（电机与电器专业论文）基于can总线的箱式变电站综合自动化的研究.pdf

东南大学顶a 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t p r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o nh a s f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d ，q u i c k i n v e s t m e n tb e n e f i t 。，l e s sa r e ar e q u i r e m e n t ，c a p a b l eo fe m b e d d i n gi nt h el o a d c e n t e la n d i m p r o v e m e n ti nt h ep o w e rq u a l i t y , f a v o r i n go fu r b a nl a n d s c a p e ，l e s sr e p e t i t i o ni n v e s t m e n te t c h e n c e ，i th a sg o t e x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nr e f o r mo fc i t ya n dr u r a la r e ap o w e rs y s t e m t h e c o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m yl e a d sh i g h e ra n dh i g h e rr e q u e s t i n s e c u r i t y ， r e l i a b i l i t ya n dd u r a t i v eo fe l e c t r i c i t yp o w e rs u p p l y a st h ee n dl i n ko fp o w e rd i s t r i b u t i o n ，t h e p r e f a b r i c a t e d s u b s t a t i o nh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t oo v e r c o m et h ei n h e r e n t d i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ha n dd e v e l o pan e wa u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do nc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s i nt h i st h e s i s ，ap r o j e c to fx b zi n t e l l i g e n tp r e f a b r i e m e ds u b s t a t i o nw a sc a r r i e do u l a n dac a n - b u sb a s e dp r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e d t h eo u t l i n e s o f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i t h ed e s i g no fm a i np o w e rd i a g r a m ，s t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dt e c h n i c a l p a r a m e t e ro f a u t o m a t i o ns y s t e mo f p r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o ni ng e n e r a la r ei n t r o d u c e d 2 n l er e s e a r c ho nc a nb u sw a sc a r r i e do u ta n db a s e do i lt h i s ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f c a nb u sw h i c hd e f i n e di na p p l i c a t i o nl a y e rw a sp u tf o r w a r d , t h i sp r o t o c o lw a st h ef o u n d a t i o no f c o m m u n i c a t i o ni n s i d et h ea u t o m a t i o ns y s t e m 3 