要求；

CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向总线上发送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，节省了总线冲突仲裁时间；

CAN可以点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据；

CAN的直接通讯距离可达10km（速率5K）；

CAN的通讯速率最高可达1M（此时通讯距离最长为40m）；

CAN上的节点数实际可达110个；

CAN每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据出错率低；

通讯介质采用双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活，连接方便。

从上述的分析可看出，CAN总线非常适合用音变电所中构成高压开关柜故障在线检测系统。

3、故障检测系统组成

高压开关柜故障在线检测系统结构如图1所示。

整个系统使用CAN总线将一系列故障检测单元模块和系统机单元连成分布式结构的现场控制网络，由故障检测单元模块采集开关柜的信号数据，通过现场总线送至系统机单元，建立起全变电站高压开关柜的数据库。系统机单元采用工业控制机配CAN总线通信接口卡组成，它接收故障检测单元模块发来的数据，经计算机数字信号处理得出高压开关柜的各个参数，显示各种参数和波形，打印报告，分析和诊断得出高压开关柜的工作状态。CAN总线通信接口卡完成ISO/OSI参考模型中的物理层和数据链路层两层功能，如数据打包、拆包、发送、接收、校验、编码、解码等，用户只需开发应用层和用户层的相应软件即可，它使工控机能方便地连接到CAN总线上。

故障检测单元模块的CPU采用ATMEL公司的AT89C52单片机，CAN控制器和CAN收发器分别采用SJA1000和82C250，其硬件电路结构原理图如图2所示。

图2 检测单元硬件电路结构原理图

硬件电路包括：微处理器电路、非易失性SAM电路、LCD液晶显示电路、键盘电路、模拟量输入电路、开关量输入输出电路、CAN总线通讯接口电路、实时时钟电路等。

主要软件包括：系统自检软件、信号采集及数字滤波软件、参数整定软件、故障诊断与报警软件、数据显示软件、通讯软件等。

4、故障检测单元的主要检测项目

开关柜内手车室，电缆室内的温、湿度监测；

隔离开关触头接触部分的温度监测；

分、合闸线圈电压、电流检测；

断路器行程、位置、速度监测及断路器的操作次数统计；

合闸弹簧状态监测。

具体的监测方法，限于篇幅在此就不做叙述。

5、结论

采用CAN总线设计的高压开关柜故障在线检测系统比采用BITBUS总线和RS-485总线的检测系统具有更好的可靠性、开放性及抗干扰性。对实现高压开关柜运行状态的综合诊断，促进电力设备由定期试验向状态检修过渡的进程是极为有益的。

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