基于CAN总线通信的电动机保护装置的研制
2022-12-27
来源：步旅网
基于CAN总线通信的电动机保护装置的研制.华北电力大学电气与电子工程学院R玉品卢文冰北京四方立德保护控制设备有限公司刘全变电站自动化系统是20世纪90年代及测量和控制功能综合在一起的单元称为发展起来的多专业综合技术，是电网运行管分布式间隔层。理中的一次变革，是当代电网发展的必然趋.橄O级象固...III作为变电站自动化的应用，实时性占有势。1.1CAN总线简介相当重要的位置。而随着变电站规模的发展，随着基于微处理机的智能电子器件伽一20世纪80年代初，德国Bosch公司提原有的基于RS422/485通信接口的通信网telligentElectronicDevice,简称IED)在变电出了用〔:AN(ControllerAreaNetwork)控制络已不能满足电力系统SCADAISupervisory站内继电保护、监测、控制、计量和事故记录器局域网络来解决汽车内部的复杂硬信号ControlandDataAcquisition,数据采集与IL等领域越来越广泛地使用，传统的RS485或接线。目前CAN总线主要应用于离散控制控)系统发展的需求:连接节点数目少;节点越BITBUS的通信方式已不能满足提高变电站领域中的过程监测和控制，特别是工业自动多，通信实时性越低整个通信网络只有一个自动化水平的要求。现场总线以其独特的优化的低层监控，解决控制与测试之la)的可靠主结点，其余皆为从节点「对日S422/485接势在变电站自动化中进行通信联系已是必和实时数据交换，并已经向过程控制、机器口的通信归约缺乏统一标准，使不同厂家生然趋势。现场总线监控系统将传统的分布式人、医疗器械及传感器等领域发展。产的设备很难互连，给用户带来不便。监控系统(DCS,DistributedControlSys-CAN总线采用了ISO/OSI的3层模型CAN总线的快速实时响应能力、高可靠tem)中的控制进一步下放到现场微机监控物理层、数据链路层和应用层。采用双线串行性、网络容量较大、优良的电磁兼容以及开单元，由现场微机监控单元完成数据采集、通信方式工作。具有强有力的检错功能，可在放统一的通信规约等特点使其能较好地满数据处理、控制运算、控制输出等功能。现场高噪声干扰环境下使用，其最高通信速度可足综合自动化系统对数据通信经济、可靠的微机监控单元与上层设备(后台监控计算达1Mb/s，最大通信距离可达5000m.CAN要求，因此现在较为广泛地应用在变电站自机)的信息交互通过现场总线进行，并在后总线具有优先权和仲裁功能，多个单片微机动化系统的底层测控网络。台形成局域网络或广域网络。可通过CAN控制器挂到CAN总线上，形成基于CAN总线的变电站自动化系统结系统的开放性、是否已纳入IEC标准、多主机局部控制网。CAN总线的数据通信具构如图1所示。技术能否得到有力的支持、价格是否有竞有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线本文所要介绍的电动机保护装置就是争力等已成为选用何种总线的主要依据。作为现场设备级的通信总线，与其它总线相CAN网络中节点的具体实现。由于CAN总线具有通信速度快、可靠性比，具有很高的可靠性和性能价格比，用CAN高、连接方便和性能价格比高等诸多特总线做工程最大的特点就是启动成本低点，使其应用开发得以迅速发展。其推广1277}'}}'}1Xbt应用反过来又促使器件生产商不断推出新1.2CAN总线在变电站自动化系统中的应用21整体结构的CAN总线产品，使其逐步形成系列。鉴变电站综合自动化系统通常采用分层本装置采用Motorola公司生产的于CAN总线的普及性，选择CAN作为本分布结构，分为设备层、间隔层和变电站层。DSP56FB07作为CPU芯片，内嵌的装置的总线控制网。通常把继电保护、自动重合闸、故障录波以MSCAN模块可实现CAN网的接收和521电力T,统装备2007.41发送。硬件结构图如图2所示。DSP56F807是Motorola公司生产的面向电机控制系统的高性能嵌入式控制器，具有以下特性:双重的哈佛结构主逻辑运算单元、地址发生单元、乘加单元各有一个逻辑运算单元:不仅具有DSP的计算优势，还具有MCU的逻辑控制优势;多总线和流水线结构进一步提高了指令执行速度和扩远方调度中心}-it9-#}1CPU总线CAN通信适配卡一一CAN总线展能力，在80MHz的主核频率下能达到40MI/s的执行速度，能够满足许多实时监测系统的要求;单周期的16x16位的并行乘法累加器(MAC)，非常适合运算量较大的FF下计算;硬件DO和日E尸循环:高效的C编译器和局部变量支持等。DSP56FB07自身带有一个2x8通道12位的A/D转换模块，由于电动机保护不仅对测量数据的精度要求较高，而且需要采集电流值和开入量等较多路的模拟量，所以电容器保护电动机保护〕备自投保护DSP56F807酉己变保护图，基于CAN总线的变电站自动化系统8#lIiiiii。一11}RAM串行EEPROM看门狗及复位电路下CAN0麦慕仁~CAN总线压E}W司开关量输出光电隔离开关量输入对于要求精度较高的电流采集部分使用2x4通道14位的MAX125来完成，采样速度MM{人机接口图2电动机保护硬件原理图为24点/周，转换时间约3Ws开关量输入(包括电度采集脉冲、断路器工作状态、断路器压力信号等)直接由DSP自带的ADC模块进行转换;用具有多重写闭锁功能的串行也通过总线接口来完成通信。因此，CAN总线接口在本设计中有着重要的作用。在网络中DS尸56F807和MAX125其他管脚省略)。