t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa cs a m p l i n ga n dt h em e a s u r et h e o r yo fe l e c t r i c i t yp a r a m e t e ra r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so fs y n c h r o n o u sm e t h o do fa cs a m p l i n g , c a l c u l a t i o nf o r m u l ao f e l e c t r i c i t yp a r a m e t e rt h a ti sf i t t e dt oi n t e l l i g e n tm e a s u r ea n dc o n t r o lu n i t ( 1 m c 功，a n dt h e d i s c u s s i o no ns q u a r er o o ta l g o r i t h m 4 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g no f i n t e l l i g e n tm e a s u r ea n dc o n t r o lu n i ti sp r e s e n t e d 5 t h e 印p l i c a t i o no fo p c ( o l ef o rp r o c e s sc o m r 0 1 ) a n dd e s i g no fa l lo p cd a t aa c c e s s i n g s e r v e ra r ed i s c u s s e d t h i so p cs e r v e rc a l lm a k et h es u p e r v i s i n gh o s tc o m p u t e r i n d e p e n d e n to f i m c u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，s ot h a tt h es u p e r v i s i n gh o s tc o m p u t e rb e c o m ea no p e n i n g s o f t w a r eb a s i s t h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n gr e s u l th a ss h o w nt h a ta cs a m p l i n go ft h ei m c ur e a c h sd e s i g n a i m ，c a nb u sw o r k sw e l l ，v e r i f y i n gt h ev a l i d i t ya n dc o l t e c t n e s so f t h ed e s i g n k e c w o r d ： p r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o ns u b s t a t i o n m e a s u r ea n dc o n t r o lu n i ta cs a m p l i n g a u t o m a t i o n s y s t e m c a nb u s i n t e l l i g e n t o p c 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 栗。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：猛丝日期：型：鲨 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：她铈签名恤期：丝丝 东南尺学颂上学位论支第一章绪论 第一章绪论 1 。1 箱式变电站综合自动化的特点和意义 1 1 1 箱式变电站综合自动化的特点 箱式变电站产品具有建设周期短，投资见效快而且i 、地少，可深入负荷中心，有效改 善供电质量，变电站能与周罔环境相匹配，有利于美化市容，减少重复性投资等诸多优点， 冈此在城乡电网改造中得到了j “泛应用。同时伴随着社会经济的持续发展，人们对电力供应 的安全性、可靠性和连续性要求越来越高，箱式变电站作为电力系统输配电的末端环节其重 要性越来越受到人们的关注。与普通变电站相比，箱式变电站的变压器容量较小，电压等级 较低，出线同路较少，操作相对比较简单。普通变电站变压器高、低压侧一般均采用断路器， 继电保护较为复朵，每台主变、每回进线、馈出线均需设置独立的监测、控制、保护单元。 箱式变电站变压器高压侧一般采用负荷开关一熔断器组合电器来保护变压器，低压侧采用框 架断路器及塑壳断路器，因此箱变的高压侧保护比较简单，每个单元只需完成监测、控制及 通信功能。 本文研究的箱式变电站综合白动化用于配电网中3 5 0 4k v 、1 0 0 4 k v 箱式变电站，实 现箱式变电站的远方集中控制、操作及监测，它是对配网自动化的完善和补充。