（电气工程专业论文）基于can总线的35kv线路微机保护装置的研究.pdf

重庆大学工程硕七学位论文 中文摘要 摘要 随着计算机网络技术和芯片技术的发展，控制芯片的性能大幅度提高，成本不 断减少，网络几乎深入到我们生活的每一个角落，以现场总线为代表的控制网络也 在j ：业及其他控制系统中扮演着不可缺少的角色。自从2 0 世纪9 0 年代以米，自动 控制系统已经开始从集散控制系统( d c s - - d i s l r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 向现场总线 控制系统( f c s - - f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 过渡。在2 1 世纪，现场总线控制系统将 会成为控制领域的主流。 本文根扼研制开发哉厂3 5 k v 无人值班开关站工程中的线路微机保护装置的过 程，针对目前现有产品的缺陷，在研发中采用了目6 口工控行业处f 领先地位的c a n 总线( 现场总线) 作为本装置的通信总线。另外，在整个装置的软、硬件设计中均 采用了比较先进的设计思想和技术方案。 本文叙述了c a n 总线的特点及结构，并运用c a n 通信总线的原理，实现各保 护单元与系统机的连接。 保护单元采用p h i l i p s 的p 8 x c 5 9 1 堆片机为基础组成保护系统，主要负责处理 d 转换、保护功能和通讯功能。 运用了实时多任务操作系统的软件体系结构。 分析了电气事故信号的特点，讨论了差分滤波器和止弦余弦f 交滤波器以及由 它们组成的复合数字，改滤波器能从电力系统复杂的事故信号巾提取有效的基波信 号或各次谐波分量。 最后，根据本装置的实际运行状况，说明了本方案是切实可行的。 关键词：c a n 总线，微机保护，单片机，实时操作系统 重篮墨；鲎点蟹塑主翌堡鎏塞 一 囊塞塑墨 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p i n g o ft h e c o m p u t e rn e t w o r ka n dt h ec h i pt e c h n o l o g y , t h e p e r f o r m a n c eo fc o n t r o l l i n gc h i p sh a sb e e na d v a n c e dg r e a t l y , t h ec o s to f t h e mi sr e d u c i n g a n dt h en e t w o r ka l m o s tg od e e pi n t ot h ee a c hc o m e ro fo u rl i f e t h ec o n t r o ln e t w o r ko f f i e l d - b u sc o n t r o la l s op l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n d u s t r ya n do t h e rc o n t r o ls y s t e m s i n en i n e t i e so ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mh a sb e i n gt r a n s f e r r e d f r o md c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) t of c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) i nt h e2 1 c e n t u r yt h ef c sw i l lb et h em a i n s t r e a mi nt h ec o n t r o lf i e l d a i m e da tt h ed e f e c t so ft h ep r o d u c ti ne x i s t e n c e ，o u rl i n ep r o t e c t i o nr e l a yf o r3 5 k v n op e r s o ns w i t c h i n gs t a t i o nt a k e sc a nb u sa st h es y s t e mc o m m u n i c a t i o nb u s # w h i c h k e e p sa h e a di nt h ei n d u s t r yc o n t r 0 1 i nt h ed e s i g n i n gf o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e a d v a n c e di d e aa n dt e c h n i q u ep r o j e c ta r eu s e d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ef e a t u r e sa n ds t r u c t u r eo fc a nb u sa n db a s e do ni t s p r i n c i p l e ，g i v e st h ec o n n e c t i o no fe a c hp r o t e c t i o nu n i tw i t ht h es y s t e mc o m p u t e r t h ep r o t e c t i o nu n i ti sb a s e do nt h em c uo fp i t l l l p sp 8 x c 5 9 1 ，w h i c hp e r f o r m s 削dc o n v e r s i o n 。