（电机与电器专业论文）isa300+can网通信规约在线路保护装置中的实现.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i l i st h e s i sd e s c r i b e dt h er e a l i z a t i o no fi s a 3 0 0p r o t o c o le m b e d d e di n t o l i n ep r o t e c t i o n d e v i c e s w i t lt h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fo u r l i v i n g , c o m p u t e rl i n e p r o t e c t i o nd e v i c e sa r eb e i n ga p p l i e dw i d e l yi ne l e c t r i c a la u t o m a t i o n c o m p u t e rl i n ep r o t e c t i o n d e v i c e sb a s e do nf i e l db u ss e r i o u s l yi n f l u e n c et h es e e u r i t y , s t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fe l e c t r i c a l a u t o m a t i o n ，c a nb u s a sak i n do ff i e l db u s , w h i c hb e a r sav a r i e t yo fa d v a n t a g e ss u c ha sh i i g h t r a n s f o r m a t i o nv e l o c i t y , l o n gt r a n s f o r m a t i o nd i s t a n c ea n ds u p e r i o rr e l i a b i l i t y , h a sb e e ng r a d u a l l y a d o p t e di ni n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o n 1 1 1 i st h e s i sf i r s t l ym a k e saf u r t h e rd e s i g nb a s e do nak i n do f c o m p u t e rl i n ep r o t e c t i o nd e v i c e i no r d e l t h a tt h eh a r d w a r ed e s i g nt u r nt ob em o r ec o m p l e t ea n ds o f t w a r es t r u c t u r em o r e r e a s o n a b l e e x p e r i m e n t sp r e s e n tt h a tt h em e a s u r e m e n tr e s u l tb e c o m e sm o r ea c c u r a t ea n dr e l a y c h a t t e rt u r n st ob es o l v e d m o r e o v e r , t h i st h e s i sd e s c r i b e si n t e r c o n n e c t i o nd e t a i l sb e l w e o n d e v i c e sa n dp c i s a 3 0 0p r o t o c o lo fs h e n z h e nn a r ia d o p t e d p c i c a n 9 8 1 0c a nc a r di s u t i l i z e da sac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei np c v i s u a lc + + 鼬p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n ta n ds q l s e r v e ra sd a t a b a s es o f t w a r e c a nc o n t r o l l e ri n s i d et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i s a d o p t e da sa c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo ft h ed e v i c e , c c sa sp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t d o u b l et h r e a d s 撇 a p p l i e di nb o t hp ca n dd e v i c ep r o g r a m m