箱式变电站 的综合自动化具有以下三个特点： ( 1 ) 功能综合化 箱式变电站综合自动化技术是建立在计算机技术、数据通信技术、模块化软件技术上发 展起来的，它综合了箱式变电站内除交直流电源以外的全部二次设备。变电站内二次设备被 微机监控系统所综合，以模块化的监控组态软件模块代替了传统的电流表、电压表、按钮、 信号灯等装置。 ( 2 ) 操作监视屏幕化 无论是有人值守还是无人值守，箱式变电站均设置上位监控主机对箱变进行全方位的监 视和控制，监控主机可设置在箱式变电站内部，也可位于远方调度中心。与运行于监控主机 的电力组态软件相配合，计算机的屏幕数据及实时接线画面可以替代常规的仪表指针和各种 中央信号装置，传统操作屏上的操作转变为对计算机的输入设备如鼠标和键盘的操作。 ( 3 ) 运行管理系统自动化 变电站运行管理自动化系统包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化、自动化；变 电站发生故障时，能及时提供故障分析报告，指出故障原因及处理意见；系统能自动发出变 电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。 1 1 2 箱式变电站综合自动化的意义 我国变电站自动化的研究始于8 0 年代中期，进入9 0 年代后，随着计算机、微电子、电 力电子等技术的快速发展，变电站自动化技术得到了空前发展并日趋成熟，在此背景下箱式 变电站综合自动化却被& 期忽略。原因是长期以来，受传统观念和技术应用水平的限制，箱 式变电站在电力系统配电网中一直处丁边缘地位，年产量很小。到9 0 年代后期，认识到电 力系统暴露出来的诸多问题，国家投入了大量资金对城乡配电网进行改造，同时随着市政建 设现代化进程的加快，将1 0 k v 絮空线转入地下，已成为近年来城市配电网改造的一个热点， 第1 页 东南大学帧 学位论文 锖一章绪论 而大量1 0 k v 架空线改为地下敷设的电缆，势必淘汰过去常用的柱上变乐器，箱式变电站正 是在这一背景下获得了空前发展0 1 。美国箱变产量占到配电变压器产量的8 0 以上，而我国 至2 0 0 0 年只占不到2 ，可见箱式变电站在我国配电网中还需大力发展i ”。预计今后将有大 量的箱式变电站投入应用，为满足电力系统运行现代化的要求，研究箱式变电站综合自动化 便追在眉睫。 实现箱式变电站综合白动化，能够全面提高变电站的技术水平，提高运行的可靠性和管 理水平，其重要意义在于以下四点： ( 1 ) 提高安全性 专业综合，易于发现隐患，处理事故恢复供电快。变电站内常规二次设备墓丁标准化、 模块化的微处理机设计制造，即常规的功能装置变成了逻辑的功能模块，可以防止人为因素 造成的事故，彻底排除运行人员素质的影响和误操作的可能性。 ( 2 ) 节省施上和检修 i 作晕，提高电能质量和经济效益 简化二次设备可以节省大量的控制电缆，减少现场施l e r l 维护的工作量，减轻电压互感 器、电流互感器的负载，降低电能损耗，提高电能质量和经济效益。 ( 3 ) 减轻运行人员的负担 计算机控制系统采集了必要的信息，运行人员不必再做抄表、统计等工作。计算机管理 更加方便、准确。 ( 4 ) 为配电网自动化奠定基础 箱式变电站环网侧可以组成手拉手结构，配以监控系统实现遥洲、遥信、遥调、遥控功 能。 1 。2 箱式变电站综合自动化内部通信概述。纠1 箱式变电站综合自动化系统是由多台微处理器组成的分层分布式的控制系统，包括微机 监控、智能测控单元、电压和无功自动控制等多个子系统。因此在综合自动化系统内部，必 须通过内部数据通信，实现各子系统内部和子系统间的信息交换和实现信息共享，以减少箱 变二次设备的重复配置和简化各子系统间的互连，既减少重复投资，又提高整体的安全性， 这是常规变电站的二次设备所不能实现的。 箱式变电站的内部通信系统要采用开放式系统，即要求现有不同制造厂生产的设备能够 通过网络互连和互操作，同时要求以后扩建时，现有系统的硬件和软件能较方便地与新增设 备实现互操作。箱式变电站为强电磁场和强干扰脉冲的环境，因而通信是一个关键问题，它 直接影响到整个自动化系统的抗干扰能力、可靠性和传输速率问题。 分层分布式箱式变电站的通信系统方案，主要是总线型及星犁连接方式。 1 1 2 1 星型通信方案 星型通信系统以安装于控制室的站级计算机为中，t 5 点，以发散的方式分别通过通信线缆 与分散于每一开关框上的监控设备连接，形成l ：n 的连接形式。星型连接方式仍是目前比 较流行的方式之一，特别是采用光纤通信技术的场台。 星型连接方式具有如下特点： 夺通常用于实现星型连接的介质为光纤，因此具有光通信的自然隔离、高抗干扰性、 高安全性的特点，适合在变电站这种恶劣环境下使用： 夺 各i o 单元及监控保护单元都与站级计算机独立通信，独占通信线路，互不影响， 可靠性高，可维护性好； 第2 贞 东南人学硕1 j 学位论文 第一奇绪论 夺 采用串行通信线路实现互联简便易行： 夺 星型连接连线较多，尤其是站级计算机端接线较多，施工复杂： 夺 各i o 单元及监控保护设备之间的横向通信必须通过站级计算机进行，复杂且效率 低卜。 