p r o t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n a d o p t st h e s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fr e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e m ，a n a l y z e st h e c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c f a i l u r es i g n a l ，d i s c u s s e st h ed i f f e r e n t i a lf i l t e r , s i n e * c o s i n e o r t h o g o n a lf i l t e rt h a tc a np i c k - u pt h ev a l i df u n d a m e n t a lw a v ea n dh a r m o n i ca n dd i s c u s s e s t h ec o m p l e xd i g i t a ls i g n a lc o m p o s e db yt h e m f i n a l l y ，e x p l a i n st h a tt h i ss c h e m ei sv i a b l ea c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lo p e r a t i o no ft h i s d e v i c e 。 k e yw o r d s ：c a n b u s ，m i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o n ，m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) ，r t o s l l 堡塑型羔羔堕里堕燮堡壅 ! 丝笙 1 绪论 1 1 课题的由来钔 电力在国民经济和人民生活中处于非常重要的位置。电力生产的规律、以及电 力企业的自身需要决定了电力必须安仓生产。其安全生产对整个电力系统的安全至 关重要。 电力系统在运行过程中，时常会发生各种故障和不j f 常1 作情况。 最常见的故障足各种类型的短路。故障一一旦发生，就会造成以下一些严重后果： 0 ) 电力系统电压大幅下降，用户的征常工作遭到破坏。 故障处有很大的短路电流，形成电弧，烧坏电气设备。 通过强大短路电流的电气设备，由于发热和电动力的作用，影响其寿命乃至 遭到损坏。 破坏发动机并列运行的稳定性，引起电力系统震荡甚至使整个电力系统失去 稳定而瓦解。 故障时还可能发生人身安全事故。 电力系统继电保护装置的基本任务就是： 当电力系统发生故障时，自动地、迅速地、有选择地将故障设备从电力系统 中切除，保证系统其余部分迅速恢复 卜常运行，并使故障设备不再继续遭到损坏。 、j 发7 e 不f 常t _ f 4 j 情况时，臼动地、迅速地、有选择地发出信号由运行人员 进行处理。 可见，继电保护装置是任何电力系统必不可少的组成部分，研制丌发一套切合 实8 _ ! | ：的微机继电保护装胃，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大 和段障的发乍，有着极乓重要的作用。 1 2 微机继电保护系统的发展历史及国内外研究现状一”儿“3 继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、稳定和经济运 行等方面起若非常重要的作用。 早在1 9 6 5 年，英国剑桥大学的p g m c l a r m 及其同事就提出用计算机构成电力 系统继电保护的设想并发表了( i s a m p l i n gt e c h n i q u e sa p p l i e dt od e r i v a t i o nl e t t e r ) ) 的文章。1 9 6 7 年澳大利亚新南威尔士大学的l e m o r f s o n 预测了输电线路计算机控 制的前景。1 9 6 9 年美国西屋公司与g e 公司合作研制成功一套输电线路的汁算机保 护装置。这是世界上第一套比较完整的用于现场的计算机保护装置，它具备了计算 机保护的基本组成部分。但山于当时微型机尚未廿 现，因此该保护装置是由一台小 重庆大学工橼巅士学位论文 1 绪论 型计算机实域的。在整个7 0 年代，各国的专家学者嘲绕算法理论作了大髓的工作， 为计算机继f 翅保护的发展奠定了比较完整和牢固的熬础。经过8 0 年代的继续努力， 现在计算机保护的算法已比较完善和成熟。 7 0 年代中期出褒了单片徽黧计算枫，微处理器秘单片税兹出现使计冀飘澎用于 电力系统继电鼹护更翩成为瑗实。1 9 7 9 年，謇酥电子沌气工程努学会教育娄爨会绥 织了一次馓界性的计算机继电僚护研修班，对2 01 l = 纪7 0 年代以来的计锋机保护的 研究成果谶行了总结和交流。