i n g ：o n ei se m p l o y e dt or e c e i v ea n dp r o c e s sd a t aa n dt h e o t h e ri st ot r a n s m i td a t a t h et r a n s m i t t e dd a t ai n c l u d et w ok i n d s ：e v e n tm e s s a g et y p ea n dc y c l i n g t y p e i nt h ee n d , as e r i o u st e s ti se v e n t u a l l ya c c o m p l i s h e d t e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t m e a s u r e m e n ta o c u r a c yc o n f o r i l l st op r o f e s s i o n a lr e q u e s t sa n dp r o t e c t i o nf u n c t i o n sa l er e a l i z e d r e m o t ef u n c t i o n sa l er e a l i z e da sw e l l ，s u c h 觞t e l e c o n t r o l l i n g ，t e l e m e t e r i n g , t e l e - s i g n a l l i n g , e v e n t i n f o r m a t i o nt r a n s f o r m a t i o n ，s e t t i n g i n g sm o d i f y i n ga n ds o0 1 1 k e y w o r d s l p o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n , i n t e g r a t e ds u b s t a t i o n a u t o m a t i o n ，i s a 3 0 0 ，c a n n 东南大学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 的研究成果。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。 研究生签名： m 日期：出刁 东南大学学位论文使用授权声明 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。 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机继电保护装置网络通信概述 2 0 世纪8 0 年代末，国内有关单位开始变电站自动化技术的相关研究。9 0 年代初由于面 临不断加剧的市场竞争压力，国内的电力企业为了提高企业的运营效率，纷纷采取减员增效 措施，大力推行中低压变电站少人值守或无人值守，这对变电站的远方控制和监视提出了新 的要求，利用计算机技术和网络通信技术实现变电站自动化成为必要。技术和市场的双重需 求极大地推动了我国变电站自动化技术的发展。 在具有变电站层、间隔层、现场层的分层分布式自动化系统中需要传输的信息有：设备 层与间隔层间的信息交换；间隔层内部的信息交换；间隔层之间的通信；间隔层和变压站层 的通信；变电站层的内部通信。组建网络时必须选择一种通信协议，使得网络之间的用户能 互相交流。协议是网络设备用来通信的一套规则，它定义了软件如何工作。要使系统正常而 又可靠的工作，选择好的通信介质、通信方式和通信协议是至关重要的一环。 根据微机继电保护装置网络通信的自身特点，信息种类及其时间要求如下： ( 1 ) 经常传输的监视信息。 a )监视变电站的运行状态，需要传输母线电压、电流、有功功率、无功功率、功 率因数、零序电压、频率等测量值，这类信息需要经常传送，响应时间需满足 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n 数据采集与监视控制系统) 的要求、一般不宜大于l 2 s ； b ) 计量用的信息。如有功电能量和无功电能量。这类信息传送的时间间隔可以较 长，传送的优先级可以较低； c )刷新变电站层的数据库，需定时采集断路器的状态信息，继电保护装置和自动 装置投入和退出的工作状态信息。可以采用定时召唤方式，以刷新数据库； d )监视变电站的电气设备的安全运行所需要的信息，例如变压器、避宙器等的状 态监视信息，变电站保安、防火有关的运行信息。 ( 2 ) 突发事件产生的信息。 a ) 系统发生事故的情况下，需要快速响应的信息例如：事故时断路器的位置信 号，这种信号要求传输时延最小，优先级最高； b )正常操作时的状态变化信息( 如断路器状态变化) 要求立即传送，传输响应时 间要小，继电保护装置的投入和退出信息，要及时传送： c )故障情况下，继电保护动作的状态信息和事件顺序记录。这些信息作为事故后 分析事故之用，不需要立即传送，待事故处理完再送即可； d )故障发生时的故障录波，带时标的扰动记录的数据，这些数据量大，传输时占 用时间长，也不必立即传送； e )控制命令、升降命令、继电保护和自动设备的投入和退出命令，修改定值命令 的传输不是固定的，传输的时间间隔比较长。 ( 3 ) 各层次之间和每层内部传输信息的时间要求。 a ) 设备层和间隔层。1 l o o m s ； b ) 间隔内各个模块间，l l o o m s ： c )间隔层的各个间隔单元之间，l 1 0 0 m s , 东南大学硕士学位论文 d )间隔层和变电站层之间，1 0 1 0 0 0 m s l e )变电站层的各个设备之间，1 0 0 0 m s ； f )变电站和控制中心之间， 1 0 0 0 m s 。 1 2 网络通信方式的比较 lr s - 4 2 2 ，4 8 5 通信方式 r s - 4 2 2 独立有发送器，平衡连接电缆，电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器 把连接电平变换成电位差，完成始端的信息发送：通过差动接收器，把电位差变成逻辑电平， 实现终端的信息接收。r s - 4 2 2 由于采用了双线传输，大大增强了抗共模干扰的能力，因此最 大数据速率可达1 0 m b p s ，此时传输距离为1 5 m ；最小数据速率为9 0 k b p s 时，此时传输距离 可达1 2 0 0 m 。该标准规定电路中只允许有一个发送器。可有多个接收器。 r s - 4 8 5 与r s - 4 2 2 a 一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和r s - 4 2 2 a 兼容， 并且扩展了r s - 4 2 2 a 的功能。两者主要差别是，r s - 4 2 2 a 为全双工，r s - 4 8 5 为半双工；r s - 4 2 2 a 采用两对平衡差分信号线，r s - 4 8 5 只需其中的一对；r s - 4 2 2 a 只允许电路中有一个发送器， 而r s - 4 8 5 标准允许在电路中可有多个发送器，因此，它是一种多发送器的标准。r s - 4 8 5 标 准抗干扰能力强，传输速率高。传输距离远。采用双绞线，不用m o d e m 的情况下，在1 0 0 k b p s 时，可传送的距离为1 2 0 0 m ，若速率降到9 6 0 0 b p s ，则传送距离可达1 5 k m 。它允许的最大速 率可达1 0 m b p s ，此时的传输距离为1 5 m i ，j i o j 。 2 l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司于1 9 6 3 年推出的局部操作网络技术，它是基于同一公司 集控制器和网络通讯器为一体的芯片神经元串行总线网。神经元芯片上集成了三个c p u ，其 中一个c p u 作为控制器，可以处理现场i o ，另两个c p u 处理网络通信，因此l o n w o r k s 最 大的优势是其网络处理能力，它可以在多种通信媒体内传输信号，如双绞线、电力线、红外 线、同轴电缆和光纤。 l o n w o r k s 采用了开放系统互联模型o s i 的全部七层通信协议，采用面向对象的设计方法 通过网络变量将网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 到2 5 m b p s 不等，直接 通信距离可达2 7 0 0 m 。在l o n w o r k s 现场总线上，每一个网段上最多只能接“个智能接点， 因此，如果间隔层的智能装置超过了6 4 个变电站，需要将l o n w o r k s 网进行分段。 3 c a n b u s 现场总线 c a n t c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k s ) 总线简称为控制嚣局部网。c a n 是现场总线中唯一被批 准为国际标准的现场总线。值得注意的是一些微处理器的生产商也在微处理器芯片中附加 c a n 接口，这样c a n 在低成本方面优势明显并且有较强的抗干扰性能，是低压配电自动 化系统推广应用的一种低成本现场总线。c a n 总线是一种串行数据通信协议，它是一种多主 总线，通信接口中集成了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组帧 处理【1 】 c a n 采用短报文以及运用载波多点访问，非破坏性逐位仲裁介质访问方法( c s 凇n a a ) ， 所以该协议而向报文，可用于在同时传输情况下访问总线。传输的位流在起始位实现同步， 后继的报文标识符则实现仲裁，此时逻辑0 将覆盖逻辑l ( 与逻辑) 。任何欲发送报文的节点将 等待直至总线空闲并开始按位发送其报文的标识符，总线访问冲突可在仲裁域的发送过程中 用位级的仲裁加以解决，这也是每个帧的起始部分。进而，如果两个节点欲在同一时刻发送 报文，它们将首先发送报文标识符，然后收听网络。如果其中的一个接收到的位不同于它发 2 第一章绪论 送的位时，它将失去发送信急位的权利，而另一节点则获得该权利。利用该方法。正在进行 的传送不会遭到破坏口l 【7 j 4e t h e r n e t e t h c r n e t 采用总线则拓扑结构，同轴电缆或双绞线为传输媒介，采用i e e e 8 0 2 3 标准。 媒体访问方式为载波监昕多路访问露中突检测( c s m a c d ) 方式，不支持带优先级的实时访 问。