基于CAN总线的微机保护测控装置的设计

1 基于 CAN 总线的微机保护测控装置的设计 王小进 赵喜军 肖文华 中国船舶重工集团公司第 712 研究所 摘要 提出了一种基于 CAN 总线的微机保护测控装置的设计方法 结合现场总线和嵌入式技术给出了微 机保护测控装置的软硬件设计 对提高变电站综合自动化水平具有重要的现实意义 关键词 CAN 微机保护 通信 任务 Design of Microprocessor Protection and Control Device Based on CAN Bus Wang Xiaojin Zhao Xijun Xiao Wenhua Abstract This paper gives a design method of microprocessor based protection and control device It also gives the hardware and software of the device in detail based on CAN bus and embedded system To improve the automation of electric system of transformer substation it is necessary and useful Keywords CAN microprocessor based protection communications task 1 引言 分层分散式结构是变电站综合自动化系统今 后发展的一个重要方向 而位于系统间隔层的微 机保护测控装置是构成这种结构的最基本的单元 微机保护测控装置集状态监视 数据采集和实时 保护功能于一体 是整个自动化系统工作的基础 因此对变电站测控保护单元通信的实时性 可靠 性 灵活性提出了更高的要求 CAN Controller Area Network 总线 又称 控制器局域网 是一种有效支持分布控制或实时 控制的串行通信网络 其具有以下的特性 1 CAN 为多主方式工作 网络上的节点信息分成不 同的优先级 可以满足不同的实时要求 2 CAN 采用非破坏总线仲裁技术 当多个节点同时向总 线发送信息时 优先级较低的节点会主动的退出 发送 而最高优先级的节点可不受影响的继续传 输数据 3 CAN 只需通过报文滤波即可实现点 对点 一点对多点及全局广播等几种方式传送接 收数据 4 CAN 直接通信距离最远可达 10km 传输率 5kb s 以下 通信速率最高可达 1Mb s 此时通信距离最长为 40m 5 CAN 总 线通信格式采用短帧格式 每帧字节最多为 8 个 2 可满足变电站控制命令 工作状态及测试数据的 要求 同时 8B 也不会占用过长的总线时间 从 而保证了通信的实时性 6 CAN 的每帧信息都 有 CRC 检验及其他检错措施 每帧信息出错率极 低 适合在变电站这种高电压 大电流 强电磁 波的恶劣环境下工作 7 CAN 的通信介质可为 双绞线 同轴电缆或光纤 选择灵活 8 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 以使总线上其他节点的操作不受影响 鉴于 CAN 总线的优良性能 将 CAN 总线技 术引入变电站综合自动化系统中 是势在必行的 因此 本文提出一种基于 CAN 总线的微机保护测 控装置 给出了装置的硬件和软件设计 2 微机保护测控装置的硬件平台 硬件构成框图如图 1 所示 2 1 模拟量 互感器模块 微机保护测控装置的模拟量 互感器模块是交 流采样插件 采用小型精密电流电压互感器 图 1 微机保护测控装置硬件构成框图 包括对电流 电压模拟量隔离核调整 2 2 继电器板 该装置由分 合继电器 保持继电器 信号继 电器组成 本装置的继电器板分两种 一种具有防 跳功能 装置内部有防跳继电器 可取代老式微机 保护所用的外部防跳操作箱 并予留有外接分合闸 及就地 遥控切换功能 一种不带有防跳继电器 以 满足很多自带防跃功能的断路器使用 信号继电器 之一用于装置故障告警 由该信号继电器的常闭触点 控制整个跳合闸出口的正电源 一旦 CPU发现有装 置 故障 闭锁所有跳合闸出口 即不允许装置带故障运 行于跳闸 2 3 主板 主板由单片机 选用 32 位单片机 型号为 AT91M40800 现场可编程器件 高精度 A D 采 样器件合多路开关 选用 MAX125CEAX 光电 3 隔离输入输出接口 定值存储器 跳合闸逻辑电 