到2 01 d ：纪8 0 年代中期计算机保护在电力系统中获得 了广泛的应用。 在我翻， 算机继电保护技术的研究和开发起步比鞍巍，比先进翻窳大约延后 1 0 年。霾内交1 9 7 9 军努鑫徽鼹缀宅镙护翡霹究t 露，营先在墨毫饺窝些搴尊磅单 位开展了微机缣护的研究工 管，t 9 8 4 年4 月，华北吃力大学研究的以m c 6 8 0 9 c p u 构成的m d p l 型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行，这足我圈研究成功的 第一套微机线路保护装置。我幽微机保护的发展从硬件| 二看大体可分为三个阶段： 以荦c p u 的8 位微处理器槐戏躲微机保护装置。 以多令8 位单片援缓成懿多徽季趸系统。 以1 6 位单片棍组成的多微机系统。 由于我国继电保护丁作者的努力，从2 0 世纪8 0 年f 中期丌始，到目1 j f 为卜， 经过近2 0 年尤右的奇斗，计算机继电保护特别是输电线路的微机保护已达到了 大量采用的程度。输电线路的微机保护从用于5 0 0 k v 系统的保护装置到用于1 0 k v 线薅蠹鼍激枧德护装置均真籀应薅产品，透年来，发毫撬、变基嚣以及丈攫发电祝变 f e 器缰 霹线的徽杌保护也裙继骈究成功，己投入使用。据2 0 0 1 年仝圈电力系统鍪 电保护动作情况的统计数据，2 0 0 1 年我国2 2 0 k v 以上电网的继电保护动的正确动作 率达到了9 9 1 3 ，元件保护的币确动作率达到了9 0 3 。这些成果无凝! ；孑微机保护 的成功应用分不丌。 1 。3 微机缝电 栗护装置的特点及硬馋缓戒强“ 131 微机保护装置的特点 微机保护在发展过程中继承、借鉴了模拟式继电保护的成熟经验，并利用微机 的优越性熊把继屯保护技术推向自f 避。实践证明，微机保护的性能显著优于传统的 继龟摄护。徽瓿豫护与常规像护耀比主要有以下特点： 常簸绦护是布线逻辑式，保护黪功轻完全袄羧j = 硬俘，菘激凝镣护除硬 孛 外还必须其备相应得软件，图此微机保护可阱实娥智能化。 常规保护的完好性是依赖于定期卡龟验时发现的，在正常运行时保护凝置的隐 患不能及时发现，一旦系统发! k 敞障，将产生严重后粜，而微机保护装翳可利用程 重庆大学工程硕十学付论文 1 绪论 序对其硬件进行在线自检，一旦发现问题，可立即报警。对于软件的异常及干扰的 影l l 自，可自动识别并排除。因而，微机保护装置的可靠性大大提高。 常规保护装置的功能单一，仅仅是保护功能，而微机保护装置除了能够做到 与常规保护完全相同的功能外，还可以提供一些附加功能，例如距离保护的故障类 型判断，故障测距，故障录波，事件记录零序电流方向保护的开 j 三角电压的极 性判断。电压互感器的二次侧是否发生断线等信息。 微机保护具有调试维护方便的特点。微机保护装置由于具备友好的人机界 面，依靠软件可在较短的时问内完成调试工作，特别是某些保护具有号用的调试仪 器，除交流变送器部分，l 】丁自动对保护的功能进行快速检查。 微机保护具有完善的网络通信功能，可适应无人值守或少人值守的自动化变 电站。 利用微机的智能特点，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的 问题。例如模糊i j j , 另i j 原理或波形对称原理识别判断励磁涌流，利用模糊i j 别原理判 断振荡过程中的短路故障，采用自适应原理改善保护的性能等。 对r 不同类型的保护对象，微机保护装置可采用完全相同的硬件结构，f ：同 的保护功能体现在软件上，缩短了新产品的研制和丁发周期。 微机保护装置本身功耗低，降低r 对电流自感器和电压互感器的要求。另外， 正在研究的数字式电压、电流传感器更便f 与微机保护实现接口。 1 3 2 微机保护系统的硬件构成框图 微机保护系统的基本硬件构成入图1 - 1 所示。包括数据采集系统、保护微机装 置和管理微机系统、输入输出部分及 乜源等。 幽1 1 微机保护系统硬忭框图 f i g 1 1t h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o ns y s t e mh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 数据采集系统完成把电流互感器和电压互感器二次侧的电压信号变换为数字 信号，供微机系统使用。微机保护装置实现具体的继电保护功能，由不同的软件实 现不同的继电保护功能。而管理微机系统主要作为人机对话的手段。对于微机保护 3 重庆大学_ l = 程硕士学位论文 1 绪论 装置除模拟量信号的输入外，还有开关量信号的输入，通常这些信号为外部继电器 的接点、保护屏上的投退压板、操作把手的接点等，这些信号大都经光电隔离后输 入微机系统。保护装簧通过开关量输出驱动电路使继电器动作。这些继电器包括跳 闸出口继电器、信号继电器、硬件故障的告警继电器等。 此外，管理微机系统配有扣印机，可为用户提供故障信息的硬拷贝输出。 1 43 5 k v 线路微机保护的特点。3 1 4 1 三段式电流保护 在输电线路中，特别是6 0 k v 及以f 的线路l 广泛采用电流电压保护，因其原 理较简学而可靠性较高。与常规保护相同，微机电流保护也是设计成 段式的。i 段是瞬时电流速断保护，i j 段足限时电流速断保护，i i i 段是过电流保护，三段均可 选择带方向线路保护或不带方向的馈线保护。 14 2 三相一次重合闸 在电力系统的各种故障中，输电线路的故障约占9 0 左右。