CAN通信接口設備在 微電網微機保護中的應用

袁 青 汪小平

（安徽工業大學電氣信息學院，安徽 馬鞍山 243000）

微電網由太陽能、風能等可再生能源組成，運行模式分為并網及孤島模式,并網模式下微電網和傳統電網操作相當，只是將微電源看作大電網的一個可控負載。在孤島模式下微電源工作需要相互協調以達到系統穩定狀態。在電網保護中如何確認故障類型以及確定故障的位置是微電網保護的艱巨任務。

微機保護測控系統裝置之間的通信技術是衡量保護系統自動化先進程度的一個重要指標[1]。最初的通信技術使用的RS-485 總線，利用主從方式進行通信。可是RS-485 總線效率低、系統實時性差、通訊可靠性低、后期的維護成本高、調試復雜、傳輸距離不理想、節點少、應用不靈活，使用受到限制。現場總線技術逐步取代RS-485 總線。

CAN（Controller Area Network）總線又稱控制器局域網[2]，在20世紀90年代初的歐美得到重視。近年來的研究使CAN 總線得到了新的進展。CAN現場總線的數據具有突出的可靠性、實時性和靈活性。主要表現在CAN 為多主工作方式；CAN 總線的節點分成不同的優先級；采用非破壞性仲裁技術；報文采用短幀結構；數據出錯率很低；通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纜，選擇靈活；在錯誤嚴重的情況下節點可自動關閉輸出使總線上其他節點的操作不受影響。鑒于CAN 總線通信的優越性能，將CAN 總線技術引入微電網微機保護測控系統勢在必行。

本文提出了一種智能微電網保護方案，在傳感器的幫助下，通過檢測繼電器狀態和電網運行的參數評估故障水平。這些數據通過快速穩定的CAN 通信傳送到微電網主控制器MMC（Microgrid Master Controller），微電網的狀態特性在規定的頻率下被重復檢測，得出的數據再通過MMC 計算來控制繼電器。本文給出了微機保護測控裝置的硬件和軟件設計以及CAN 通信網絡的硬件結構和軟件設計。

1 微電網微機保護測控系統的硬件平臺

為了收集快速變化的微電網的參數，需要有一個速度快，魯棒性好的通信系統，CAN 通信協議性能可以滿足要求，使得控制器能夠及時更新系統的狀態。

1.1 微機保護硬件平臺結構

本硬件平臺結構[3]圖如圖1所示，包括控制芯片、模擬量輸入、防干擾、鍵盤顯示、通信接口。

圖1 微機保護測控系統的硬件構成

1）控制芯片

選擇TΙ 公司的32 位DSP 處理芯片TMS320F2812，主頻高達150MHz，有強大的操作能力和中斷響應能力，片內集成了豐富的外設eCAN、ADC、2 個事件管理器EVA、EVB，每個事件管理器具有2 個通用定時器、3 個比較單元、3 個捕獲單元。

2）模擬量輸入

F2812 的模數轉換器[4]ADC 具有2 個采樣保持器，具有單一或者級聯兩種轉換模式，最高轉換速率為80ns。是一個16 通道12 位分辨率、具有流水線結構的模數轉換器，精度還可以，但是仍然難以滿足微電網保護的多輸入輸出的需要。因此采用外接AD 來解決這個矛盾。外加兩片AD7656 實現12通道，16 位分辨率。實現滿足微電網保護的高精度的要求。另外，為保險起見，在輸入信號進DSP 的ADC 端口時，使用鉗位電路，防止輸入電壓過大燒壞DSP 芯片。

3）存儲器

主要包括電擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）、片內隨機存儲存取器（RAM）、片外Flash，其中EEPROM 存放的是定值，由于RAM 的掉電易失性，外加一個Flash，用來存儲程序[4]。

4）防干擾措施

主要是在輸入輸出口加上光電隔離，數字量輸入輸出以及連接CAN 總線需要通過光電耦合連接，光耦可在電路或者系統之間傳輸電信號，同時確保這些電路或者系統間彼此電絕緣。

5）人機對話接口模塊

裝置配置一個LCD 液晶顯示器，用于顯示操作菜單、各種運行數據、參數、波形及狀態。另外配備一個鍵盤，配有8 個按鈕：合閘、分閘、上下左右、確認、取消。其主要功能用于人機對話，如調試、定值調整及對機器工作狀態的干預等。

6）電源

采用開關穩壓電源或DC/DC 電源模塊，提供數字系統5V、24V、±15V 電源。+5V 電源用于計算機系統主控電源；±15V 電源用于數據采集系統、通信系統；+24V 電源用于開關量輸入、輸出、繼電器邏輯電源。

1.2 帶CAN 接口設備的微電網保護結構原理圖

圖2 微電網保護結構原理圖

該系統保護方案的微電源為太陽能、燃料電池等可再生能源，由于它們所產生的直流電經過DC/DC 變換器，再由逆變電路得到交流電，通過RLC 濾波電路得到波形較好的交流電與負載、或者經由PCC（Point of Common Coupling）與公共電網相連。每個子系統（如微電源、負載）都是由子控制器進行控制，這些子控制器再通過CAN 通信與MMC 連接，MMC 及時更新系統的動態特性再計算得到動作信息反饋回子控制器，作用于子系統。