1 2 2 总线型通信方案 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的，这种方式以一条总线连接各分散的 保护、监控设备及站级计算机，实现各单元的互连，通常为考虑可靠性及性能、维护等诸因 素，在一个变电站内可以采t i j 两条或多条总线连接各单元，以实现总线的冗余性及更大的数 据传输能力。总线型通信系统因总线的类型不同在变屯站中有多种应用形式，常见的有： 夺 采用传统的r s 一4 2 2 1 4 8 5 实现低速总线： 夺采用现场总线实现中等速度的总线连接，常见的有l o n w o r k s 及c a n 两种技术； 夺采用工业以太网实现站内设备的分布式连接，目前这种通信系统主要用于超高压或 大型枢纽变电站。 综上所述，针对箱式变电站综台自动化的特点和内部通信系统的要求，本论文选择了现 场总线来实现站内通信功能。 1 3 现场总线概述 1 3 1 现场总线简介【8 】 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信 的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，其传输介质主要采用双绞线。 虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却已经是一个不争的事 实。现场总线控制系统体系结构日益清晰，具体发展趋势表现在下面几个方面： 夺 现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统 夺 现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展 夺 现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连 线，按控制同路分别进行连接。现场总线系统由于采用智能现场设备，使控制系统功能能够 不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 开发现场总线技术首先必须制定相应的统一标准。国际上著名自动化产品及现场设备生 产厂家为了自身的利益纷纷结成企业联盟，推山自己的总线标准及产品。1 9 8 4 年，i e c 开 始制定现场总线国际标准，其后由于国际上存在以德国公司为主的i s p 与法国公司为主的 w o r l df i p 的激烈竞争，致使总线的标准化工作进展缓慢。1 9 9 4 年6 月在国际上要求联合的 强烈呼声和用户的压力下，i s p 和w o r l df i p 成立了现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ， 简称f f ) ，推动了现场总线标准的制定和产品开发。1 9 9 9 年底i e c 通过了8 种类型的现场 总线作为i e c 6 1 1 5 8 国际标准，加上1 s 0 1 1 8 9 8 的c a n 总线标准和i e c t c l 7 b 通过的3 种现 场总线国际标准( s d s 、a s i 、d e v i c e n e t ) ，一共有1 2 种标准之多。 在系统集成的时候对现场总线方案的选用要综合考虑，总线是为了满足自动化发展的需 要而产生的，由于不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一 般对这一特定的领域的满足度高一些，应用多一些，适应性好一些。目前常用的现场总线也 就6 7 种，如c a n 总线、p r o f i b u s 总线、l o n w o r k s 总线、f f 基金会总线。 第3 页 东南犬学坝t 学位论文第一奄绪论 ( 1 ) 基金会现场总线f f f f ( f u n d a t i o nf i e l d b u s ) 通信技术是由现场总线基金会组织开发的，并得到了世界上大 多数自控设备制造商的支持。f f 现场总线包括低速总线( h 1 ) 和高速总线( h 2 ) 。1 9 9 7 年 5 月建立了中国现场总线( f f ) 专业委员会，并筹建f f 现场总线产品认证中心。 目前f f 现场总线的应用领域以过程自动化为主。如化工、废水处理、油田等行业。 ( 2 ) p r o f l b u s 现场总线 p r o f l b u s 是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的，由 p r o f 【b u s d p p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 组成了p r o f l b u s 系列。p r o f i b u s 总线 由丁- 廉价适用性广获得了广泛的应用。p r o f l b u s 总线存取协议采用主站之间的令牌传递方 式和从站之间的主从方式，这种方式的优点是可以确保系统中任何一个站点在确切限定的时 间间隔中获得足够的时间米完成通信任务。p r o f l b u s 主要应用领域有：制造业自动化、过 程控制自动化、电力、楼宇和铁路交通等。 ( 3 ) l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的局部操作网络。