因此，采取措施提 高输电线路的呵靠性具有非常重要的意义。 就输电线路故障的性质而言，大多数是瞬时性故障，此类故障几率是线路故障 的7 0 8 0 。所谓瞬时性故障，就是在故障后，继i 乜保护快速动作，使断路器迅速 跳闸，短路点的电弧立即熄灭，周围介质的绝缘强度也迅速愀复，故障便自行消除。 如采用自动重合闸装置，姚能将被切除的线路重新投入系统运行，从而提高了线路 供电的可靠性。在双电源供电的线路卜采用自动重合闸装置，能使两侧系统在重台 闸后稳定运行，对提高系统的稳定性是很有利的。另外，线路丌关如发生误碰跳闸、 继电保护误动作时，自动重合闸呵以给予纠正。由此呵见，自动重合闸装置就是将 跳闸后的断路器自动重新投入的装置简称为a a r 装置。 如果a a r 装置将断路器重合到永久性故障线路j 二( 如倒秆断线等) 保护装置将 断路器重新跳开，而a a r 装置将不再动作，我们称这种情况为重合闸不成功。j 】丁 以用重合成功的次数与重合总动作次数之比的百分数来表示重合闸的成功率，运行 资料表明，重合闸成功率一般在6 0 7 0 之间。 由于自动重合闸是保证电力系统安全运行、可靠供电、提高电力系统稳定的一 项有效措施，并且所需费用极低，自动重合闸装置极为广泛的应用在我国各种电压 等级的线路七，特剐是3 s k v 电压等级以下的重合闸成功率更高。 1 5 研究本课题的意义 继电保护装置是任何电力系统必不可少的组成部分，研制丌发一套切合实际的 微机继电保护装置，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和故障 4 重庆大学 _ 程硕士学位论文 1 绪论 的发生，有作极其重要的作用。 现场总线( c a n 总线) 是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化 领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制领域又一个新时代的丌始。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，也称为丌放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 应用c a n 总线技术，结合微机继电保护装置的特点，将它们构成一个切合重 钢烧结厂实际工作需要的分布式控制系统，以保证重钢烧结厂电力系统安全、稳定 和经济运行，无疑将起着非常重要的作用。 1 6 研究的主要内容 存分析微机继电保护现状的基础上，针对工矿企业列3 5 k v 线路保护的要求， 设计基于c a n 总线通讯的3 5 k v 线路的微机保护硬件及软件系统，并在实际工程中 ( 重钢烧结厂) 进行验证。 将c a n 总线这一洼价比较高的现场通信总线应用于实际的微机保护装置， 佳装嚣满足现场使用过程中的通信要求。 在模拟信号的处理中，采用差分加权和付氏滤波的方法，使其达到要求的计 算精度和计算速度。 在单片机编程中，应用实时多任务操作系统，提高装置软件丌发的效率和可 话性。 硬件设计中，以装置的可靠性和较高的性价比为殴计目的，选用合适的硬件 配置，满足卫i 产和现场调试装置的要求。 5 重庆又学二狂鞭圭学藏论文 2 现场憩线 2 现场总线 2 现场总线概念船4 h 列 淹羲羧裁、计算辊、逶信、网络等援术的发鹱，信息交换沟通酶领域爱在迅速 覆盖从工程的现场设备到控制、管理的各个层次，覆箍从工段、车间、工厂、企业 乃至世界各地的市场。信息技术的b 遽发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步 形成以网络熊成自动化系统为棼础的企业信息系统。观场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应 这一形式发避起来的蓊技术。 瑗场总线爱警今鸯动他领域技零发震簿熬点之，蔹誉为自动讫领域懿待舞褫 局域嚼。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将肘该领域 的发展产生煎要的影响。 现场总线是应用在生产王见场、在微机化测量控制没备之州实现双向串行多节点 数字通信的系统 翌称为玎放式、数字纯、多点通信豹底虞控制网络。瑗场总线技 术黪专溺激处疆器嚣入传统懿测慧控麓役表，使它翻鍪叠有了数字诗薄弱数字运信 能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，识多个测量控制仪表迄成网络系 统，并按公r 、规范的通信仂、议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之叫以及 现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种邋应实际需 要的岛动控制系统。简两言之，怒把单个分散的测量控制设鍪变成网络节点，以现 场总线为缓赘，涎它翻连接戒可以疆豆灞逶营患、共溺党藏塞控任务懿鼷络系绞专 控制系统。观场总线给自动化领域带来的变化，茬毽如众多分散的计算帆祓附络连接 在一起，使计算机的功能、作用发生的变化一样。王见场总线使自控系统与设备具有 _ ，通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。凼此，把现场总线 技术说成是个控制技术新时代的玎始并不过分。 褒场总线慧2 0 潼怒8 0 年代中期发褒莛寒豹。