虽然c s m a c d 方式不支持优先级访问，但由于网络通信的速率高，只要设计时注意避 免数据的长帧结构，将长帧分成几个短帧，进行分组传输，就可保证当一个节点占有媒体时， 网内其他信息要发送的站点等待的时间最短。 通过表l l 可以对几种通信方式做进一步的比较。 表i - i通信方式的比较 、通信方式 比较项、 r s 4 2 2 ，4 8 5l o n w o r l “c a n b u se t h e r n e t 、 最大通信电缆长度 1 2 0 0 m2 7 0 0 m1 0 0 0 0 m1 0 0 - 5 0 0 m 最大速率 1 0 m b p s2 5 m b p si m b p s1 0 - 1 0 0 m b p s 从表中可以看出，通信速率最快的是以太网，而且以太两通信距离完全可以满足变电站 的需要。是今后变电站自动化系统通信发展的方向，但是以太网控制芯片价格较高、通信软 件编制较为复杂；现场总线通信速率快。传输距离远，而且有的现场总线芯片中，封装了o s i 的7 层协议( l o n w o r k s ) ，使用方便；r s 4 2 2 r s - 4 8 5 通信方式使用广泛、技术成熟、造价低 廉，完全能满足速率要求较低的变电站自动化系统的需要。 本文所主要研究的c a n b u s 相对于传统的r s 4 2 2 4 8 5 通信方式具有如下优点哪； ( 1 ) 最大传输距离长； ( 2 ) 无破坏性的基于优先权的仲裁，有效避免了总线冲突； ( 3 ) 网络仲裁效率高，信息优先级别丰富，可以确保紧急信息的实时性； ( 4 ) 发送期间丢失仲裁，可以自动重发； ( 5 ) 采用短帧结构，第一帧有效字节为8 个，这样传输时间短，干扰概率低。抗干扰能 力强； ( 6 ) 网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络其它节点发送信息，面不分主 从。解决了r s - 4 2 2 4 8 5 中下位机主动上传的难题： ( 7 ) c a n 网络传输的错误检测、故障界定、仲裁都是在数据链路层来完成的，能检出多 种错误，如填充错误、位错误、c r c 错误、形式错误、应答错误等。充分保证了通 信的可靠性。 ( 8 ) c a n 网络传输以帧为基本单位，而传统的r s - 4 2 2 4 8 5 以字节为基本传输单位，因 而c a n 网的传输效率要比传统串行通信效率高。 1 3 网络通信协议的比较 1c d t 协议 现在的变电站综合自动化大部分采用的是统一规约的c d t ( 循环式) 协议。本标准规定 东南大学硕士学位论文 了电网数据采集与监控系统中循环远动规约的功能、帧结构、信息字结构和传输规则等。适 合点对点的远动通道结构及以循环字节同步方式传送远动信息的远动设备与系统，还适合于 调度所问以循环式远动规约转发实时远动信息的系统。本规约采用可变帧长度、多种帧类别 循环传送，变位遥信优先传送，重要遥测量更新。循环时间较短，区分循环量、随机量和插 入量，采用不同形式传送信息，以满足电网调度安全监控系统对远动信息的实时性和可靠性 的要求。 由于c d t 具有对通道的技术要求低、规约简单易懂、单帧信息量大、通道或系统故障复 位后能自行回复通信等优点，在电力监控系统中得到了更为广泛的应用。 网络通信协议一般由底而上分为物理层、数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示 层和应用层等，根据不同的应用可以实现部分或全部的分层。在此r s 4 8 5 网络中只实现了4 层：物理层、数据链路层、传输控制层和应用层。 ( 1 ) 物理层 r s - 4 8 5 网络物理层采用差分信号传输方式，提高了传输电平，并支持最多3 2 个从设备 共享通信信道。r s - 4 8 5 物理层被很多工业总线如c a n 、p r o f i b u s 所采用。 ( 2 ) 数据链路层 接收上层的数据帧并进行重新封装，生成网上设备可以识别的数据链路帧。同时它还要 接受网上的数据链路帧，进行c r c 校验、接收处理。数据链路层进行封装时，在上层数据帧 前加上帧头，再对数据包进行c r c 校验。通信格式为：起始位l 位，停止位l 位，数据位8 位，无校验位，波特率可选。 ( 3 1 传输控制层 为了确保发送帧正确到达，主机要对数据传输进行必要的连接控制。主机与从机通信时， 首先要设定一个l o o m s 的超时计数器。主机发完一帧数据后复位超时定时器，如果在l o o m s 内没有收到从机的应答帧或者数据帧，主机会重发一次。第二次如果还没有收到，主机则会 报错。 ( 4 ) 应用层 应用层将用户程序生成的命令字和数据报转换成下层所能识别的格式，同时对捕捉到的 命令字和数据包递交应用用户程序进行解释、处理。它完成用户程序和通信程序的衔接。 2 1 0 3 协议【9 】【i o l l l l 】【1 2 l 1 0 3 规约是在i e c6 0 8 7 0 5 系列标准的基础上，采用f t i 2 帧格式，对物理层、链路层、应 用层、用户进程作了大量的具体的规定和定义。 1 0 3 规约使用的网络模型是增强性能结构，仅用到i s o - o s i 基本参考模型的全七层结构 中的三层，即物理层、链路层、应用层。 ( 1 ) 物理层 在变电站自动化系统中，物理层采用光纤传输系统或基于铜线的r s - 4 8 5 总线系统，它 提供一个二进制对称和无记忆传输。标准的传输速率为9 6 0 0 b p s 或1 9 2 0 0 b p s 。 ( 2 ) 链路层 1 0 3 规约所有的传输过程均由主站启动，即轮询问答过程：由主动站向从动站触发一次 传输服务，或者成功完成，或者报告差错，之后才能开始下一轮的传输服务。1 0 3 规约采用 的链路服务级别为三级。 ( 3 ) 应用层 为用户提供服务，是用户的窗口，它的服务直接提供给应用进程。应用层包含一系列应 用功能，它包含在源和目的之间应用服务数据单元a s d u 的传送中。规约数据单元由规约控 制信息和服务数据单元组成，由于1 0 3 规约未采用应用规约控制信息a c p i ，所以在应用层 4 第章绪论 中的应用规约数据单元a p d u 和应用服务数据单元a s d u 及链路服务数据单元l s d u 是一 样的，因此在1 0 3 规约中可将应用服务数据单元a s d u 当作链路用户数据。 3c a n 网络i s a 3 0 0 协议 c a n 网络结构为物理层，链路层和应用层三层结构，等效于i e c 6 0 8 7 0 系列的增强性能 模型，这样可以大大降低信息传输时延，尤其适合于对传输时延要求较严格的控制系统。 ( 1 ) 物理层 采用现场控制网络c a n ，带屏蔽双绞线为传输媒介，网络终端匹配电阻r 为1 2 0 欧姆， 总线驱动芯片采用p h l l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 。网络通信速率缺省取8 0 k b p s ，可人工调整。r l y 可通过菜单选择网络通信速率上位机也要做出相应的调整，以使网络通信速率一致。网络 速率可在5 k 、1 0 k 、2 0 k 、4 0 k 、8 0 k 、2 0 0 k 、4 0 0 k 、8 0 0 k 、1 0 0 0 k 之中任选一个。 ( 2 ) 链路层 用户报文由一个或多个c a n 数据包组成，目前除了录波数据外，每个应用用户数据仅 由一个c a n 数据包组成。而每个c a n 数据包可由一个或多个c a n 数据帧组成，c a n 数据 帧是该通讯协议中最小的数据传递单元。 ( 3 ) 应用层 一个标准报文的最大字节数为5 1 2 个字节，其中5 0 9 个字节为最大长度的报文体，3 个 字节为固定长度的报文化头。由于每一帧只有7 个有效用户数据字节，故一个c a n 数据包 至多由7 4 个数据帧构成。 1 4 变电站综合自动化通信技术国内外研究现状 国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉足变电站综合自动化领域，推出了一系列各 具特色的变电站综合自动化产品。 a b b 公司针对不同的对象开发了不同的保护和控制终端。如用于线路差动保护终端 r e l 5 5 1 ，用于馈线保护继电器r e x 5 2 1 ，用于电机保护终端r e m 5 4 3 、5 4 5 ，用于馈线终端 r e f 5 4 1 、5 4 3 、5 4 5 ，用于变压器保护终端r e t 5 2 1 ，用于远方控制终端r e c 5 2 3 ( 取代f r u ) 。这 些保护和控制终端除具有保护、控制和监测等功能外，在装置上都集成有支持s p a l o n i e c 6 9 8 7 0 。5 1 0 3 协议的串行通信口。 g e 公司在继电器保护产品中推出一种新的通垌型重合控制器( u r c ) ，它把配电馈线保护、 控制、监视、测量集中到一个单元中，能被用于柱上开关的控制也可用于变电站的重合器上。 在该置上集成有2 3 2 ，4 8 5 、以太网接口。 a l s t o m 公司的保护控制装置m i c o m 系列的功能也很强大。如p 1 4 0 系列馈线管理保护继 电器就具有保护、控制、测量、故障分析、监控、诊断功能，它的正面和背面都有通讯瑞口 ( r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 ) ，可用于就地通讯或远程通讯。通信协议支持c o u r i e r , m o d b u s ，i e c6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3 。 s e l 公司高速线差保护控制装置s e l a 2 1 有完全的差动保护功能，并且可选一个s e l 2 7 0 1 以太网处理器，支持1 p ，u d p ，i p ，o s i 堆栈，f t r t e l n e t ，u c a 2 等协议。 s i e m e n s 公司的继电保护装置也很多，其中电压，频率继电保护装置7 r w 6 0 0 是一种智能保 护控制单元，它有一个r s 4 8 5 口可与p c 或控制系统相连。 从国外变电站综合自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好的满足 变电站综合自动化所有层次的需要。在一个变电站综合自动化系统内，往往由多种通信技术 组合成综合的通信系统。各个层次按实际需要采用合适的通信方式。 