摘? 要: 介紹了一種基于CAN總線的中壓配電網(wǎng)戶外柱上型智能重合控制器,以16位工業(yè)級微控制器" title="微控制器">微控制器Intel 87C196KC為核心,應(yīng)用現(xiàn)場總線和智能化技術(shù)將保護(hù)、測量、控制、計量、遠(yuǎn)動和故障診斷等綜合自動化" title="綜合自動化">綜合自動化與配電自動化" title="配電自動化">配電自動化功能就地分散到戶外開關(guān)設(shè)備本體上,采用CAN總線作為系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了配電設(shè)備的戶外全分布式方案。

　　關(guān)鍵詞: 配電網(wǎng)? 現(xiàn)場總線? 智能重合器? Intel 87C196KC

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　　我國" title="我國">我國供電部門近幾年來在城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造中進(jìn)行了大量的技術(shù)改造和更新,選用了新型的配電設(shè)備、綜合自動化和調(diào)度自動化設(shè)備、自動控制測量裝置等,但這些設(shè)備目前大多數(shù)僅限于在變電站和調(diào)度室中采用。而大量的統(tǒng)計資料表明,配電網(wǎng)中戶外的配電線路是事故的發(fā)源點(diǎn),電網(wǎng)中95%的故障發(fā)生在配電網(wǎng),其中90%的故障屬于瞬時故障。因此,花費(fèi)大量人力和資金從事變電站綜合自動化和調(diào)度自動化產(chǎn)品的開發(fā)與推廣,并不能解決配電網(wǎng)事故處理的根本問題,而實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化則更具有實用價值。

　　自動重合器是實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化的重要設(shè)備。目前國內(nèi)應(yīng)用最多的主要有三種型號,即英國Relly公司的ESR 型集成電路控制重合器、英國Brush公司的PMR 型微機(jī)控制重合器和美國Cooper公司的KFE 型集成電路控制重合器。所有進(jìn)口自動重合器的開關(guān)本體均采用高壓合閘線圈,直接從中壓線路獲取合閘電源,延時和安秒特性為液壓方式。我國從二十世紀(jì)80年代末開始引進(jìn)自動重合器,90年代開始仿制。由于生產(chǎn)設(shè)備與工藝方面的問題,我國一直受到高壓合閘線圈與液壓部件的國產(chǎn)化與維修工作的困擾,因此仿制的重合器都沒有采用高壓合閘線圈與液壓部件,大多采用集成電路或8位微機(jī)控制電路。另一方面,進(jìn)口重合器對接地故障的處理方式也不符合我國國情,同時又無法與我國大量的綜合自動化與調(diào)度自動化系統(tǒng)" title="自動化系統(tǒng)">自動化系統(tǒng)配合,重復(fù)投資現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

　　本文介紹的戶外柱上型智能重合控制器,擯棄了仿制進(jìn)口重合器的電子控制電路的老路,而是以工業(yè)級16位微控制器 Intel 87C196KC-20以及CPLD器件為主,采用微機(jī)智能控制技術(shù)、先進(jìn)的頻率自適應(yīng)同步快速交流采樣算法(每周波24點(diǎn))、高性能現(xiàn)場總線通訊技術(shù),集測量、控制、保護(hù)、通訊、遠(yuǎn)動和自生電源裝置以及紅外/無線遙控裝置于一體,用軟件實現(xiàn)各種繼電保護(hù)、配電自動化等復(fù)雜功能,省去昂貴的變送器、表計及遠(yuǎn)動裝置,不僅完全實現(xiàn)了進(jìn)口自動重合器的各項功能,而且還具有進(jìn)口自動重合器所不具備的在線檢測、診斷與綜合自動化功能。作者等人力圖將大量已經(jīng)投運(yùn)的國產(chǎn)普通的SF6真空斷路器改造成“智能斷路器”,以代替價格昂貴的進(jìn)口自動重合器,從而大幅度降低城鄉(xiāng)配電網(wǎng)自動化改造與建設(shè)工程的成本,縮短施工周期。

1 重合器在配電網(wǎng)中的作用

　　配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)分為輻射系統(tǒng)和環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)兩種。線路分段加環(huán)網(wǎng)是我國配電自動化的必走之路。自動重合器主要用于配電變電所的出線開關(guān)與自動配電開關(guān)或分段器相配合,以實現(xiàn)故障點(diǎn)自動隔離、自動恢復(fù)等配電自動化功能。

重合器與普通繼電保護(hù)裝置、綜合自動化系統(tǒng)相比較,具有以下不同之處:

　　(1)要求在戶外柱上安裝,運(yùn)行環(huán)境惡劣,可靠性要求更高；

　　(2)具有0～3次自動重合功能；

　　(3)具有多條快慢特性的反時限動作曲線可以選用；

　　(4)每次分?jǐn)嗫梢杂胁煌目炻匦韵嗯浜希?/P>

　　(5)典型的“分-t1-合分-t2-合分-t3-合分-復(fù)歸”自動工作循環(huán)；

　　(6)具有操作電源與紅外/無線遙控操作功能。

　　由此可見,重合控制器的功能高于一般繼電保護(hù)和綜合自動化的功能,更有利于實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化。

2 智能重合控制器的設(shè)計

2.1 重合控制器結(jié)構(gòu)

　　智能重合控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由微控制器MCU基本系統(tǒng)、采集控制邏輯、模擬信號處理、開關(guān)量輸入/輸出處理、系統(tǒng)監(jiān)測與保護(hù)、實時時鐘、信號輸入/輸出回路、CAN總線通訊接口組成?；鞠到y(tǒng)中MCU選用 Intel 87C196KC-20,這是由于其運(yùn)算速度快(每時鐘周期0.1μs)、實時處理能力強(qiáng)(HSI,HSO,PTS)、內(nèi)置488B RAM、無寄存器瓶頸,程序可固化于片內(nèi)16KB EPROM(OTP)。另外擴(kuò)展一片X25043芯片,其內(nèi)部將Watchdog定時器、上電復(fù)位控制器與512B E2PROM(作為保護(hù)整定值運(yùn)行參數(shù)存儲器)集成在單個芯片內(nèi)(DIP 8)。為記錄故障發(fā)生前后波形,外擴(kuò)一片RAM 62C256(32KB)存儲錄波數(shù)據(jù)。MAX197A為單電源(+5V)、多量程(5V、10V、±5V、±10V)、8路輸入、帶內(nèi)部采樣/保持、時鐘、基準(zhǔn)電壓的信號采集系統(tǒng),轉(zhuǎn)換時間6.0μs,整體達(dá)100kbps采樣速率。

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　　為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力,智能重合控制器的所有數(shù)字邏輯的處理全部集成在可編程邏輯陣列中。為了使該控制器能在惡劣的電磁環(huán)境下可靠地工作,除了使電路設(shè)計、器件選擇、布線布局、屏蔽隔離等環(huán)節(jié)盡可能完善外,本系統(tǒng)還隨時對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,以確保意外故障發(fā)生時不誤操作和丟失數(shù)據(jù)。

2.2 信號輸入/輸出回路

　　輸入信號由電流互感器CT和電壓互感器PT來實現(xiàn),一般為額定交流電流5A(或1A)和額定交流電壓100V。超過微機(jī)的信號輸入范圍,必須進(jìn)行二次變換,一般用有源霍爾傳感器或無源磁環(huán)傳感器來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)故障錄波與有功、無功功率計算等功能,需直接交流采樣。而且只需對電流、電壓信號進(jìn)行變換與采集,就可以計算出其它電力參數(shù)。由于電流測量與電流保護(hù)信號取自不同的CT,其精度范圍與精度等級不同,需采用各自的二次變換器,從不同的A/D通道送入微機(jī),這樣做既保證了正常測量時的精度,又保證了故障時信號不飽和失真。由于微機(jī)對所有信號巡回檢測,通道之間必然存在延遲,為保證功率計算準(zhǔn)確,必須保持同一瞬時的電流電壓值,因此采用四個采樣/保持器。另外,在小電流接地系統(tǒng)中,從零序CT來的電流信號極小,故由測量傳感器檢測,并且其線圈多繞幾圈,這樣可以保證對毫安級電流信號的反映能力。對農(nóng)網(wǎng)10kV架空線,由于無零序CT,其零序電流需由三相電流計算得出。

　　測控保護(hù)單元的輸出信號主要是跳合閘出口命令,一般是用MCU通過輸出鎖存器控制驅(qū)動電路,使相應(yīng)的中間快速繼電器動作。實際應(yīng)用中為防止誤動作(一般是上電復(fù)位時和外部電磁場干擾),常用輸出鎖存器的幾位組成特定的密碼啟動光電隔離與驅(qū)動電路,從而使出口繼電器可靠動作。實用中還要在軟件中設(shè)置強(qiáng)電保護(hù)功能,以防止操作機(jī)構(gòu)卡死而引起開關(guān)跳合閘線圈燒毀以及出口繼電器觸點(diǎn)損壞。

2.3? Watchdog 抗干擾電路

　　為提高控制器的抗干擾能力,電氣電路采用多級隔離,并設(shè)二級 Watchdog 電路。第一級為 MCU 內(nèi)置 WDT 電路,可以防止程序偶爾鎖死,在MCU本身正常的情況下,自動恢復(fù)工作。第二級為 X25043P 提供的外置 WDT 電路,在第一級失效時(尤其是 MCU 本身已經(jīng)損壞的情況下)強(qiáng)行復(fù)位,并封鎖輸出電路,保證在 MCU 發(fā)生故障時開關(guān)不會誤動作。