穗蓉徽楚理器与诗雾撬功戆懿不 断增加稆价穰的急尉降低，汁箨搬与计算税瓣络系统褥戮述运魄发震，霹处于生产 过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电聪、电流的模拟信号进行测量 控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之阳j 的信息 交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。实现整个企业的信息集成，实施综台自动化 载必须凌l 卡滋一静毙在工业瑷场环境允许的、犍能可纛、造价低壤靛通信系统，形 成工厂底屡嘲络，完成现场自动讫没爸之闻的多点数字遂信，实现底层瑗殇设备之 f 习j 以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而 ，i 的。 现场总线控制系统即是一个开放的通信网络，又越一种全分布控制系统。它作 6 重庆大学丁程硕七学位论文 2 现场总线 为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系 统，并迸一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、 监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算 机、数字通信、网络为主要内容的综台技术。 由r 现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向的发展， 一 经产生便成为全球i j k 自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线的出 现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统( d c s ) 、可编程控制器( p l c ) 在 产品的体系结构、功能结构方面的较大变革。传统的模拟仪表将让位于智能化数字 仪衰，并具备数字通信功能。出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控 制器；出现了可集检测温度、压力、流量予一身的多变量变送器；出现了带控制模 块和具有故障信息的执行器，并由此极大地改变了现有的设备维护管理方法。 2 1 1 现场总线的发展现状及应用 1 9 8 6 年2 月，r o b e r tb o s c h 公司在汽车工程协会大会上介绍了一一种新型的串 行通信总线控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，般简称为c a n 总 线) 。今天，在欧洲，几乎每一辆新客车上均配有c a n 局域| i ；9 。c a n 也用于其他 类型的交通亡具，如火车、轮船等。c a n 已经成为全球范罔内最重要的总线之一， 甚至领导着串行总线的发展。在1 9 9 9 年，有近6 0 0 0 力个c a n 控制器投入应用： 2 0 0 0 年，市场销售了超过1 亿个c a n 器件。 c a n 总线属于现场总线的范畴。它适用于工业控制系统，具有通信速率高、 可靠性强、连接方便、性价比高等诸多特点。近年来，c a n 总线的应用研究又有 了一些新的发展。c a n 通信协议得到了进一步的扩展和完善，并形成了国际标准。 支持c a n 协议的芯片不断推出，给c a n 总线用户带来了极大的方便。 c a n 总线是为汽车而玎发的串行数据通信总线，因此其第一用户当然是汽车 工业。目前，一些在世界上举足轻重的汽车制造商都在积极地将c a n 总线用在新 型汽车上。据有关资料介绍一些高档名牌汽车如奔驰、宝马、保时捷、劳斯莱 斯及美洲豹等都已开始采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机 构问的数据通信。 由于c a n 总线自身的优点，其应用范围已不在局限于汽车行业。它已被广泛 地应用到机械制造、纺织机构、农业机械、机器人、数控机床、医疗器械、火车、 船舶、传感器等领域。 目前c a n 总线应用研究还在不断深入就连推出b i t b u s ( 位总线) 的i n t e l 公司对c a n 总线的重视程度也己超过了b i t b u s 。随着c a n 总线标准国际化以及 其应用范副的不断扩大，势必将对我国的测控领域产生重大影响。 7 重庆大学j 二程硕士学位论文2 现场总线 2 1 2c a n 总线的特点 c a n 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一 般的通信总线相比，c a n 的数据具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活性。其特 点概括如下： 通信力式灵活。c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主 动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，按 优先级别传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、点对多及全局广播等几种方式传 送接收数据，无需专门的“调度”。 c a n 的通信距离最远可达1 0 k m ( 传输速率5 k b s 以下) ；通信速率最高可 达1 m b s ( 此时通信距离最跃为4 0 m ) 。 