基于CAN通信技術的火電廠電氣監控系統設計與研究

賈愛靜

（河北燕山鋼鐵集團有限公司，河北 唐山 063000）

1 監控系統硬件與通信方案設計

1.1 監控系統硬件設計

1.1.1 處理器模塊

處理器模塊核心部分采用MOC555芯片，采用32位PowerPC結構體系，浮點單元可有效提升芯片執行速度。雙CAN總線2.0控制器可滿足16個8位發送和接入緩沖區的通信需要，4個可編程接口可為16類設備提供支持，兩個串行通信接口可提供全雙工或半雙工通信需要，16位寄存器緩沖區可用于奇偶校驗。芯片最高運行主頻為40 MHz，可勝任火電廠實時監控任務。

1.1.2 數據采集模塊

模擬量信號傳輸至INA2132芯片，通過內部兩個運算放大進行緩沖處理，工作于射極跟隨模式下可增大輸入阻抗，有利于保證輸入信號的穩定性。ADS8364芯片運行于5 V電壓環境下，內置6個模擬量轉換器和微分放大器，集成高速并行通信接口，16位模/數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）可確保信號采集工作的同步運行，將模數轉換數值存至寄存器，自由選擇單周期、單通道和先進先出隊列（First Input First Output，FIFO）模式。為達到更高的分辨率，可采用外設電源AD780，確保芯片基準電壓的準確性[1,2]。

1.1.3 開關量模塊

開關量模塊共設置80路開關量輸出、320路開關量輸入和1路頻率量輸入，配置4塊開出板、9塊開入板，采取插拔式接口來提升硬件配置的靈活性。通過EMP7128芯片對接口進行拓展，此芯片內部設置有多個門電路、宏單元以及邏輯陣列塊，可編程互連陣列將不同單元進行連接，采用不同的邏輯模式來對不同使用功能進行設計。

1.1.4 開關控制模塊

繼電器由開關控制模塊輸出執行指令，采用光電隔離方式來防止電磁干擾帶來的影響。采用EPM7128芯片的兩個串口來輸出電壓，OT1口輸出低電壓、OT2口輸出高電壓，OUT口從外部得到24 V直流電壓來驅動繼電器線圈。

1.1.5 頻率測量電路

火電廠電力系統運行頻率是重要的監測指標，應該實現對頻率信號的動態監測，采用LM211過零比較器將采集到的頻率信號轉變為方波，傳送給MPC555時間捕獲單元，可以得到兩個正向脈沖，再由定時器兩次翻轉間隔對頻率進行監測[3]。

1.1.6 CAN總線接口電路

控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線技術可以為監控系統提供數據交互的通道，采用MPC555芯片的內置CAN總線電路，不再另外設置控制器即可對CAN總線通信協議進行開發。在總線輸出端上加設總線收發器和抗干擾光耦，光耦器件型號為6N137，切換時間為75 ns，可滿足CAN總線數據傳輸要求。收發器為PCA82C2550，可為CAN總線提供差動性能，具有良好的抗電磁干擾性能，總線接口電路如圖1所示。

圖1 總線接口電路

1.2 基于CAN總線通信技術策略設計

1.2.1 CAN總線技術

CAN總線是一種分布式、實時控制的串行通信網，通過CAN控制器可實現不同類型單片機間的數據共享。該總線技術具有較好的檢錯性能，在外部復雜電磁環境下仍具有1 Mb/s的通信速率，傳輸距離可高達10 km，在電力系統監控領域有著廣泛應用。數據鏈路層和物理層可對數據進行打包處理，選用通信數據塊編碼，通信網絡可以覆蓋更多的數據節點，采用11位或29位二進制數據作為標識碼，數據塊編碼可用于網絡節點數據信息的接收，具有很好的兼容性。數據信息長度為8 byte，可以滿足火電廠對設備運行狀態監控需求，還可以用于接收控制指令及數據信息測試，數據對總線空間占用較小，冗余校驗方式具有很高的糾錯性能，確保接收到準確無誤的數據信息，有著很高的實用性[4]。

1.2.2 協議分析

CAN總線節點目標層用于尋取已發送報文，并查詢傳輸層獲取的報文是否被應用；物理層滿足差異電氣特征節點數據信息傳送要求；傳輸層用于定義數據信息傳輸規則，確定新數據信息發送任務是否及時接收。為總線提供報文的單元為發送器，總線為非運行狀態或單元沒有被仲裁可一直作為總線發送器，如果某單元不是發送器且總線存在數據傳送，則該單元為總線接收器。

在數據發送情況下，如果幀數據均準確無誤，則可認為報文已經成功發送出去；如果沒有發送成功，則按優先順序再次發送信息。若發送器識別出總線為空閑狀態，會及時發送數據；而如果接收到的數據信息均準確無誤，則認為報文已經成功接收。報文發送以幀控制來描述，幀數據中含有多種有效信息，遠程幀可對標識符相同的數據幀發出請求，出錯幀可判斷出總線單元存在的錯誤，每個單元均可發送出錯幀，超載幀用于發送目前數據幀、以后數據幀、遠程幀相互間的延遲時間[5]。

