引言
傳統(tǒng)繼電器檢測和保護功能多由電磁器件完成，其動作時間長，保護精度低，已不能滿足現(xiàn)代輸、配電系統(tǒng)自動化的需要。智能化低壓電器其技術特點主要是可通信，能與現(xiàn)場總線連接，這種技術給低壓電器帶來革命性的變化，為此對低壓電器提出了可通信要求。
本文研究的電力系統(tǒng)限時速切繼電器的保護功能，是采用微處理技術和現(xiàn)場總線技術等設計的可通信的智能化繼電器。這里研究的限時速切繼電器，以CAN總線(Controller Area Network)作為一種支持分布式控制的底層串行通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)現(xiàn)場電器與上位機之間的信息傳遞，具有通信實時性好、可靠性高、連接使用方便靈活等特點，非常符合國內低壓電器的發(fā)展趨勢。
1 基于CAN總線的可通信智能繼電器總體設計
在采用總線連接微機和微處理器系統(tǒng)構成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，由微處理器系統(tǒng)構成的下位節(jié)點都能夠獨立完成一定功能，還可進行直接的參數(shù)設定和顯示等，每個下位節(jié)點都可通過總線將數(shù)據(jù)傳送給上位PC監(jiān)控節(jié)點或其它相關的節(jié)點，使相互關聯(lián)的繼電保護裝置之間具有了數(shù)據(jù)交換的功能，可以協(xié)調工作。
本文設計的限時速切繼電器，在CAN總線上連接一個上位監(jiān)控PC節(jié)點和3個下位智能電流繼電器節(jié)點，構建智能繼電器的監(jiān)控保護系統(tǒng)，系統(tǒng)結構示意如圖1所示。
為了增強通信的可靠性，CAN總線網(wǎng)絡的2個端點通常要加入終端匹配電阻，阻值的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定。系統(tǒng)設計采用雙絞線連接，特性阻抗為120 Ω，則總線上的2個端點集成120 Ω的終端電阻即可。
2 基于CAN總線的可通信智能繼電器硬件設計
智能繼電器節(jié)點的硬件組成主要包括：主控單元、測控電路(數(shù)據(jù)采集和轉換、監(jiān)控存儲電路、按鍵和顯示部分、動作信號)、CAN通信接口和電源等部分組成，如圖2所示。
2.1 主控制器
鑒于P87C591強大的80C51性能和A/D轉換及cAN相關特性，對于我們開發(fā)基于CAN總線通信的智能繼電器是非常適合的。因此，系統(tǒng)的主控制器選用功能強大的P87C591單片機，作為主控制器的首選芯片。不但可以滿足數(shù)據(jù)處理的要求，還可不必外接CAN控制器直接實現(xiàn)CAN通信功能，大量節(jié)省了硬件資源。
2.2 存儲監(jiān)控部分
監(jiān)控設計包括監(jiān)控電路設計和軟件監(jiān)控程序設計2部分，硬件監(jiān)控電路功能主要包括數(shù)據(jù)保護、上電復位、掉電復位、“看門狗”定時器(選用具有SPI接口的Xicor公司的25043/5系列)和電源監(jiān)測等部分。
2.3 按鍵和顯示部分
可通信智能繼電器所應用的繼電保護系統(tǒng)，對于各個保護的節(jié)點的監(jiān)測都需通過上位控制PC機來實現(xiàn)，采樣成本低、接口簡單、功耗小的液晶顯示模塊。控制器的顯示部分采用青云公司的LCM061A六位八段模塊作為顯示輸出。使用者只要向LCM送入相應的命令和數(shù)據(jù)就可實現(xiàn)所需要的顯示，模塊與CPU連接簡單，使用起來靈活方便。至于按鍵，本系統(tǒng)只需4個按鍵即可實現(xiàn)參數(shù)修改和設定，因此可分別與主控制器的I/O口直接相連即可。
2.4 信號部分
電流繼電器整個繼電器節(jié)點工作情況是先用微控制器完成電流的比較、時間的控制，如果所監(jiān)測線路中的電流超出設定的電流值，則開始計時并繼續(xù)比較電流值。若到了設定的時間發(fā)現(xiàn)被采集的電流值仍然大于設定值，那么微控制器發(fā)出使繼電器動作的控制信號。由于單片機I/O口輸出電流為1.6 mA，不能達到繼電器動作電流，所以我們通過7407芯片將驅動電流放大至40 mA以驅動繼電器動作。
2.5 數(shù)據(jù)采集和轉換
因為智能電流繼電器所需采集的電流為線路中的電流值，而針對電力系統(tǒng)輸、配電線路中通過的高電壓和大電流，必須選用電流互感器。測量儀表選用容量為5 VA，二次側額定電流為1 A的互感器，將互感器二次側電流通過采樣電阻轉換成對于一定比例關系的電壓值。
A/D轉換采用外接MAXIM公司12位精度高速A/D轉換芯片，是因為P87C591內部芯片所帶的10位A/D為單極性轉換，不能滿足交變電流采樣雙極性的要求。利用MAX197，P87C591以及驅動與隔離電路構成一個完整的實時測控系統(tǒng)。
采用查詢的方式通過P口讀取/INT引腳的電平是否為低，如果不為低就繼續(xù)查詢等待，如果為低電平則可讀取數(shù)據(jù)。A/D轉換程序放在T0中斷程序中進行，每隔1 ms進行一次模擬數(shù)據(jù)采集和轉換，在轉換的間隙MAX197處于低電流關斷狀態(tài)。
2.6 節(jié)點電源
智能節(jié)點系統(tǒng)中所需的+5 V直流電源，需將有效值為220 V、頻率為50 Hz的交流電經(jīng)降壓、整流和濾波，再經(jīng)過降壓和穩(wěn)壓電路后作為節(jié)點的電源。
2.7 通信部分