c a nt 的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。 c a n 总线格式采用短帧格式，传输时间短，受 二扰概率低，具有很好的检 错效果。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据通信的可靠 性。 c a n 总线通信接f j 中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成 对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等 多项工作。 c a n 的通信介质町为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 宵点在错误严重的情况f 具有自动关闭输出功能，以使总线_ 【j 其他宵 点的操作不受影响。 2 ，1 3c a n 的通信协议 c a n 总线总是基于以下5 条基本规则进行通信协调的。 总线访问：c a n 的访问机制类似于与以太网的媒体访问机制，即采用载波 监听多路访问的方式。c a n 控制器只能在总线空闲时开始发送，并采用硬同步，所 有c a n 控制器同步都位于帧起始的前沿。为避免异步时钟因累计误差而错位，c a n 总线中用硬同步后满足一定条件的跳变进行重同步。所谓总线空闲，就是网络上至 少存在3 个空闲位( 隐性位) 时网络的状态，也就是c a n 节点在侦听到网络上出 现至少存在3 个空闲位时，爿开始发送。 仲裁：当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个 显性电平作为一个帧的丌始。如果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生总 8 重庚大学j ：疆矮学短论文 2 磋场惑线 线冲突。c a n 总线解决总线冲突的方法比以太网的方法有很大的改进。以太网是碰 撞捡测的方式，即一旦榆测到两个或多个节点同时发送信息时，所肖发送节点都退 出发送，待麓税时闽后嚣发送。丽c a n 是按位对标识符避行仲裁：各发送节点在 商总线发送电平夔嗣时， 圭l 对总线土筑电乎进 子读壤，著与鑫身发送弱电平透露比 较，如果电平相同则继续发送下一位，不同则浇羁网络上有更高优先级的信息帧正 在发送，即停止发送，退出总线竞争。剩余的节点则继续上述过程，直到总线上只 剩下“个节点发送的电平，总线竞争结束，优先级最高的节点获得了总线的使用权， 继续发送信息犊约剩余部分丧至全部发送完毕。 绦骂，器鹳：簇霆鲶竣、僻，裁竣、控割域、数蘩城蟊c r cj 事列均经薅篷凄充 技术避行编码。在c a n 总线中，每连续5 个匍状态的电平插入一位与它相补的电 平，还原时每5 个同状态的电平后的相补电平被删除，从而保证了数据的透明。 出错标注：当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错 条件的c a n 控制器将发如个出错标志。 超载标注：一些c a n 控裁器会发送一个酸多争超载藏以鬃避下令鼗疆或 远程帧的发送。 2 2c a n 总线系统的构成。叫n 朝1 c a n 总线是现场通信总线簸种，是一种有效支持分布式控制的串行通信鼹 络，玖援理移实凌款受蔑柬羲，哭要有两个c a n 繁点帮将宅蜘遮攘成一簿携透繁 搽体 妇双绞线就构成一个c a n 总线系统，这两个节点之间遴过通f 言媒体交换 信息。而由c a n 总线构成的控制网络一般魁由控制器节点、传感器节点以及其他 的监控节点如人机界面组成，c a n 作为控制局域网还可以通过网关和其他网络互联 构成复杂的控制网络结桷，如图2 1 所示。 魁2 1c a n 总线控制系筑的结构 f i g 2 1t h ec a n b u sc o n t r o ls y s t e mf r a m ed i a g r a m 9 重庆大学- l = 程硕十学位论文 2 现场总线 从控制系统的角度来看，最小的控制系统单回路的简单的闭环控制系统由 个控制器和一个执行器组成；以c a n 总线为基础的网络控制系统也可以由多个 互不相关的控制回路组成，而它们共享一个控制网络c a n 总线。从现场总线控 制系统的概念来说，传感器节点、执行器节点都可以集成控制器，即所谓的智能节 点，这样就形成了真正分布式的刚络控制系统。 一个简单的c a n 总线系统主要由上位计算机和微控制器构成，包括通用个人 计算机和c a n 的接口( c a n 适配卡和若_ t j 个c a n 网络节点) 。 c a n 适配卡是实现上位机系统和c a n 总线的连接接口，它的作用和以太网的 网卡相同。 2 2 1c a n 总线节点的概念 c a n 总线上的节点一般足指挂在c a n 总线上的传感部件、执行部件或控制器 单元。c a n 总线是通过允许节点间对等的传播数据来实现网络通信的。节点的微控 制器和七位机之间的通信即可以单向也可以是双向的，在双向的传输信息模式中， 上位机可以通过节点传来的数据和状态值，进行报警或调整等反馈措施。 c a n 节点的构成是多手4 t 多样的。由于总线收发器物理信号驱动能力的限制，在 一个c a n 总线网络上，最多可挂接1 1 0 个节点设备。 2 3c a n 总线系统的拓扑结构b 儿4 3 2 3 1 基于c a n 拓扑的概念 拓扑是一个数学概念，它把物理实体抽象成与其大小和形状无关的点，把连接 实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。