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,應用現(xiàn)場總線和智能化技術將保護、測量、控制、計量、遠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設備本體上,采用CAN總線作為系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡,實現(xiàn)了配電設備的戶外全分布式方案。
關鍵詞: 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)建設與改造中進行了大量的技術改造和更新,選用了新型的配電設備、綜合自動化和調(diào)度自動化設備、自動控制測量裝置等,但這些設備目前大多數(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,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)自動化的重要設備。目前國內(nèi)應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。所有進口自動重合器的開關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80年代末開始引進自動重合器,90年代開始仿制。由于生產(chǎn)設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位微機控制電路。另一方面,進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,重復投資現(xiàn)象十分嚴重。
本文介紹的戶外柱上型智能重合控制器,擯棄了仿制進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,采用微機智能控制技術、先進的頻率自適應同步快速交流采樣算法(每周波24點)、高性能現(xiàn)場總線通訊技術,集測量、控制、保護、通訊、遠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、配電自動化等復雜功能,省去昂貴的變送器、表計及遠動裝置,不僅完全實現(xiàn)了進口自動重合器的各項功能,而且還具有進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)的基本結構分為輻射系統(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與自動配電開關或分段器相配合,以實現(xiàn)故障點自動隔離、自動恢復等配電自動化功能。
重合器與普通繼電保護裝置、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)每次分斷可以有不同的快慢特性相配合；
(5)典型的“分-t1-合分-t2-合分-t3-合分-復歸”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計
2.1 重合控制器結構
智能重合控制器的硬件結構如圖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、開關量輸入/輸出處理、系統(tǒng)監(jiān)測與保護、實時時鐘、信號輸入/輸出回路、CAN總線通訊接口組成。基本系統(tǒng)中MCU選用 Intel 87C196KC-20,這是由于其運算速度快(每時鐘周期0.1μs)、實時處理能力強(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)。另外擴展一片X25043芯片,其內(nèi)部將Watchdog定時器、上電復位控制器與512B E2PROM(作為保護整定值運行參數(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、基準電壓的信號采集系統(tǒng),轉(zhuǎn)換時間6.0μs,整體達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)還隨時對其運行狀態(tài)進行監(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。超過微機的信號輸入范圍,必須進行二次變換,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,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,使相應的中間快速繼電器動作。實際應用中為防止誤動作(一般是上電復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置強電保護功能,以防止操作機構卡死而引起開關跳合閘線圈燒毀以及出口繼電器觸點損壞。
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)強行復位,并封鎖輸出電路,保證在 MCU 發(fā)生故障時開關不會誤動作。
3 系統(tǒng)組成與功能
3.1系統(tǒng)結構
本文介紹的戶外柱上型智能重合控制器,將功能強大的微機監(jiān)控系統(tǒng)與全數(shù)字化微機保護測控技術、現(xiàn)場總線技術結合起來,采用CAN 總線作為連接各重合器與監(jiān)控主機的通信網(wǎng)絡，構成全分布式結構。CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡,通信采用短幀結構,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。當節(jié)點嚴重錯誤時,具有自動關閉功能,以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系,使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響,具有較強的抗干擾能力。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、CAN總線網(wǎng)絡通信適配卡、前端智能重合控制器、專用Modem和相關軟件組成。與綜合自動化系統(tǒng)相比較,省去了交直流電源屏、繼電保護屏、計量屏等設備。監(jiān)控主機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)絡中的每一個節(jié)點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Intel 87C196KC為核心,負責對現(xiàn)場設備進行數(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)器用于增強系統(tǒng)的驅(qū)動能力。
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3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡通信
本系統(tǒng)選用CAN現(xiàn)場總線構成控制局域網(wǎng)絡,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,直接映射到主機內(nèi)存空間,實現(xiàn)CAN與主機PC的高速數(shù)據(jù)交換?？ㄉ细咝阅艿那度胧轿⑻幚砥?7C592極大地減輕了主機的負擔,可以完成復雜的通信任務。另外,PCI-CAN通訊卡上帶有光電隔離,使其避免由于接地環(huán)流而導致?lián)p壞,增強了系統(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重故障的快速反應(如跳閘)。其它的復雜的診斷用于對上位主機定時收到的各智能單元上傳的各類參數(shù)進行離線分析,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 應用與結論
本智能重合控制器是與湖南省某農(nóng)電開關廠的普通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100多套,并經(jīng)受了長達三年的運行考驗,其性能指標完全達到了國外進口同類產(chǎn)品的水平。除能實現(xiàn)進口重合器的功能外,還集控制、測量、保護、通訊和遠動于一體,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/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。控制器軟件還實現(xiàn)了“分—t1—合分—t2—合分—t3—合分—復歸”的典型重合器特性,四次分斷可任意設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)方案來建設全戶外農(nóng)村小型化變電站，具有占地少、投資省、建設周期短、維護費用少、易于擴充等優(yōu)點;同時由于值班人員能對變電所各出線的實時負荷進行監(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,恢復供電,有效地減少停電時間。
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參考文獻
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