国内不少企业已经成功的研制出能够满足变电站综合自动化要求的产品，这些产品包括 5 东南大学硕士学位论文 可靠的馈线开关远程式终端( f t u ) 、变压器测控单元( m 、开闭所、小区变远稗终端( r t u ) ， 配电网地理信息系统( g t s ) 、负荷监控系统、配电管理信息计算机网络、智能式电度表及远方 抄表计算机系统，以及各种数据传输设备( d c e ) 等。这些产品有：东方电子公司的产品d f 5 1 1 1 重合器控制器及变电站综合自动化产品d e 9 0 0 0 系列；许继公司r t u 一体型远方终端、s r t u 单 体型远方终端、w p z d - 1 1 0 型馈线终端单元；四方华能公司c s d a 配电系列终端产品。 但从应用的角度看，由于变电站综合自动化存在其本身的特点，如容量大、故障记录信 息及定值远传、远方抄表等，传统的通信规约不能够很好的满足使用要求，因此给实现变电 站综合自动化又带来了困难h 1 1 4 2 1 1 4 3 11 4 4 1 。 1 5 本文研究的目的及主要内容 作为开发3 5 k v 微机线路保护装置课题中的一个重要组成邦分，本文对c a n 总线以及 i s a 3 0 0c a n 网通信协议做了深入的探讨和剖析，并详细阐述了实现i s a 3 0 0 协议的编程方法， 同时提出了一些在协议实现中的经验和存在的问题 本论文各章节具体内容安排如下： 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 介绍本课题的背景和意义。 给出了装置的基本构成和做出的改进部分。 理解了规约具体内容，包括物理层、链路层和应用层的规约细节。 阐述了上位机采用v i s u a lc + + 编程和s q ls e r v e r 数据库操作相结合实现规约的方 法。 阐述了下位机采用c c s 编稃实现规约的方法。 给出了上、下位机的联调过程，以及对装置的测试结果。并提出问题。 最后，本文对论文工作作了总结，并展望了下一步工作。 6 第二章线路保护装置的设计 2 1 装置硬件概况 第二章线路保护装置的设计 本系统采用主从工作方式，设计方案如图2 - i 所示。上位机以一台p c 机作为主节点 各保护装置作为下位机从节点与主节点通信。 上位机 ( 采用w l n d o w s 平台) 通讯接口 ( c a n 和r s 4 8 5 ) 觋路1l 线路li 线路ll 线路 测控il 测控l l 测控i 一一一i 测拧 保护li 保护ii 保护il 保护 装置fi 装置ff 装置fl 装置 图2 - 1系统结构示意图 本装置采用模块化设计，其硬件结构由以下六个模块组成：单片微机系统模块、信号输 入模块、人机接口模块、输出通道模块、通讯模块以及电源模块，系统框图如图2 - 2 所示。 图2 - 2微机线路保护装置硬件框图 本装置采用加强型单元机箱，并按抗强振动、强干扰设计。确保装置安装于条件恶劣的 现场时仍具备高可靠性，而且在装置组屏或分散安装于开关柜上时。不需安装另外的交、直 流输入抗干扰模块。主要插件设计采用l + 4 + l 模式，如图2 - 3 所示。 7 东南大学硕士学位论文 l显示和控制面板 l i母板 - l上上 开 模关 拟c量 开 量p输 关 输 u入 电 入 板输 源 板 出 板 图2 - 3装置总体结构图 l 模拟量输入板 将来自现场的c t 、p t 的交流电气量经辅助变流器隔离，并转换成电压，送入二阶低通 滤波单元，滤除高次谐波形成符合输入要求的电压送入c p u 板的模数转换元件。由于保护和 测量的精度不同，保护采用d s p 自带的a d 转换芯片，1 0 b i t 精度，单通道转换时间只有1 0 0 n s ， 可以满足系统保护的要求。测量则采用1 6 位的外置芯片，单通道转换时间是3 5 u s ，可以满 足测量的精度要求。对各个通道的幅值衰减和相位延迟用软件进行了补偿。所选互感器类型 如表2 - l 所示。 表2 1交流采样板互感器规格表 互痞器类型变比个数 测量用电流互感器5 a ，3 v3 ( 三相) 像护用电流互感器5 o ”刊3 ( 三相) 电压互感器 1 0 0 v ，3 v 3 ( 三相) 接地保护电压直感器1 0 0 n | 矾l 2 c p u 板 c p u 板是装置的核心，它除了以c p u 为核心构成的硬件系统外，还有存储在r o m 中的 软件系统，这些硬件和软件构成了整个微机系统，其主要任务是完成数值测量、计算、逻辑 运算、控制以及通信等任务。其硬件平台采用d s p + c p l d 为核心的方式来设计，采用t i 公 司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片，该种型号的d s p 兼具数字信号处理和微控制器的特点， 从而为其在本装置中的应用中提供了成本和性能的一个很好的结合点。装置所用的c p l d 芯 片为a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 s l c 。采用这种d s p + c p l d 的技术，可以大大的提高装置的可 靠性和灵活性并缩短研发周期。 ， 除此之外，c p u 板还包括1 6 位精度a d 转换器、大容鼍r a m 存储器、实时时钟、2 3 2 4 8 5 串口芯片、c a n 收发嚣、e 2 p r o m 等主要芯片。完成保护功能、测控功能、人机对话功能、 各种自检及其他相关逻辑。