计算机网络也采用拓扑学 中的研究方法，将网络中的设备定义为节点，把两个设备之问的连接线路定义链路。 从拓扑学的观点看，网络是出一组节点和链路组成的几何图形，这种几何图形就是 计算机网络的拓扑结构，它反映了网络中各种实体问的结构关系。网络拓扑结构设 计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、 可靠性和通信费用等都有很大影响。网络拓扑结构按几何图形的形状可以分为4 种 类型：总线拓扑、环形拓扑、星形拓扑和网状拓扑。不同的网络拓扑结构适用于不 同的网络规模。 总线拓扑 总线形拓扑结构由单根电缆组成，该电缆连接网络中的所有节点。单根电缆称 为总线，它仅仅只能支持一种信道，因此，所有节点共享总线的全部宽带。在总线 网络中，当一个节点向另一个节点发送数据时，所有节点都将被动地侦听该数据， 只有目标节点接收并处理发送给它的数据后，其他节点才将忽略该数据。 总线形拓扑结构的网络很容易实现，且成本很低，但其扩展性较差。当网络中 重庆大学t 程硕士学位论文 2 现场总线 的节点数量增加时，网络的性能将f 降。 环形拓扑 在环形拓扑结构中，每个节点与两个最近的节点相连接以使整个网络形成、个 环，数据沿着环向一个方向发送。环中的每个节点如同一个能再生和发送信号的中 继器，它们接收环中传输的数据，再将其转发到下一个节点。 与总线形拓扑结构相同，当环中的节点数量增加时，响应时间也就变得越长。 在一个简单环形拓扑结构中，单个节点或一处线缆发生故障将会造成整个网络的瘫 痪。 足形拓扑 在星形拓扑结构中，网络中的每个节点通过一个中央设备，如集线器连接在一 起。网络中的每个节点将数据发送到中央设备，再由中央设备将数据转发到目标节 点。 由于使用中央设备作为连接点，星形拓扑结构可以很容易地移动、隔绝或与其 他网络连接，这使得星形网络更易于扩展。因此，星形拓扑是目前c a n 总线局域 网中最常用的一种网络拓扑结构，而且该拓扑结构也是以太网现在最常用的拓扑结 构。 网状拓扑 在网状拓扑结构中，每两个节点之r i i g g 是直接互联的。网状拓扑常用于广域网。 在这种情况下，肖点是指地理场所。由于每个节点都足互联的，数据能够从发送地 直接传输到目的地。如果一个连接出了问题，将能够轻易并迅速地更改数据的传输 路径。由于对两节，r 皇之间的数据传输提供多条链路，凶此，网状拓扑是最具容错性 的网络扑结构。 其缺点是成本过高。将c a n 网络中的每个节点与其他常点相连接需要大量的 专用线路。为缩减jr 支，可以选择半网状结构。在半网状结构中，直接连接网络中 关键的节点，再通过星形或环形拓扑结构连接次要的节点。与全网状结构相比，半 网状结构更加适用，因而在目前的实际应用中使用得更加广泛。 本次设计中，因节点不多，且为节约成本，我选用的是总线拓扑结构。 本次设计使用的单片机为p 8 x c 5 9 1 ，它自带c a n 控制器，外部c a n 通信接口 为光电隔离与c a n 驱动器组合的专用模块，c a n 模块电路的原理框图如图2 2 所 示，其中输入与输出之问的隔离电压为2 5 0 0 v ，隔离阻抗1 0 0 0 0 m q 。 重庆大学一l 程硕士学位论文2 现场总线 幽2 2c a n 模块电路原理框图 f i g 2 2 t h ec a nm o d u l el o o ps c h e m a t i cd i a g r a m 由于单片机自带了c a n 网络控制器，故降低了保护装置使用c a n 总线通信的 成本，同时也提高了硬件的集成度，有利于提高装置的可靠性。 1 2 孽一罄 重庆大学i ：程硕士学位论文 3 硬件设计 3 硬件设计 3 1 概述 微机保护装置实际卜是一个具有继电保护功能的计算机系统。当然应包括硬件 和软件两部分。微机保护的硬件电路随所采用的单片机不同而有很大差别。另外， 随所保护对象的刁i 同在硬件七也有所不同。因此，微机保护装置具有一般微机系统 的基本结构，此外，为了实现继电保护功能有其自己的独特之处。 3 2 硬件总体结构2 4 1 本次3 5 k v 微机保护装置是以线路为单元的方式来没计的，整个单元由电源模 块、输入模块、输出模块、主模块、录波模块( 选用件) 及管理模块共6 个模块 构成。各个模块都做成插件式，可以插入保护机箱，而保护机箱又可以整体装入保 护控制屏内。其中管理模块与主模块和录波模块之间由单片机组成的c a n 总线 联接，5 个模块经单元管理模块联接，构成个完整的单片机自动控制系统，单 元的输入信号，电源及控制输出等由焊接于各板上的焊接式端子接入。单元的硬 件结构图如图3 1 所示。 管 理 模块 现场信号分、台闸 通信信号d c 2 2 0 v通信信号 吲3 1 单元的硬件结构图 f i g 3 1t h eu n i th a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 3 3 硬件设计川3 1 f 1 舢1 7 r 聆13 3 31 单片机用于微机保护 选择何种类型的c p u ，主要是根据保护的功能程序来选择的。原理复杂、动作 速度快的保护选择比较高档的c p u 。随着大规模集成电路制造技术的不断发展，已 1 3 查显型童塑塑墅蝼堕堡塞 ! 堡壁堡丛 有品种繁多的c p u 可供选择。 随着微电子工艺水平的提高，近十余年来，单片微型计算机有了飞跃的发展。 