大部分l o n w o r k s 装置利用神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 的功能，并将其用作控制处理器，l o n w o r k s 控制技术的 核心是l o n t a l k 通信协议，该协议支持1 s o 标准七层网络协议，是一个固化在神经元芯片中 的网络操作系统。e c h e l o n 公司设计了最初的神经元，但神经元派生产品现在都由 e c h e l o n 公司的合作伙伴设计和生产，当前的生产商包括c y p r e s s 、摩托罗拉、东芝等。 目前，l o n w o r k s 已在电力、楼宇、工业和家庭自动化等领域有了广泛的应用。 ( 4 ) c a n 现场总线 控制器局域网( c a n ) 是德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多传感器和执行装置之 间的数据通信而开发的一种串行通信协议。它具有很高的可靠性和卓越的性能，其应用范围 己不再局限于汽车行业，而面向工业自动化、机械、仪器、电力等领域。c a n 协议定义了 i s o 参考模型的物理层( 第一层) 和数据链路层( 第二层) ，c a n 没有规定应用层，应用层 通过不同的新兴协议层( 专门用于特殊的工业领域加上由个别c a n 用户定义的任何合适的 方案) 和物理层连接，广泛应用的包含应用层在内的较高层协议的标准主要有d e v i c e n e t 、 c a n o p e n 和s d s ，也可以在国家制定的电站自动化通信规约基础上经过转换形成新的c a n 较高层协议，这样有利于变电站之间远传数据的处理。由于成熟的标准化较高层协议和子协 议的存在，基于c a n 的开放式自动化技术在分布式自动化系统市场上具有竞争优势。 1 3 2c a n 总线概述【9 c a n 全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现 场总线之一。最初c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置 e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表 装备电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。 一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点，实际应用中节点数 目受网络硬件的电气特性所限制。另外硬件的错误检定特性也增强了c a n 的抗电磁干扰能 力。c a n 是一种多主总线系统，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率 可达1 m b p s 。1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制 器局部网( c a n ) 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，为控制器局域网标准化、规范化推广铺平了道路。 标准c a n 的标识符长度是l1 位，而扩展格式c a n 的标识符长度可达2 9 位。c a n 协议的 2 0 a 版本规定c a n 控制器必须有一个11 位的标识符。同时，在2 0 b 版本中规定c a n 控制器 的标识符长度可以是11 位或2 9 位。遵循c a n 2 0 b 协议的c a n 控制器可以发送和接收1 1 位标 识符的标准格式报文或2 9 位标识符的扩展格式报文。如果禁止c a n 2 o b ，c a n 控制器将忽 第4 页 东南大学硕 一学位论文第一章绪论 略扩展格式的报文结构，只能发送和接收11 位标识符的标准格式报文。 1 4 本论文的主要工作 论文结合x b z 智能箱式变电站综合自动化系统的研究和开发，提出了一种基于c a n 总线的箱式变电站综合自动化系统，其中智能测控单元是本系统晟重要的部件之一，主要担 负电力参数和状态量的采集、现场总线数据通信、控制命令执行等工作，本论文将围绕智能 测控单元软硬件研制以及所涉及到的c a n 总线技术、交流采样算法等方面开展研究丁作。 各章内容安排如f ： 第二章介绍箱式变电站的一7 欠方案设计、综合自动化的系统结构、功能以及技术参数分 析。 第三章介绍c a n 现场总线技术的特点、技术规范，在此基础上制订自定义应用层的 c a n 总线通信协议。 第四章分析交流采样原理和电参数测量理论重点讨论软件同步采样的工作原理、测频 方法、误差来源及其抑制方法，用均方根方法确定了智能测控单元的电参数计算公式，最后 讨论能提高测控装置的实时性和节省存储空间的开平方运算方法。 第五章根据箱式变电站综合白动化的要求，对智能测控单元进行了全面的软硬件设计。 第六章针对提高监控主站软件的开放性这个目的，研究分析o p c 技术并设计一种o p c 数据访问服务器，使监控软件与基于c a n 总线的智能测控单元数据通信协议无关。 第七章给出了智能测控单元的调试和测试结果，并列出主要的图形曲线、程序界面和测 试精度表格。 