袁 青 汪小平

（安徽工業(yè)大學電氣信息學院，安徽 馬鞍山 243000）

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

微機保護測控系統(tǒng)裝置之間的通信技術是衡量保護系統(tǒng)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?？墒荝S-485 總線效率低、系統(tǒng)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(jié)點少、應用不靈活，使用受到限制?，F(xiàn)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(wǎng)[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(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)具有突出的可靠性、實時性和靈活性。主要表現(xiàn)在CAN 為多主工作方式；CAN 總線的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級；采用非破壞性仲裁技術；報文采用短幀結構；數(shù)據(jù)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(jié)點可自動關閉輸出使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。鑒于CAN 總線通信的優(yōu)越性能，將CAN 總線技術引入微電網(wǎng)微機保護測控系統(tǒng)勢在必行。

本文提出了一種智能微電網(wǎng)保護方案，在傳感器的幫助下，通過檢測繼電器狀態(tài)和電網(wǎng)運行的參數(shù)評估故障水平。這些數(shù)據(jù)通過快速穩(wěn)定的CAN 通信傳送到微電網(wǎng)主控制器MMC（Microgrid Master Controller），微電網(wǎng)的狀態(tài)特性在規(guī)定的頻率下被重復檢測，得出的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的硬件結構和軟件設計。

1 微電網(wǎng)微機保護測控系統(tǒng)的硬件平臺

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

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(tǒng)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(nèi)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(shù)轉換器[4]ADC 具有2 個采樣保持器，具有單一或者級聯(lián)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(shù)轉換器，精度還可以，但是仍然難以滿足微電網(wǎng)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(xiàn)12通道，16 位分辨率。實現(xiàn)滿足微電網(wǎng)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(nèi)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(shù)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(tǒng)之間傳輸電信號，同時確保這些電路或者系統(tǒng)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(shù)據(jù)、參數(shù)、波形及狀態(tài)。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(tài)的干預等。

6）電源

采用開關穩(wěn)壓電源或DC/DC 電源模塊，提供數(shù)字系統(tǒng)5V、24V、±15V 電源。+5V 電源用于計算機系統(tǒng)主控電源；±15V 電源用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)；+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(wǎng)保護結構原理圖

圖2 微電網(wǎng)保護結構原理圖

該系統(tǒng)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(chǎn)生的直流電經(jīng)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(jīng)由PCC（Point of Common Coupling）與公共電網(wǎng)相連。每個子系統(tǒng)（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(tǒng)的動態(tài)特性再計算得到動作信息反饋回子控制器，作用于子系統(tǒng)。

1.3 CAN 通信網(wǎng)絡硬件結構

該CAN 通信網(wǎng)絡選擇工作電壓為3.3V 的TΙ公司的 SN65HVD231 收發(fā)器，本地控制器選擇TMS320F2812，從控制器為TMS320F28069，他們內(nèi)置CAN 控制器模塊，支持1MBPS 的高速數(shù)據(jù)傳輸速率，微電網(wǎng)在發(fā)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(huán)境，協(xié)議規(guī)范要求能應對電力系統(tǒng)的噪聲干擾，它的自我診斷和錯誤數(shù)據(jù)自我修復功能，使得CAN 通信適用于微電網(wǎng)中電力電子器件的快速變換。

2 微機保護測控系統(tǒng)的軟件設計

微機保護測控軟件系統(tǒng)除了實現(xiàn)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(tài)監(jiān)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(tǒng)的自檢、工作電源的自檢、數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)采集工作。此時關閉保護功能，等待采集到足夠多的數(shù)據(jù)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(huán)進行13～15，循環(huán)進行自檢，若自檢不通過則轉至20 框，發(fā)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(jù)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(huán)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?；竟δ芎吞幚聿襟E為：數(shù)字濾波和及特征量計算、保護判據(jù)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(xù)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(nèi)部其它部分進行信息發(fā)送和接收，而是為信息發(fā)送和接收進行數(shù)據(jù)準備：如根據(jù)保護程序其他部分的數(shù)據(jù)發(fā)送請求而收集相關數(shù)據(jù)，按通信規(guī)約進行通信信息整理和打包，并將其置于數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；又如對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)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(wǎng)微機保護流程圖

2.2 CAN 通信系統(tǒng)軟件設計

CAN 通信程序主要分為三個部分，初始化、發(fā)送程序、接受程序。郵箱0 配置為發(fā)送模式，郵箱16 配置為接收模式，采用擴展信息幀格式。發(fā)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(fā)郵箱參數(shù)等的配置。

圖4 eCAN 初始化流程

2）數(shù)據(jù)發(fā)送程序

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

圖5 CAN 發(fā)送流程圖

發(fā)送調試界面如下，初始化發(fā)送0123456789abcdef，然后開始循環(huán)發(fā)送123456 的ASCΙΙ 碼。

圖6 CAN 通信發(fā)送調試圖

下面給出數(shù)據(jù)發(fā)送程序部分代碼

3）數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，用中斷接收方式，可以提高CPU 的利用率，使系統(tǒng)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(huán)接收01234567；

圖8 CAN 接收調試界面圖

下面給出數(shù)據(jù)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(xiàn)對微電網(wǎng)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(wǎng)微機保護領域的應用將大大促進微電網(wǎng)微機保護的發(fā)展。

[1] 榮梅,王宏華,尹斌.DSP 內(nèi)嵌eCAN 模塊在微機保護測控系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)展趨勢[J].中國電力,1999(4).

[5] 朱雪凌.電力系統(tǒng)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.