c p u 的自检包括硬件与软件两种方式，并同时进行，相互独立； 当发现装置中重要部件有故障并闭锁出口。c p l d 中完成译码和键盘设计，e 2 p r o m 用于存 储定值以保证定值信息掉电不丢失。 3 开关量输入输出板 开入和开出部分均采用光电耦合，完成保护开出与遥控开出，保护开出与遥控开出经外 8 第二章线路保护装置的设计 部接线作用到操作回路。出口继电器包括四个：启动继电器、自检闭锁继电器、合闸线圈继 电器和跳闸线圈继电器。共有8 个输入端子：合位信号、断位信号、合后信号、重合闸闭锁 信号和4 个保留信号。各个输入输出信号均采用d s p 自带的通用i o 口来控制和引入。 4 开关电源 用于将外部提供的直流电源转换为保护装置工作所需电压。本插件输出一路5 v 、一路 2 4 v 、一路+ 1 5 v 、一路一1 5 v 电压，输入交直流通用，输入范围为8 0 2 5 0 v 。5 v 电压用于装 置数字器件工作，2 4 v 电压用于继电器驱动及装置状态量输入使用，士1 5 v 电压用于给低通滤 波电路中的运放提供双极电源。 5母板 起承转接和固定各子板插件的作用。 6显示和控制面板 固定在机箱前面板背面，用于液晶显示和指示灯显示，液晶规格为8 行x 4 列汉字两 线串行模式，由d s p 的两个通用i o1 2 模拟，一个是读写时钟信号线，另一个是数据线，背 光灯随电源打开。8 个指示灯分别用于指示电源，合闸动作、跳闸动作、告警、断路器合位、 断路器跳位、断路器手动开关位置以及重合闸充电进程。 2 2 装置硬件改进性设计 针对原有装置中存在的问题，做了进一步的改进性设计，主要包括以下几个部分。 i c a n 收发器电路 p c a 8 2 c 5 0 是c a n 协议控制器和物理总线的接口，对总线提供不同的发送能力和对c a n 控制器提供不同的接收能力，完全和“i s 0 1 1 8 9 8 ”标准兼容。如图2 4 所示，装置c a n 收发电 路的原理图。 图2 - 4c a n 节点电平转换原理图 2 液晶部分 由原来的s e d l 3 3 5 驱动的大屏幕液晶更换为s t 7 9 2 0 驱动的1 2 8 6 4 型的小屏幕液晶， s t 7 9 2 0 是台湾矽创电子公司生产的中文图形控制芯片。它是一种内置1 2 8 x 6 4 1 2 汉字图形 9 点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字及图形。该芯片共内置8 1 9 2 个中文汉字( 1 6 x1 6 点 阵1 。1 2 8 个字符的a s c i i 字符库( 8 1 6 点阵) 及6 4 x 2 5 6 点阵显示r a m ( g d r a m ) 。为了能 够简单、有效地显示汉字和图形，该模块内部设计有2 m b 的中文字型c g r o m 和6 4 x 2 5 6 点阵的g d r a m 绘图区域；同时，该模块还提供有4 组可编程控制的1 6 x1 6 点阵造字空间； 除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4 位并行、8 位并 行、2 线串行以及3 线串行等多种接口方式。该模块具有2 7 - 5 5 v 的宽工作电压范围，且具 有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。模 块同时还提供l e d 背光显示功能。除此之外，模块还提供了画面清除、游标显示隐藏、游 标归位、显示打开关闭，显示字符闪烁、游标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、 液晶睡眠，唤醒、关闭显示等操作指令”“j 。 此处改进的优点主要包括：在满足需要的同时，体积上与机箱更匹配，从而使结构搭配 更协调：由原来的并行编稃模式改为两线串行编稃模式。大大简化了此部分硬件设计，减轻 了c p l d 的负担，编程方式也更简便；液晶模块显示负电压，也由模块提供，从而简化了系 统电源设计；内带大容量字符库，方便编程；价格便宜等等。 3前面板设计 ( 1 ) 开关按钮设计。 红色的电源开关和黄色的复位开关。电源开关用于控制装置的5 v 供电部分，复位开关 用于复位c p u 。 ( 2 ) 指示灯设计。 指示灯功能见附录表b 一3 。 ( 3 ) 键盘设计。 键盘功能见附录表b - 4 。 4 后背板设计 ( 1 ) 电源板。 电源板端子排见表2 - 2 。 ( 2 ) c p u 板。 c p u 板端子排见表2 3 。 ( 3 ) 采样板。 采样板端子排见附录表b l 。 ( 4 ) 开入开出板。 开入开出板端子排见附录表b - 2 。 表2 - 2电源板端子排列表 表2 - 3 c p u 板端子排列表 端予 功能 l 直流电源正极或交流电源一端 n 直流电源负极或交流电源一端 e a r t h接大地 端子功能 i c a n h 2c a n l 3g n d 5测量采样电路的改进 滤波部分由二阶无源滤波改为二阶有源滤波，因为滤波电路的下级电路是电压偏移调整 电路，原来的无源滤波由于输入阻抗太低，前级滤波电路会被后级电压偏移调整电路反过来 影响。造成采样值严重失真，在电路调整前，采样值衰减达2 0 ，是电路设计中的重大漏洞a 如图2 - 5 所示为改进前的滤波电路，2 - 6 为改进后的滤波电路，2 - 7 为电压偏移调整电路。 