最后是全文的总结，并指出了课题深入研究的方向。 第5 页 东南人学硕十学位论文 第一章箱式变屯站综合自动化方案 第二章箱式变电站综合自动化方案分析 2 1 方案设计 2 1 1 一次主接线 图2 1 为典型的箱变一次接线图。如图所示，箱变的高压侧具有两路独立电源的进线， 分别为环网1 和环网2 ，多台这样的箱变组成手拉手环网供电，可以实现很高的供电可靠性。 采用负荷开关( 2 q l d ) j 3 h 限流熔断器作为变压器t m 的主保护，限流熔断器一相熔断时能跳 开三相负荷开关，不会发生缺相运行。线路侧负荷开关配有电动遥控操动机构和配置检测故 障电流用的三相电流互感器，配置智能测控单元( 1 m c u ) 的环网负荷开关在自动化主站软 件的配合下可以实现对箱式变电站的故障隔离和对非故障段恢复供电。 i o k v 母线 2 q l d 、 3 q l d 夥拿盈 j 3 t a 拿。 蓼g 血 环网2 捌 4 0 0 v 母线 个 ：f ? 蔓 山 囊 一一 图2 - 1 箱式变电站主接线 2 1 2 箱式变电站综合自动化系统结构 箱式变电站综合自动化分为3 层结构，每一层完成不同的功能，由不同的设备或不同的 子系统组成。考虑到某些单位有不【 一台箱变，不管是有人值班还是无人值班都将变电站层 的监控主站置于箱变外部，一台监控主机可以监控多台箱式变电站，形成如图2 - 2 的分层结 构。根据c a n 网络节点的规模及箱变的实际情况，一套综合自动化系统通过通信数据采集 器荠联布线时最多可以实现8 台箱变的监控管理。 第6 页 东南人学硕士学位论文第二章箱武变电站综台自动化方案 变 屯 站 层 间 隔 层 设 备 层 i = 3 激光打日】机 c a n 总线 远方调度 中心 调制解调器 c a n 总线 智 能 测 控 哦 兀 l 一3 l # 箱变 智 能 断 路 器 控 制 器 ln 无 功 智 能 补 偿 自 动 有 载 调 压 多 功 能 费 蛊 电 能 表 智 能 测 控 苴 兀 1 3 2 # 箱变 能 断 路 器 控 制 器 i n 电流电压互感器、负荷开关、低压断路器等一次设备 无 功 智 能 补 偿 自 动 有 载 调 压 多 功 能 费 塞 电 能 表 2 _ 2 功能分析 2 2 1 监控系统功能 图2 - 2 箱式变电站综合自动化系统结构图 监控系统功能包括数据采集、安全监视、事件顺序记录、电能计算、控制操作等。 ( 1 ) 数据采集与显示 采集变电站电力运行实时数据和设番运行状态劳通过当地或远方的显示器将运行工况 以数据和画面两种方式反映给运行人员。其中工频模拟量采用微机交流采样，状态量以无源 节点方式接入监控系统。 ( 2 ) 安全监视 对采集的模拟量、状态量及保护信息进行自动监视，当有被测量越限、保护动作、非正 常状态变化、设备异常时能及时在当地或远方发出音响报警，推出报警画面，显示异常区域， 为运行人员提供处理故障所需的全部信息，事故信息还可存储和打印，供事后分析故障原因 使用。 ( 3 ) 事件顺序记录 箱变发生故障时，对异常状态的变化的时间顺序进行自动记录、存储、远传。事件顺序 记录分辨率一般小于5 m s 。 ( 4 ) 电能计算 系统可实现对采集的电能量分时统计。 ( 5 ) 操作控制 系统可实现对断路器、负荷开关的开、合控制和变压器分接头的调整控制，具有防误操 作措施。 第7 页 东南大学硕士学位论文 第二幸箱式变电站练合自动化方案 2 2 2 电压及无功综合控制 系统以保证电压合格和无功基本就地平衡为控制目标，对有载调压变压器分接头和并联 补偿电容器组进行综合调节和控制，既可以提高供电质量，又具有节能的功设。 目前多采用一种九区域控制策略进行电压无功自动控制，图2 3 用来说明这一方法的 原理。综合自动化系统采集并实时监视低压侧4 0 0 v 母线电压以及变压器低压侧c o s 口当 母线电压u 09 ，但仍u 3 8 8 v 时，则判定处于2 区，此时可控制变压器分接开关降低一挡，使 变压器变比减小，再监测如果3 8 8 v u 4 o v ，0 9 c , o s 妒 - c a n o p e n c a n o p e n 标准是由国际用户和制造商团体c i h ( c a ni na u t o m a t i o n ) 提出并获得c i a 第】4 页 东南人学碗士学位论文 第二章c a n 总线技术的研究与分析 同行机构集团的支持。c a n o p e n 在通信和系统服务以及网络管理的方面使用了c a l 子集，设 备建模借助于对象目隶并基丁设备功能性的描述，标准设备以设备框架的形式规定。设备框 架由c i a 中专门的同行机构集团规定。 33 1c a n 通信协议开发目的及原则 虽然己存在多种c a n 应用层协议，但仍有必要对c a n 应用层协议的开发进行研究。这是 因为一方面已有的协议多数是某个公司开发出的应用在特定网络中，对于一般用户其提供的 功能过剩，这样将无谓地增加开发开销和开发难度：另一方面，获取这些协议往往需要较高 的费用，这也有悖于开发者选用c a n 的初衷。所以，在开发组建c a n 网络时，研究开发自定 义的应用层协议是非常实际的问题。 