以著名的芯片制造的巨头i n l 】公司为例，早期推出的m c s 4 8 系列单片机是一 种功能较简单、寻址范围很有限的低性能8 位单片机，除了一些传统的应用领域外， 这类单片机在很大程度上被稍后推出的m c s 5 1 系列8 位机取代。在8 0 5 1 内核的基 础上，很多大公司都推出了其派生芯片，提高_ 艺水平，降低功耗和工作电压，增 加外设。 微机保护作为种专用的控制装置采用单片机的硬件结构是适宜的，这是因为： ( 1 ) 可靠性高。现在单片机上的资源几乎相当于一块一般规模的单板机，其主 要电路都集成在块芯片上，所以单片机的抗机械应力、大气环境的影响和抗尘埃 污染以及电磁r 扰的能力都比单板机强。 ( 2 ) 性能高。由于主要部件都集成在芯片内部，从而使整体运算速度大大提高， 编程也更加简洁。 ( 3 ) 微型化。既节省了盘屏f q ，义便于为散热、防尘防潮等采取措施。 ( 4 ) 允许温度范围可以较宽。一般单板机上c p u 的温度范围为0 - 7 0 。c ，只能用 于空调环境，根据我国实际，保护屏室一般都不具备这种条件，对了二我国高温地区 的运行会产生影响，而单片机由于面向工业控制，厂家提供扩展温度级的产品，温 度范围为一4 0 + 8 5 ，用于继电保护比较适宜。 ( 5 ) 价格低廉。氏期以来，微机保护之所以不容易推“，价格是相当重要的因 素，单片微机的采用有助于克服这一障碍。 ( 6 ) 一般单片机都有支持多机通信的串行l ，并且已经开发了适合于低层】：业 控制的廉价“位总线”局部网，便 二保护的冗余处理和与变电所内的控制计算机相 连接或实现分层管理。 3 3 2p 8 x 0 5 9 1 单片机概述 p 8 x c 5 9 1 是一个单片8 位高性能微控制器，具有片内c a n 控制器，从8 0 c 5 1 微控 制器家旗派生而来。它采用了强大的8 0 c 5 1 指令集并成功的包括了p h i l i p s 半导体 s j a l 0 0 0c a n 控制器的p e l i c a n 功能。 全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。改 进的1 ：1 内部时钟预分频器在1 2 m h z 9 - 部时钟速率时实现5 0 0 n s - 指令周期。 微控制器以先进的c m o s 工艺制造，并设计用于汽车和通用的工业应用。除了 8 0 c 5 1 的标准特性之外，器件还为这些应用提供许多专用的硬件功能。 p 8 x c 5 9 1 组合了p 8 7 c 5 5 4 ( 微控制器) 和s j a l 0 0 0 ( 独立的c a n 控制器) 的功能， 并具有下面的增强特性： 增强的c a n 接收中断 重庆大学工程硕士学位论文 3 硬件设计 扩展的验收滤波器 验收滤波器可“在运行中改变” p 8 x c 5 9 1 的8 0 5 1 幸目关特性 全静态8 0 c 5 1 中央处理单元，可提供o t p ，r o m 和无r o m 型 1 6 k 字节内部程序存储器，可外部扩展至1 6 4 k 字节 5 1 2 字市片内数据r a m ，呵外部扩展至1 1 6 4 k 字节 3 个1 6 位定时计数器t o ，t 1 ( 标准8 0 c 5 1 ) 和附加的t 2 ( 捕获& 比较) 带6 路模拟输入的1 0 位a d c ，可选择快速8 位a d c 2 个8 位分辨率的脉宽调制输出( p w m ) 作为标准8 0 c 5 1 引脚时有3 2 个i o 口 带字节方式主和从功能的1 2 c 总线串 ? i o 口 片内看门狗定时器t 3 扩展的温度范围：，4 0 + 8 5 。c 加速指令周期5 0 0 n s 1 2 m h z 操作电压范围：5 v 5 保密位：一r o m ( 2 位) 一o t p ( 3 位) - 3 2 字节加密阵列 4 个中断优先级，1 5 个中断源 全双工增强型u a r t ，带有可编程波特率发生器 电源控制模式 一时钟可停止和恢复 一空闲模式 一掉电模式 空闲模式中a d c 有效 双d p t r 可禁止刖正实现 k 氏e m i 可编程i 0 口( 准双向、推挽、高阻和开漏) 掉电模式可通过外部中断唤醒 上电检测复位 p 8 x c 5 9 1 与c a n 的相关特性 c a n 2 0 b 控制器，支持11 位标准7 | = 1 1 2 9 位扩展标识符 8 m h z 时钟可实现1 m b i t s c a n 总线速率 6 4 字符接收f i f o 1 5 重庆大学工程硕士学位论文 3 硬件设计 1 3 字节发送缓冲区 增强型p e l i c a n i 内核( 取自s j a l 0 0 0 独立c a n 2 0 b 控制器) 由以上的特性可以看到，这款单片机功能之强大，集成度之高，由它构成的单 片机系统可以做到总线不出芯片。特别值得一提的是，此芯片集成了复位电路、 看门狗电路、a d 电路等，这对系统的可靠性及稳定性有很大的提高，同时售价 也很合理，有较高的性价比。故在这次设计中，所有的单片机系统都是采用的 p 8 x c 5 9 1 单片机。 3 3 3 电源模块 电源模块是一个宽稳压范围，高抗干扰的开关稳压电源，其功能是将外加 2 2 0 v 工作电源变换成各模块：c 作所需的低压电源。 输入电压 为保证本系统电源的可靠性，本电源模块选用本变电站的d c 2 0 0v 作为其输 入电源 输入电压范围：d c 2 2 0 v + 1 0 ，2 0 输出电压 电源有4 个不同的电源输出，其中5 v 、】2 v 三组电源共地，2 4 v