路 一阶有源低通滤波器和高精度运算放大器 选用 OP497 电流限幅保护 模拟通道接口 硬件看门狗 光电隔离通信接口等组成 2 4 键盘 显示模块 装置前面板有以下四部分组成 1 240 128 大屏幕图形液晶显示器LCD 用于 显示操作菜单 各种运行数据 参数 波形及状态 2 7 个LED 工作状态指示灯 分别为 运行 通讯 分闸 合闸 告警 故障 及控制回路断线 3 8 个操作控钮 分别为 合闸 分闸 方向 键 确认 取消 4 一个 3 位锁 用于设置本装置以下 3 种工 作模式 遥控 本地和设置 2 5 通信接口模块 硬件平台设置了现场总线 CAN 接口 作为用 本装置构成变电站综合自动化系统时的控制网络 接口 另外还有调试用的 RS232 串行接口 CAN 控制器与现场总线之间加有光电隔离环 节 提高通信的抗干扰能力 使得多个通信模块 能组成一个独立的通信网络 而与其他电路没有 任何电气连接 提高可靠性 2 6 抗干扰措施 在硬件设计上 采用了如下抗干扰措施 1 电源滤波 旁路 退耦电容 辅助变流器 变压器电屏蔽 光电隔离 弱电系统浮地 强弱 电信号走线分离 磁屏蔽 单点接地 双绞线 PCB 板内合理分块布线等措施 2 提高敏感设备的电磁敏感度 去耦电容 多层印制板 电磁波屏蔽 逻辑与 5V 系统总线不外引 各 CPU间通讯采用双绞线等措施 3 机箱采用防锈铝板 采用2 5mm 的薄板 成形后再作导电氧化处理 机箱前后两面开口 其余各面用型材料螺钉安装而成 组装容易 接 缝严密 可防止孔缝泄漏 接地良好 装置就能 顺利通过静电放电干扰试验和工频磁场干扰试验 4 在主板上设计有一级 WATCHDOG 这样 当程序受到干扰飞掉时 可以由 WATCHDOG 对 CPU 进行复位 重新运行程序 5 各电路印制板与主板之间安装和取出方便 印制板的屏蔽和间距良好的解决了电磁干扰问题 3 CAN 通信的硬件设计 CAN 属于现场总线的范畴 是一种有效支持 分布式控制或实时控制的串行通信网络 其协议 4 是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础 上的 其模型结构只有 3 层 只取 OSI 底层的物 理层 数据链路层和顶层的应用层 其信号传输 介质为双绞线 通信速率最高可达 1Mb s 40m 直接传输距离最远可达 10Km 5b s 可挂接设备 最多可达 110 个 CAN 通信模块的硬件电路主要包括 CAN 通信控制器与微处理器之间 以及 CAN 总线收发 器与物理总线之间的接口电路 电路设计如图 2 所示 用 Philips 独立 CAN 控制器 SJA1000 作为 通信控制器 使用 Philips 的 82C251 作为 CAN 控 制器接口芯片 为了增强 CAN 总线节点的抗干扰 能力 SJA1000 的 TX0 和 RX0 通过采用高速光耦 6N137 实现收发器与控制器之间的电气隔离 满 足在最高速率 1Mb s 下的电气响应 图 2 CAN 通信接口电路 4 微机保护测控装置的软件设计 微机保护测控装置为了变电站综合自动化系 统对测量的准确性 动作的可靠性 安全性 实 时性等高要求 软件采用了嵌入式实时操作系统 的设计思想 该设计思想的核心就是将保护 测 量 通讯 显示等功能划分为优先级不同的任务 并按照任务优先级的不同来决定执行任务的次序 本装置采用嵌入式操作系统 uC OS II 该操作系 统具有易移性 多任务 高稳定性和可靠性 适 合小系统开发等特点 根据装置的功能可以划分为以下几个任务 A D 采样任务 通讯任务 保护任务 计量任务 键盘响应任务 液晶显示任务等 主要任务的优 先级分配如下 5 图 3 CAN 通信程序框图 1 保护任务 处于最高级别类的任务 电流 保护和电压保护的判断 2 显示任务 处于最低级别类的任务 LCD 的显示和 LED 的显示 3 测量任务 较高优先级的任务 完成测量 计算的功能 4 通讯任务 较高优先级任务 完成与上位 机的通讯 对实时性要求很高的任务 采用中断方式实现 这些任务的优先级以上顺序排列 他们从等 待态到就绪态的状态转换由时钟设定 其它状态 转换则由 uC OS II 任务调度算法程序完成 CAN 通信程序功能框图如图 3 所示 5 结论 基于本文设计方法的微机保护测控装置实现 了对变电站测控保护单元通信的实时性 可靠性 灵活性等要求 CAN 现场总线技术和嵌入式技术 在变电站综合自动化领域的应用 将大大促进变 电站综合自动化的进程 参