本节介绍的变电站综合自动化系统内部c a n 通信协议是属丁白定义应用层协议，该内部 通信协议是箱式变电站综合自动化内部通信的基础，它以i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约为蓝本，并 结合系统实际情况和c a n 网络的要求作了相应的改动，在制订过程中还参考了南京电力自动 化设备总厂的变电站自动化系统c a n 网络通信协议，经过修改后的内部c a n 通信协议在保持 各方优点的基础上变得更加实用。 协议制订时主要考虑如下原则： ( 1 ) 规约本质上是基于c a n 总线链路层基础上应用层的定义。网络节点通过c a n 控制 器连接到c a n 总线上，如果选择s j a l 0 0 0 作为c a n 控制器，s j a l 0 0 0 内部已经定义了数 据传输格式，那么规约的帧格式必须以s j a l 0 0 0 的数据帧格式为基础。 ( 2 ) c a n 数据链路层中已经定义了每一帧数据结构，为了充分利用有效传输数据，提高 传输效率，首先估计变电站系统中的各层网络节点虽大个数，分配尽量少的空间作为滤波地 址。 ( 3 ) 考虑规约的扩展性。 规约制定的内容主要包括：通信的总线接口标准、报文的帧格式、规约中报文的定义、 报文的应答流程、以及通信节点滤波器的设置。本节主要讨论总线接口标准、报文的帧格式 以及节点滤波器的设置。 3 3 2c a n 总线接口模式1 2 由于c a n 总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等诸多特点推动 其应用开发的迅速发展，推广应用反过米又促使器件生产厂商不断完善和推出c a n 总线产 品，其正逐步形成系列。目前主要有两种模式实现把节点连接到c a n 总线上。第一种模式是 节点单元的微处理器通过外挂c a n 控制器以及c a n 收发器连接到c a n 总线上，常用的c a n 控带0 器有p h i m p s 公司p c a 8 0 c 2 0 0 、s j a l 0 0 0 ，m i c r o c h i d 公司的1 c p 2 5 1 0 等，常用的c a n 收发器有p t t l l i p s 公司p c a s o c 2 5 0 。第二种模式是使用内部自带c a n 控制器的微处理器直接 通过c a n 收发器连接到c a n 总线上，这样的微处理器有p h i l i p s 公司的p 8 x c 5 9 1 等芯片。两 种模式的结构框图如图3 - 3 所示。 这两种接口模式没有本质上的区别，一种方式是c a n 控制器内置于微处理器内，另一种 方式是c a n 控制器处于外置方式。一般认为c a n 控制器的内置方式较便宜，这不仅表现在芯 片本身，还表现在e n $ 1 j 板的制作和板所花费的面积。就软件的开发周期来看，两种模式差不 多，但是就软件的重用性来说，外置式表现的更好些，这是因为外置式节点的设计就是为 了满足各种不同的c p u 接口，而对于具有在片c a n 的节点，软件重用性就较差。 第1 5 页 东南大学碳上学位论文第三章c a n 总线技术的研究与分析 幽3 - 3 c a n 总线接口模式 内置式节点的c p u 负担相对外置式节点是比较低的，原因就在于c p u 对c a n 协议控制部 分的读写时间的不同。对丁内置式 ，点，读写操作是在内部数据地址总线上完成的，可以 达到较高的速度；对于外置式节点，读写操作是在外部数据地址总线上完成的，速度相对 较低。 作为目前使用最多的c a n 控制器s j a l 0 0 0 的内部结构框图如图3 3 所示，主要由接口管 理逻辑i 札、信息缓冲器( 包含发送缓冲器t x b 和接收缓冲器r x f i f o ) 、位流处理器b s p 、 接收过滤器a s p 、位时序处理逻辑b t l 、错误管理逻辑e ) a l 、内部振荡器及复位电路等构成。 s j a l 0 0 0 和微处理器的接口为数据信号和地址信号共用的8 位并行总线，地址线和数据线的 通过地址锁存信号a l e 米区别，这种并行总线保证了处理器和控制器之间的数据可以快速的 传输。s j a 0 0 0 内部包括1 2 8 个寄存器，其中一部分寄存器作为信息缓冲区，包括发送缓冲 区、接受缓冲区、接收f i f 0 ，一部分寄存器组成验收滤波器，其他的一些寄存器设置了通 信的参数以及一些出错处理等信息。 图3 - 4s j a l 0 0 0 内部结构框图 c a n 控制器接收数据还是发送数据都是以帧为单位，节点发送数据到总线上时，首先处 理器把数据放到发送缓冲区内，然后通过位流处理器把并行数据转化为串行数据。c a n 控制 器收到每一帧报文后，首先经位流处理器把串行数据转化为并行数据，然后必须经过验收滤 波器检查该帧数据是否应该被该节点接受，验证通过后，该帧数据就被送到r x f i f 0 内等待 处理器读走。 c a n 总线的协议存在c a n 2 0 a 协议以及c a n 2 0 b 协议两种，c a n 2 0 a 协议的数据帧有l l 第1 6 页 固 一洲收发器一 翁笮 一点一兀处器 一一节单微理一 东南大学硕j ：学位论文第三章c a n 总线技术的研究与分析 位用来表示标识符，c a n 2 0 b 协议的数据帧有2 9 位或1 1 位用来表示标识符。