1.3 CAN 通信網絡硬件結構

該CAN 通信網絡選擇工作電壓為3.3V 的TΙ公司的 SN65HVD231 收發器，本地控制器選擇TMS320F2812，從控制器為TMS320F28069，他們內置CAN 控制器模塊，支持1MBPS 的高速數據傳輸速率，微電網在發生故障時能快速甄別、隔離并解決故障。CAN 串口通信適用于復雜多變的工作環境，協議規范要求能應對電力系統的噪聲干擾，它的自我診斷和錯誤數據自我修復功能，使得CAN 通信適用于微電網中電力電子器件的快速變換。

2 微機保護測控系統的軟件設計

微機保護測控軟件系統除了實現保護功能以外，還應具有以下幾個功能：測量功能、控制功能、狀態監測、時間記錄、故障錄波、通信功能等等。

2.1 微機保護主程序流程圖

首先初始化開始，然后進行上電自檢，主要包括程序的自檢、定值的自檢、輸入通道的自檢、輸出回路的自檢、通信系統的自檢、工作電源的自檢、數據存儲器的自檢、程序存儲的自檢等等。自檢完成后通過框3 判斷，若不通過轉至20 框，發出告警信號并閉鎖保護，等待人工復位，若上電自檢通過，則開始數據采集工作。此時關閉保護功能，等待采集到足夠多的數據開始開放保護功能。到8 框判斷當前工作方式是調試方式還是運行方式：即處于調試方式還是運行方式，若是調試模式，則通過9 進行調試，進行通信任務處理、人機對話處理以及故障報告文件處理，然后進行自檢，若自檢通過則循環進行13～15，循環進行自檢，若自檢不通過則轉至20 框，發出告警信號并閉鎖保護，等待人工復位。若是工作在運行方式，則判別啟動標志是否置位，若置位則進入故障處理程序模塊，若未置位則啟動判據處理，而后對是否滿足啟動條件作出判斷，若不滿足到13 進行循環自檢，若滿足啟動條件則啟動標志置位，進入故障處理程序模塊，該模塊完成裝置的保護功能，是保護動作特性的核心部分。基本功能和處理步驟為：數字濾波和及特征量計算、保護判據計算及動作特性形成、邏輯與時序處理、告警與跳閘出口處理、后續動作處理，如重合閘及啟動斷路器失靈保護等、故障報告形成及整組復歸處理。其中13 通信任務處理，中的通信不是指裝置外部或者裝置內部其它部分進行信息發送和接收，而是為信息發送和接收進行數據準備：如根據保護程序其他部分的數據發送請求而收集相關數據，按通信規約進行通信信息整理和打包，并將其置于數據發送緩沖區；又如對數據緩沖區的數據進行整理、分類和任務解釋，并將其按任務類別交給相應的任務處理程序[5]。

圖3 微電網微機保護流程圖

2.2 CAN 通信系統軟件設計

CAN 通信程序主要分為三個部分，初始化、發送程序、接受程序。郵箱0 配置為發送模式，郵箱16 配置為接收模式，采用擴展信息幀格式。發送采用查詢方式，接收采用中斷方式。

1）eCAN 模塊初始化

CAN 模塊使用前必須進行初始化，初始化只有當模塊處于初始化模式下才能夠進行。初始化時選擇DSP 的CAN 控制器引腳定義、波特率的設定和收發郵箱參數等的配置。

圖4 eCAN 初始化流程

2）數據發送程序

本測試程序中先定義需要循環發送的數據，然后郵箱0 發送請求置位為CANTRS.TRS0=1，郵箱0啟動發送，等待郵箱發送位置1，CANTA.TA0=1，發送完成，再復位CANTA,開始發送數據[6]。流程圖如圖5所示。

圖5 CAN 發送流程圖

發送調試界面如下，初始化發送0123456789abcdef，然后開始循環發送123456 的ASCΙΙ 碼。

圖6 CAN 通信發送調試圖

下面給出數據發送程序部分代碼

3）數據接收程序

使能郵箱16，設為接收郵箱，當郵箱16 接收到消息后，接收消息懸掛寄存器CANRMP.RMP16= 1，同時又一個中斷產生，清零RMP 位，CPU 開始從郵箱中讀消息。在CPU 讀取消息時，接收到新消息，CPU 需要再次讀取數據，微機保護測控裝置需要接收上位機傳來的各種整定值、繼電器開關信息等數據，用中斷接收方式，可以提高CPU 的利用率，使系統的實時性更加出色[7]。

流程圖如下：

圖7 CAN 接收流程圖

接收調試界面如下，循環接收01234567；

圖8 CAN 接收調試界面圖

下面給出數據接收程序部分代碼：

3 結論

基于本文設計方法的微機保護測控裝置實現對微電網測控保護單元通信的實時性、可靠性、靈活性。CAN 總線技術在微電網微機保護領域的應用將大大促進微電網微機保護的發展。

[1] 榮梅,王宏華,尹斌.DSP 內嵌eCAN 模塊在微機保護測控系統中的研究與設計[J].機械制造與自動化,2010(1):108-109,162.

[2] 鄔寬明.CAN 總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1996.

[3] 顧偉剛.手把手教你學DSP_基于TMS320X2812x[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[4] 林濤.微機保護裝置硬件平臺設計的發展趨勢[J].中國電力,1999(4).

[5] 朱雪凌.電力系統繼電保護原理[M].北京:中國電力出版社,2009.

[6] Texas Ιnstruments TMS320F28x enhanced controller area network (eCAN) peripheral reference guide [M].Dallas Texas Ιnstruments Ιncorporated,2002.

[7] Texas Ιnstruments Programming Examples for the TMS320C28x eCan [M].Dallas Texas Ιncorporated,2003.