3 系統(tǒng)組成與功能

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文介紹的戶外柱上型智能重合控制器,將功能強(qiáng)大的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與全數(shù)字化微機(jī)保護(hù)測控技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合起來,采用CAN 總線作為連接各重合器與監(jiān)控主機(jī)的通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成全分布式結(jié)構(gòu)。CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò),通信采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個,因而傳輸時間短、數(shù)據(jù)出錯率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯誤時,具有自動關(guān)閉功能,以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系,使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此,與一般的通信總線相比,其數(shù)據(jù)通信具有更高的可靠性、實時性和靈活性。

　　我們研制的基于智能重合控制器的全戶外式配電站自動化系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信適配卡、前端智能重合控制器、專用Modem和相關(guān)軟件組成。與綜合自動化系統(tǒng)相比較,省去了交直流電源屏、繼電保護(hù)屏、計量屏等設(shè)備。監(jiān)控主機(jī)與通信適配卡密封于戶外箱中,重合控制器分散安裝在戶外斷路器中密封電壓互感器PT和 電流互感器CT的端子箱內(nèi)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)由智能重合控制器和CAN總線接口電路組成。智能重合控制器以16位工業(yè)級單片機(jī)Intel 87C196KC為核心,負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和報警,CAN總線接口電路中的CAN控制器主要用于系統(tǒng)的通信,CAN收發(fā)器用于增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動能力。

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3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信

　　本系統(tǒng)選用CAN現(xiàn)場總線構(gòu)成控制局域網(wǎng)絡(luò),采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)。CAN總線部分由智能PCI-CAN總線通訊適配卡、通信介質(zhì)和相應(yīng)通信軟件組成。CAN總線通訊適配卡上帶有高速雙端口RAM,直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間,實現(xiàn)CAN與主機(jī)PC的高速數(shù)據(jù)交換?？ㄉ细咝阅艿那度胧轿⑻幚砥?7C592極大地減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān),可以完成復(fù)雜的通信任務(wù)。另外,PCI-CAN通訊卡上帶有光電隔離,使其避免由于接地環(huán)流而導(dǎo)致?lián)p壞,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

　　智能重合控制器的通信功能由CAN通信控制器SJA1000完成,它具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部特性,通過簡單連接即可完成CAN總線協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能,應(yīng)用層的功能則由微控制器完成。CAN收發(fā)器選用PCA 82C250芯片,它可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能,實現(xiàn)重合控制器與監(jiān)控主機(jī)間的多主通信。CAN總線通信連接圖如圖3所示。

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3.3 故障診斷

　　重合控制器內(nèi)部實現(xiàn)的在線診斷,主要是用于對一些嚴(yán)重故障的快速反應(yīng)(如跳閘)。其它的復(fù)雜的診斷用于對上位主機(jī)定時收到的各智能單元上傳的各類參數(shù)進(jìn)行離線分析,用以消除隱患。故障診斷系統(tǒng)框圖如圖4所示。

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4 應(yīng)用與結(jié)論

　　本智能重合控制器是與湖南省某農(nóng)電開關(guān)廠的普通SF6真空斷路器配套的產(chǎn)品,已在全國六個省市的城市、大型企業(yè)和農(nóng)村電網(wǎng)成功投運(yùn)100多套,并經(jīng)受了長達(dá)三年的運(yùn)行考驗,其性能指標(biāo)完全達(dá)到了國外進(jìn)口同類產(chǎn)品的水平。除能實現(xiàn)進(jìn)口重合器的功能外,還集控制、測量、保護(hù)、通訊和遠(yuǎn)動于一體,具有在線監(jiān)測與綜合自動化功能。實現(xiàn)了計算周期為24點(diǎn)/周波的電網(wǎng)頻率同步交流采樣快速算法,能連續(xù)實時地計算電流、電壓、有功與無功功率以及分時電度的計算等,實現(xiàn)了配電網(wǎng)參數(shù)的高精度實時測量。本智能重合控制器采用全戶外柱上懸掛式,節(jié)省了90%的二次電纜,實現(xiàn)了戶外惡劣環(huán)境下76.8k波特率、1200米的站內(nèi)現(xiàn)場高速通訊?？刂破鬈浖€實現(xiàn)了“分—t1—合分—t2—合分—t3—合分—復(fù)歸”的典型重合器特性,四次分?jǐn)嗫扇我庠O(shè)定為定時限或反時限。

　　按這種基于CAN總線的全分布式系統(tǒng)方案來建設(shè)全戶外農(nóng)村小型化變電站，具有占地少、投資省、建設(shè)周期短、維護(hù)費(fèi)用少、易于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn);同時由于值班人員能對變電所各出線的實時負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測和控制,可使電網(wǎng)在不增加新的投資條件下多供電;各出線的智能斷路器操作更及時,能自動隔離故障,恢復(fù)供電,有效地減少停電時間。

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