摘要：介绍了一种基于CAN总线的中压配电网户外柱上型智能重合控制器,以16位工业级微控制器Intel 87C196KC为核心,应用现场总线和智能化技术将保护、测量、检测、计量、远动和故障诊断等综合自动化功能就地分散到户外开关设备本体上,采用CAN总线作为系统的通信网络,实现了配电设备的户外全分布式方案。

    关键词：配电网 现场总线 智能重合器 Intel 87C196KC

我国供电部分近几年来在城乡电网建设与改造中进行了大量的技术改造和更新,选用了新形的配电设备、综合自动化和调度自动化设备、自动控制测量装置等,但这些设备目前大多数仅限于在变电站和调度室中采用。而大量的统计资料表明,配电网中户外的配电线路是事故的发源点,电网中95%的故障发生在配电网,其中90%的故障属于瞬时故障。因此,花费大量人力和资金从事变电站综合自动化和调度自动化产品的开发与推广,并不能解决配电网事故处理的根本问题,而实现配电网自动化则更具有实用价值。

自动重合器是实现配电网自动化的重要设备。目前国内应用最多的主要有三种型号,即英国Relly公司的ESR型集成电路控制重合器、英国Brush公司的PMR型微机控制重合器和美国Cooper公司的KFE型集成电路控制重合器。所有进口自动重合器的开关本体均采用高压合闸线圈,直接从中压线路获取合闸电源,延时和安秒特性为液压方式。我国从二十世纪80年代末开始引进自动重合器,90年代开始仿制。由于生产设备与工艺方面的问题,我国一直受到高压合闸线圈与液压部件的国产化与维修工作的困扰,因此仿制的衙合器都没有采用高压合闸线圈与液压部件,大多采用集成电路或8位微机控制电路。另一方面,进口重合器对接地故障的处理也不符合我国国情,同时又无法与我国大量的综合自动化与调度自动化系统配合,重复投资现象十分严重。

    本文介绍的户外柱上型智能重合控制,摈弃了仿制进口重合器的电子控制电路的老路,而是以工业级16位微控制器Intel 87C196KC-20以及CPLD器件为主,采用微机智能控制技术、先进的频率自适应同步快速交流采样算法（每周波24点）、高性能现场总线通信技术,集测量、控制、保护、通讯、远动和自生电源装置以及红外/无线遥控置于一体,用软件实现种继电保护、配电自动化等复杂功能,省去昂贵的变送器、表计及远动装置,不仅完全实现了进口自动重合器的各项功能,而且还具有进口自动重合器所不具备的在线检测、诊断与综合自动化功能。作者等人力图将大量已经投运的国产普通的SF6真空断路器改造成“智能断路器”,以代替价格昂贵的进口自动重合器,从而大幅度降低城乡配电网自动化改造与建设工程的成本,缩短施工周期。

1 重合器在配电网中的作用

配电网的基本结构分为辐射系统和环网系统两种。线路分段加环网是我国配电自动化的必走之路。自动重合器主要用于配电变电所的出线开关与自动配电开关或分段器相配合,以实现故障点自动隔离、自动恢复等配电自动化功能。

重合器与普通继电保护装置、综合自动化系统相比较,具有以下不同之处：

（1）要求在户外柱上安装,运行环境恶劣,可靠性要求更高;

（2）具有0～3次自动重合功能;

（3）具有多条快慢特性的反时限动作曲线可以选用;

（4）每次分断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-复归”自动工作循环;

（6）具有操作电源与红外/无线遥控操作功能。

由此可见,重合控制器的功能高于一般继电保护和综合自动化的功能,更有利于实际配电网自动化。

2 智能重合控制器的设计

2.1 重合控制器结构

智能重合控制器的硬件结构如图1所示,主要由微控制器MCU基本系统、采集控制逻辑、模拟信号处理、开关量输入/输出处理、系统监测与保护、实时时钟、信号输入/输出回路、CAN总线通讯接口组成。基本系统中MCU选用Intel 87C196KC-20,这是由于其运算速度快（每时钟周期0.1μs）、实时处理能力强（HIS,HSO,PTS）、内置488B RAM、无寄存器瓶颈,程序可固化于片内16KB EPROM（OTP）。另外扩展一片X25043芯片,其内部将Watchdog定时器、上电复位控制器与512B E2PROM（作为保护整定值运行参数存储器）集成在单个芯片内（DIP 8）。为记录故障发生前后波形,外扩一片RAM 62C256（32KB）存储录波数据。MAX197A为单电源（+5V）、多量程（5V、10V、±5V、±10V）、8路输入、带内部采样/保持、时钟、基准电压的信号采集系统,转换时间6.0μs,整体达100kbps采样速率。

为了提高系统的可靠性和抗干扰能力,智能重合控制的所有数字逻辑的处理全部集成在可编程逻辑阵列中。为了使该控制器能在恶劣的电磁环境下可靠地工作,除了使电路设计、器件选择、布线布局、屏蔽隔离等环节尽可能完善外,本系统还随时对其运行状态进行监测,以确保意外故障发生时不误操作和丢失数据。