1.2.3 傳輸規則

采用IEC60870-5-103傳輸規則對傳輸幀數據單元進行規定，監控系統選用特定域，對服務數據單元進行定義。應用服務數據單元包括單元標識符和信息體，每個標識符均相同，均由4個8位字符構成。應用服務單元根據IEC60870-5-4規則進行設計，信息元素編碼與定義不發生改變，火電廠監控系統數據單元標識符中包含公共地址。

數據鏈路層把需要發送的數據信息流打包處理為數據幀，按照規定好的協議對數據信息進行傳輸，將可靠性差的數據傳輸通道優化為成熟的數據鏈路。可變長度幀格式以先低后高順序來發送數據，用于火電廠繼電保護設備與監控系統間的數據信息交互。固定長度幀格式中有啟動字符、鏈路地址等內容，火電廠繼電保護與監控系統間的確認幀和詢問幀滿足該格式要求。采用非平衡方式來傳送數據信息，如果監控系統把服務命令發送至繼電保護裝置或檢測到報告含有錯誤，方可以進行其他數據服務。當發送確認與請求響應在進行通信時存在干擾，應該按等待、超時和重發順序來傳至下一幀。

1.2.4 CAN總線通信設計

國內電力行業通信標準遵從《遠動設備及系統第5部分傳輸規約 第103篇 繼電保護設備信息接口配套標準》（DL/T 667—1999），電氣監控系統每個單元均根據此規則進行數據信息傳輸，每個單元連接至相同通信線路。通過簡化監控系統通信網絡結構，減小信息傳輸時延，有利于控制投資成本和運行維護。該通信規約將RS485作為前提，CAN總線應用該規約會存在鏈路層重疊問題，自身定義有鏈路層傳輸機制，鏈路層幀結構存在多個部分，總線差錯監測性能較好。

2 火電廠電氣監控系統的軟件設計

2.1 中斷程序設計

電廠電氣監控系統控制程序結構較為復雜，采用模塊化設計方式，對某模塊進行調試與修改時不會對其他模塊產生影響。結合MPC555芯片特性和功能，對監控系統任務與中斷進行分割處理。任務模塊用于啟動NU_START，對數據信息進行采集處理，換算有效值，讀取開關狀態并實現硬件自檢。低級中斷模塊進行GPS對時中斷、AD中斷、定時監測頻中斷以及CAN接收中斷，高級中斷模塊啟動CAN通信中斷程序。

2.2 通信設計

電廠監控系統中的測控程序應該滿足人機界面與底層控制系統間的數據通信需要，通信模塊應該確保時間同步，對采集到的采樣值、有效值、開關量等數據信息進行傳輸。監控系統運行過程中，人機界面將時間同步信息傳送至繼電保護裝置，該過程不需要對應答幀進行確認，而將復位信息傳送到繼電保護裝置時需要確認幀。人機界面獲取到繼電保護裝置信息讀取狀態時，需要形成響應幀。人機界面沒有收到確認幀或響應幀規定時間內的響應，要再次傳輸并滿足重傳次數要求。

2.3 軟件設計平臺

采用Nucleus PLUS平臺，該平臺為實時多任務系統，應用C語言及匯編語言開發，在平臺上可完成程序編譯，并完成庫函數鏈接調用。其有內存管理和執行線程兩種結構，執行線程通過中斷、任務、系統3種線程來實現。任務為線程結構主要形式，通過該線程來實現用戶功能，要滿足優先級要求，高優先級先執行，同時需要遵守時間原則。中斷線程中含有中斷、高級中斷兩類服務程序，用戶可自定義程序。此外，系統線程中含有信號處理、初始化、循環調度等。平臺支持分塊內存池、動態內存池，可對內存進行有效管理與分配，還為用戶提供部分源代碼程序，調用系統函數。

3 調試存在問題與處理

電流傳感器主動發送數據信息至主控設備，通信系統中設置有A、B、C共3個節點。A、B節點運行過程中接入CAN通信分析儀，可識別波特率，抓捕數據包，但存在掉線問題。還可在CAN接收函數中實現接收郵箱數據功能，將函數編輯為CAN_Receive(CAN1, CAN_FIFO0, &RxMessage)。

啟動備用變壓器進行第一次受電時，差動保護無法正常動作，高壓側斷路器存在跳閘現象。可將二次諧波制動系數修改為0.14，備用變壓器再次受電時差動保護不動作。升壓站中線路保護電流互感器極性弄反或對端線路不一致是會導致備用變壓器受電時出現光纖縱保護誤動作，需要更改電流互感器極性。而當備用變壓器高壓側斷路器二次回路接線存在錯誤，對防跳繼電器電壓線圈進行保護設計沒考慮到電流線圈時，需要修改接線方式，確保防跳閘保護可正常動作。

4 結 論

很多火電廠的電氣監控系統自控水平較低，還采用傳統的硬接線和表計方式。基于CAN總線的網絡通信技術可以采集設備運行狀態信息，將數據信息共享給軟硬件通信接口，結合采集到的信息對電廠設備進行控制。根據電廠監控需要制定CAN通信策略，按照硬件和通信需要設計中斷程序、模塊化程序以及系統函數的調用，可為后續調試開發提供便利，確保電氣監控系統正常運行。