集成在P87C591中的CAN控制器SJA1000和CAN高速收發(fā)器PCA82C250以及高速光電耦合器6N137構成通信的主要部分，其中SJA1000是實現(xiàn)CAN總線通信的核心芯片，與收發(fā)器82C250配套使用，組成完整的CAN通信接口。SJA1000工作模式采用BasicCAN模式，滿足數(shù)據(jù)傳輸量不大的一般性工控場合，故被本系統(tǒng)采用。單片機對SJA1000進行控制及收發(fā)數(shù)據(jù)均通過對SJA1000的內部寄存器的讀寫訪問來實現(xiàn)的，操作如同訪問外部RAM。PCA82C250負責與CAN物理層的連接，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，P87C591的TXDC和RXDC(即SJA1000的TX和RX)通過高速光耦6N137后與PCA82C250相連，光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離，這樣才能達到隔離的作用。為了防止PCA82C 250受過流的沖擊，CANH和CANL引腳各自通過一個5 Ω的電阻與CAN總線相連。另外，在CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個30pF的小電容，以濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射口。
3 上位控制PC機節(jié)點軟硬件設計
3.1 硬件接口
CAN-232采用ZLGCAN-232轉換卡，PC只需經(jīng)RS 232接口簡單連接即可實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)通信，進行CAN信息幀的接收發(fā)送。CAN-232接口卡也可以直接應用到嵌入式系統(tǒng)中，可在不改變已有硬件結構的情況下使嵌人式產(chǎn)品具有CAN通信接口。RS 232總線接口部分是轉換卡板和PC機之間交換數(shù)據(jù)的橋梁，PC機之間的數(shù)據(jù)交換是通過MAX232實現(xiàn)的，其將232電平轉換成TTL電平。CAN通訊部分實現(xiàn)了CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，板卡中由帶CAN控制器的處理器P87C591構成。
3.2 軟件設計
可通信智能繼電器節(jié)點的主要任務是能夠獨立完成線路電流的實時監(jiān)控和保護功能，并且能夠利用CAN總線接口與上位控制PC進行雙向數(shù)字通信功能。其中數(shù)據(jù)采集和轉換程序在T0中斷服務程序中進行，通信收發(fā)在CAN中斷子程序中進行。主程序采用循環(huán)查詢的方法檢測有無按鍵，然后定時處理一些如顯示數(shù)據(jù)更新、通信待發(fā)數(shù)據(jù)準備和接收數(shù)據(jù)處理等。
在智能節(jié)點控制系統(tǒng)軟件設計中，為了充分而合理的利用硬件資源并且構建一個清晰的程序構架，把程序大致分為：初始化程序、數(shù)據(jù)采集和轉換程序、監(jiān)控存儲程序、按鍵和顯示程序、CAN通信程序、數(shù)據(jù)、計算處理程序以及起整體調度作用的主程序等模塊。主程序流程如圖3所示。
采用VB對上位軟件進行編程，調用CAN232智能CAN接口卡隨機提供功能強大的CAN接口函數(shù)庫文件(232CAN.h、232CAN.lib、232CAN.dl l)，從而很方便的實現(xiàn)了CAN協(xié)議CAN2.0A和CAN2.0B規(guī)范PeliCAN的數(shù)據(jù)通訊。
上位PC節(jié)點的監(jiān)控制程序和下位節(jié)點的設計相類似，也使用了模塊化的設計方法。可以很方便的在現(xiàn)有的程序基礎之上進行改造，通過添加新的模塊以達到功能擴展的需要。
上位PC節(jié)點的監(jiān)控軟件主要由主界面、歷史數(shù)據(jù)和參數(shù)設定界面組成。其中主界面包含了上位節(jié)點設計中的主要和功能操作：串口和總線參數(shù)的設定、通信連接、數(shù)據(jù)發(fā)送、應答信息和工作狀態(tài)以及監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示等。歷史數(shù)據(jù)界面通過在上位PC節(jié)點的Windows操作系統(tǒng)下用Acess軟件建立一個數(shù)據(jù)庫，如表1所示的數(shù)據(jù)為下位節(jié)點在一定時間內運行采集的電流值。在VB中調用兩個控件Data和DBGrid將數(shù)據(jù)庫和上位節(jié)點的監(jiān)控界面連接起來。參數(shù)設定界面可對節(jié)點的設定電流值和時間值進行修改，然后點擊設定輸入按鈕即可完成設定參數(shù)的發(fā)送。
4 結語
本文設計的基于CAN總線可通信的智能電流繼電器，不僅能夠完成傳統(tǒng)意義下電磁式電流繼電器、時間繼電器和信號繼電器組合在一起才能實現(xiàn)的限時速切功能，還可使現(xiàn)場電器與上位機實現(xiàn)雙向通信功能。通過上位PC機直接對電流和時間參數(shù)進行設定，還可直接從上位機查看繼電器采集的線路實時狀況參數(shù)(如線路電流和繼電器動作情況)。不但通訊效率高、抗干擾性強、傳輸距離較遠，而且與其他總線相比具有造價低廉、實現(xiàn)簡易的優(yōu)勢，在低成本自動化領域將有著廣泛的應用前景。