2.2 信号输入/输出回路

输入信号由电流互感器CT和电压互感器PT来实现,一般为额定交流电流5A(或1A)和额定交流电压100V。超过微机的信号输入范围,必须进行二次变换,一般用有源霍尔传感器或无源磁环传感器来实现。为了实现故障录波与有功、无功功率计算等功能,需直接交流采样。而且只需对电流、电压信号进行变换与采集,就可以计算出其它电力参数。由于电流测量与电流保护信号取自不同的CT,其精度范围与精度等级不同,需采用各自的二次变换器,从不同的A/D通道送入微机,这样做既保证了正常测量对的精度,又保证了故障时信号不饱和失真。由于微机对所有信号巡回检测,通道之间必然存在延迟,为保证功率计算准确,必须保持同一瞬时的电流电压值,因此采用四个采样/保持器。另外,在小电流接地系统中,从零序CT来的电流信号极小,故由测量传感器检测,并且其线圈多绕几圈,这样可以保证对毫安安级电流信号的反映能力。对网10kV架空线,由于无零序CT,其零序电流需由三相电流计算得出。

测控保护单元的输出信号主要是跳合闸出口命令,一般是用MCU通过输出锁存器控制驱动电路,使相应的中间快速继电器动作。实际应用中为防止误动作（一般是上电复位时和外部电磁场干扰）,常用输出锁存器的几位组成特定的密码启动光电隔离与驱动电路,从而使出口继电器可靠动作。实用中还要在软件中设置强电保护功能,以防止操作机构卡死而引起开关跳合闸线圈绕毁以及出口继电器触点损坏。

2.3 Watchdog抗干扰电路

为提高控制器的抗干扰能力,电气电路采样多级隔离,并设二级Watchdog电路。第一级为MCU内置WDT电路,可以防止程序偶尔锁死,在MCU本身正常的情况下,自动恢复工作。第二级为X25043P提供的外置WDT电路,在第一级失效时（尤其是MCU本身已经损坏的情况下）强行复位,并封锁输出电路,保证在MCU发生故障时开关不会误动作。

3 系统组成与功能

3.1 系统结构

本文介绍的户外柱上型智能重合控制器,将功能强大的微机监控系统与全数字化微机保护测控技术、现场总线技术结合起来,采用CAN总线作为连接各重合器与监控主机的通信网络,构成全分布式结构。CAN总线属于总线式串行通信网络,通信采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短、数据出错率低。当节点严重错误时,具有自动关闭功能,以切断该节点与总线的联系,使总线上的其它节点及其通信不受影响,具有较强的抗干扰能力。因此,与一般的通信总线相比,其数据通信具有更高的可靠性、实时性和灵活性。

我们研制的基于智能重合控制器的全户外式配电站自动化系统如图2所示。系统由监控主机、CAN总线网络通信适配卡、前端智能重合控制器、专用Modem和相关软件组成。与综合自动化系统相比较,省去了交直流电源屏、继电保护屏、计量屏等设备。监控主机与通信适配卡密封于户外箱中,重合控制器分散安装在户外断路器中密封电压互感器PT和电流互感器CT的端子箱内。系统网络中的第一个节点由智能重合控制器和CAN总线接口电路组成。智能重合控制器以16位工业级单片机Intel 87C196KC为核心,负责对现场设备进行数据采集、处理、显示和报警,CAN总线接口电路中的CAN控制器主要用于系统的通信,CAN收发器用于增强系统的驱动能力。

3.2 系统网络通信

本系统选用CAN现场总线构成控制局域网络,采用双绞线作为传输介质。CAN总线部分由智能PCI-CAN总线通讯适配卡、通信介质和相应通信软件组成。CAN总线通信适配卡上带有高速双端口RAM,直接映身到主机内存空间,实现CAN与主机PC的高速数据交换。卡上高性能的嵌入式微处理器87C592极大的减轻了主机的负担,可以完成复杂的通信任务。另外,PCI-CAN通讯卡上带有光电隔离,使其避免由于接地环流而导致损坏,增强了系统的可靠性。

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协议所要求的全部特性,通过简单连接即完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的所有功能,应用层的功能则由微控制器完成。CAN收发器选用PCA 82C250芯片,它可以提供对总线的差动发送和接收功能,实现重合控制器与监控主机间的多主通信。CAN总线通信连接图如图3所示。

3.3 故障诊断

重合控制内部实现在线诊断,主要是用于对一些严重故障的快速反应（如跳闸）。其它的复杂的诊断用于对上位主机定时收到的各智能单元上传的各类参数进行离线分析,用以消除隐串。故障诊断系统框图如图4所示。

4 应用与结论

本智能重合控制器是湖南省某农电开关厂的普通SF6真空断路器配套的产品,已在全国六个省市的城市、大型企业和农村电网成功投运100多套,并经受了长达三年的运行考验,其性能指标完全达到了国外进口同类产品的水平。除能实现进口重合器的功能外,还集控制、测量、保护、通信和远动于一体,具有在线监测与综合自动化功能。实现计算周期为24点/周波的电网频率同步交流采样快速算法,能连续实时地计算电流、电压、有功与无功功率以及分时电度的计算等,实现了配电网参数的高精度实时测量。本智能重合控制器采用全户外柱上悬挂式,节省了90%的二次电缆,实现了户外恶劣环境下76.8k波特率、1200米的站内现场高速通讯。控制器软件还实现了“分-t1-合 分-t2-合 分-t3-合 分-复归”的典型复合器特性,四次分断可任意设定为定时限或反时限。

按这种基于CAN总线的全分布式系统方案来建设全户外农村小型化变电站,具有占地少、投资省、建设周期短、维护费用少、易于扩充等优点：同时由于值班人员能对变电所各出线的实时负荷进行监测和控制,可使电网在不增加新的能自动隔离故障,恢复供电,有效地减少停电时间。