1 0 第二章线路保护装置的设计 图2 - 5改进前的滤波电路 a a 围2 - 6改进后的滤波电路 图2 7电压偏移调整电路 6 复位电路的改进 原装置继电器存在乱跳现象，无法正常运行，经检查发现为d s p 被r s 信号中带来的干 扰导致复位，根本原因是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的复位有效信号为脉宽不低于2 0 0 u s 的低电平。由 于这个最低脉宽长度较低，电源中的谐波干扰很容易影响r s 信号，从而导致c p u 复位，这 样程序就在反复地从头执行，继电器出口不停地被复位，导致了继电器的抖动。 本文通过加设硬件去抖动电路解决了原装置的这一问题。具体方法是通过c p l d 编程将 复位有效信号延长到2 0 0 m s ，即一旦检测到r s 输入端为低电平信号，就加设2 0 0 m s 的计时 器，期间如果一直保持低电平，就把2 0 0 u s 信号的低电平送入d s p 的r s 一信号，否则就放弃， 直到检测到下一个r s 输入端的低电平。编程原理图如图2 - 8 所示。 东南大学硕士学位论文 图2 - 8复位去抖动电路 7抗干扰的设计 c p u 板采用四层板，电路板的插放顺序由原来的采样板- c p u 板- 开入开出板改为c p u 板 采样板开入开出板，抑制了继电器的动作对c p u 板的电磁干扰；母板走线改为交流、真流 信号互不交叉，避免互相干扰；在各插件公母连接处各对电源附近增加滤波电容。 2 3 装置软件改进性设计 本装置软件基于u c o s 实时多任务操作系统，软件采用1 + 4 模式，保护采样计算及保护 判断在中断级完成，任务级包括四个任务：下位机上送任务、下位机侦听处理任务、人机界 面处理任务、测量计算任务。改进后的程序代码较原有程序代码结构更加清晰，命名更符合 规范，一个模块对应一个文件。分工明确。 1采样保护中断 周期中断函数，主要用来激发d s p 采样模块和外围采样芯片分别对保护值和测鼍值采 样，然后对相应的保护采样值进行计算，并调用保护判断和动作函数，而把相戍的测量采样 值放到缓冲区，同时置标志位以等待测量计算任务计算各种测量参数，由于本文所介绍的线 路保护装置为2 4 点采样，所以此周期中断的周期是8 3 3 u s 。 2主动上送任务 下位机发生动作事件、自诊断事件、遥信变位信息和s o e 事件信息后，需将相应的报文 信息及时主动上送给上位机。相应的下位机在收到上位机的确认报文后，停止上送，否则下 位机每隔一个时间间隔。仍上送这类信息。直到收到上位机相应的确认报文。 下位机在此任务中同时完成周期主动上送重要遥测、次要遥测信息报文 3 侦听处理任务 接收处理上位机的两类信息：一类是上位机周期下传的信息，如取全遥信、查询和校时 命令；另一类是上位机的菜单命令信息，包括取事件，取定值、取测量值、取装置信息、遥 控命令、取遥信状态以及取全遥测量等。 1 2 第二章线路僳护装置的设计 4 人机界面处理任务 根据当前的键值，决定液晶显示，人机界面主要分为定值信息、设置参数、手动操作、 测量信息、开入信息和事件信息六个一级菜单，能够完成对整定值的设置、启动密码的设置、 时间日期的设置、手动合闸、手动分闸、查看事件记录、查看开入端子状态以及查看当前测 量值的信息等。 5 测量计算任务 主要完成对测量值的计算，包括计算测量电压、电流，有功功率、无功功率、功率因数、 频率和零序电流等。任务的优先级最低，测量值更新速度约为3 0 m s 。 程序源代码结构如表2 4 所示。 表2 - 4程序源代码结构表 文件名功能 d yc a l f u n c ：c定义了计算删量参数的处理函数 d yc o m f u n c c定义了关于通信的处理函数 d yi s i u p l u l c c 定义了d s p 各个模块用于中断处理的于函数 d yi s r t b l f l s n l 定义了中断向量表和一些延时函数 d yl c e i f u n c t c定义了液晶显示驱动函数和显示的处理函数 d ym o d l n i l c 定义了d s p 各个模块的初始化函数和驱动函数 d yp r o f u n c c 定义了保护动作的处理函数 d y _ t a s k f u n c c定义了四个任务函数 d y _ - m a i n cm a n ( ) 函数中完成对各个模块、全局变量以及u c o s 的初始化 2 4 本章小结 首先介绍了下位机装置的硬件构成及其原理，然后详细地阐述了本文对原微机线路保护 装置所做的改进，包括对某些硬件部分的改进，对原有设计中存在的错误进行纠正，最后对 源码结构进行了改进。 第三章i s a 3 0 0c a n 网保护测拧通信规约介绍 第三章i s a 3 0 0c a n 网通信规约介绍 3 1i s a 3 0 0c a n 网通信规约简介 i s a 3 0 0c a n 网通信规约在物理层、数据链路层和应用层做了规定。具体内容包括： ( 1 ) 报文有多种，由特征码定义报文的类型； ( 2 ) 报文最大长度为5 1 2 个字节，录波数据除外； ( 3 ) 报文由固定长度的报文头和可变长度的报文体组成； ( 4 ) 定值类型码，测量值类型码，故障类型码和遥信类型码为二个字节，相应的表为一 个字( 6 5 5 3 5 ) 的容量，表的实