由于c l 总线 采用了对通信数据块进行编码以及采用了短帧结构传输数据，为了充分提高总线的传输效 率，这里我们选崩了c a n 2 0 9 协议。对应于c 州控制器，我们选择其中的p e l i c a n 模式下的 标准帧结构，帧结构定义如表3 一l 所示。在箱式变电站中的设备比较少，为了提高通信的效 率，只利用11 位标识符中的其中6 位参加通信的地址滤波。 表3 1s j a l 0 0 0 标准帧结构 765432l 0 f r t r ! rf d l c ( o 一8 ) 。 t d l 0i d 9 i d 8i d 7i d 6i d 5i d 41 d 3 i d 2i d l i d 0rx 3x 3x 3x 。 d a t a ( 8b y t e s ) ” 3 3 3 报文帧结构 帧信息 识别码1 识别码2 8 字节数据 基于s j a l 0 0 0 的寄存器结构以及变电站内部通信规约制定原则，c a n 网络上传送的数据 帧结构定义如表32 所示。 表3 - 2 数据帧结构定义 76 、5432lo f f lr t r 2 xx d l c ( 0 8 ) 。 方向位4功能位3 子节点地址6 数据类型7 x 8x 8x 8x 8x 8 数据区d a t a ( 8b y t e s ) 9 说明： 1 - - f f 为结构格式位，f f = i 表示c a n 控制器将发送扩展结构格式( e f f ) ；f f = 0 表示c a n 控 制器将发送标准结构格式( s f f ) ，这里要求f f = o ，所有的帧结构都为标准帧。 2 - - r t r 为远程发送请求位，r t r = i 表示c a n 控制器将发送远程帧：r t r - 0 表示c a n 控制器将 发送数据帧。本协议只使用c a n 的数据帧，因此要求r t r = 0 。 3 - - d l c 为每帧的数据区的字仃数( 0 - 8 ) ，如果报文的有效数据长度大于8 个字节，那么 要分为多帧传送。 4 - - i d 1 0 为方向位，表明数据帧的流向，0 表示下行，l 表示上行。 5 - - i d 9 为功能位，表明数据帧的性质。下行中i d 9 为0 表示广播命令，i d 9 为l 表 示其他命令：上行中i d 9 为0 表示优先数据，i d 9 为l 表示一般数据。 6 - - i d 8 i d 3 为子节点地址，定义了网络中节点的地址，本系统最多支持接入6 4 个子 节点。报文说明中用i 表示。把规约中1 d 1 0 i d 3 字节称为节点地址，用于区分不同的节点a 7 一l d 2 i d 0 为数据类型，用于标识数据的类型。 8 一无效位 9 - - c a n 数据区共8 个字节，有的格式因后续标忐及帧计数字占用1 - 2 个字节，其余字 节用于发送数据。 3 34 网络各类数据帧说明 第1 7 页 东南夫学珂学位论文 第三章c a n 总线技术的研究与分析 箱式变电站内通信数据t 帧存在砥种形式：网络上行数据帧和网络r 行数据帧。分别如表 3 - 3 和表3 4 所示。 表3 - 3 网络下行数据帧 文名称节点地址类掣码 设置日历时钟o o h0 保护信号清除命令 o o h3 复归命令o o h6 召唤固化投运保护定值0 4 h + i 0 下装保护定值 0 4 h + i1 召唤固化投运测控参数 0 4 h + i2 下装测控参数 0 4 h + i3 遥控命令0 4 1 1 + i4 召唤故障波形 0 4 h + i5 召目矿设彭固化，授运阕舟筛痒0 4 h + i6 召唤保护报告帧0 4 h + i7 表3 - 4 网络上行数据帧 报文名称节点地址类型码 测量数据( 主动传送) o c o h + i0 保护数据( 主动传送) o c o h + i1 测控参数( 召唤传送) o c o h + i2 定值数据( 召唤传送) o c o h + i3 遥信状态帧( 主动传送) o c o h i r i4 保护信号帧( 主动传送) o c o h + i5 测控参数返校帧( 主动传送)o c o h + i6 电度数据( 主动传送)o c o l i + i 7 开入变位事件帧( 主动传送) 0 8 h + io 保脚新付i 浩帧( 主动传送) 0 8 h + i1 保拇新瑚皓帧( 召唤传送)0 8 h + i3 遥控校核帧( 主动传送)0 8 h + i 4 保护装置控制字( 主动传送)0 8 n + i5 保护定值返校帧( 主动传送) 0 8 h + i6 故障波形帧( 召唤传送) 0 8 l l + i7 3 3 5 网络节点滤波器设置 由于c a n 总线采用了对通信数据块进行编码，一个c a n 总线上的节点是否接受总线上的 数据是根据总线上的数据帧的标识符是否符合该节点上的c a n 控制器内部设定的滤波器设 置。独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 具有个多功能的验收滤波器，滤波器由验收码寄存器和屏 蔽码寄存器组成，接收到的数据会和验收码寄存器中的值进行运位比较，验收屏蔽寄存器定 义与比较相关的位置( o = 相关，1 = 不相关) 。只有收到报文的相应的位与验收码寄存器相应