CAN总线驱动器芯片为PHILIPS公司的PCA82C250oPCA62C250是CAN控制EEPROM(241LC32)保存定值、系数和配置，的层次结构中，数据链路层和物理层的功能确保这些参数不被误修改而且能够掉电保由MSCAN模块完成，对外它提供了与微处持;为便于用户现场设定整定值和查询，添加外扩1片32x166的RAM(IS61LV3216L);采用PHILIPS公司的PCA82C250实现器和物理总线的接口，工作在CAN协议的理器的物理线路的接口。通过对MSCAN模收，并把应用层建立在它的基础上。物理层，它的传输速率高，最高达1Mb/s，本装置采用50kb/so器件可以为总线提供不同的驱动能力，同时也能对CAN控制器提供不同的接收能力。其引脚81RS)允许选择3种不同的工作方式:高速、斜率控制和待机。在低速和总线长度较短时，为降低射频干扰，可应用斜率控制方式，斜率可通过由引脚8至地连接的电阻进行控制oPCA82C250内部具有短路保护功能，MM!人机接口面板;为了实现敌障录波,DS尸块的编程，CPU可以进行数据的发送和接CAN通信。保护单元采集的现场数据信息、状态信2.ZCAN模块设计DSP56F807有内嵌CAN控制器MSCAN模块，使得硬件设计较简单，只需加了个收发器RG可。MSCAN模块连接原理如图3所示(其+5VCAN息，通过CAN总线经过CAN网通信适配器上传到上位机加工处理;上位机对节点单元发出控制指令、状态查询及整定设置命令，模拟t输入十33V1门3GND2+3.3V}/vNDCAN训珊了引暇川RDxGNDCAN41P6KE6.BCATLP114干丁丁+5VCANt0U/16VGND2L--LEDI-图3CAN模块接口电路I电力系统装备2007.4153限流电路避免了接收器输出级的阳极和阴极之间发生短路，从而有效地防止发送器输出级的毁坏。PCA82C250具有超温保护功能。如果节点温度超过160℃，发送器将进入电流保护状态。当总线短路时电流消耗增加，芯片发热严重，此时热保护非常重要。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，DSP56FB07的MSCANesT):和MSCAN_RX并不是直接与PCA82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光藕丁LP114后与PCA82C250相连，这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。应该特别说明的一点是，光藕部分电路所采用的2个电源必须完全隔离，否则采用光祸也就失去了意义。电源的完全隔离采用了小功率电源隔离模块，这样虽然增加了接口电路的复杂性，但是提高了节点的稳定性和安全性。PCA82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。在2根CAN总线之间接入1个瞬态抑制二极管P6KE6.8CA,当出现姗变干扰时，通过抑制二极管可起到一定的保护作用o瞬变干扰是电磁兼容领域中主要的一种干扰方式特别是雷击浪涌波，由于持续时间短，脉冲幅值高，能量大，给电子电气设备的正常运行带来极大的威胁。当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。通信信号传输到导线的端点时会发生反射反射信号会干扰正常信号的传输而瞬态抑制二极管可充当终端电阻，能消除反射信号。PCA82C250的RS脚上接有1个斜率电阻，电阻大小根据总线通信速度确定。3i1i}y}...........III31主程序系统主程序流程图如图4所示，它主要包括初始化和主体循环2大部分，其中主体循环完成本程序的各项功能。初始化内容有C尸U内部特殊功能寄存器、I/0端口寄存器、定时器、时钟源选择寄存器、中断优先级寄存器等和MSCAN模块片外数据采集系统;报告区、各标志位、计数器等。主循环内容有CAN网接收处理程序,CAN总线发送数据报文程序、差动保护判断程序、各项电流值计算程序和备用保护判断程序等。系统对数据的采集读取是在中断程序里进行的，每隔0.83ms读取A/D转换芯片MAX125中的A/D码值保存到周D缓存区里。为了减少干扰信号误差，计算时取差分值，采用FF丁计算各电流有效值，本设计由采用24点全周付氏变换。电机差动保护是内部相间短路故障的主保护，它反应电机中性点电流和机端电流，采用比率制动特性，其动作特性图见图50如图5所示，差动保护判断分为差动速断保护和比率制动保护2步a差动速断保护判据为:Max(Icd)>1y,(1)式中Max(Icd)为三相差劫电流的最大值，Is。为差动速断电流定值。5月}电力系统装备2007.41二一而币。计时蔽一』YOms-一一``y计算各相差动制动电流引呆卿一刁二水断二二主循一一~比~书~器环m5l~川皿影一、~，<-2.5msi~~、~~25发图4主程序流程图图5带比率制动特性的电动机差动保护动作特性比率制动保护判据如下I}>Ia,l}
Ka}ha-IR)+肠Im}la式中la,,m分别为动作(差动)电流和制动电流，且有(3)(4)l1.I;为差动电流起始值和制动特性的拐点电流值，拐点电流固定为0.9倍的电动机额定电流;气。为制动系数;Ir服为电机机端和甲‘}生点的电流相iff，其方向均为指向系统为干，也即两侧电流互感器(丁A)为零度接线。差动保护为主保护，过流」段保护、低电压保护、电压反相序保护等为备用保护。所以每2.5ms判断1次差动保护0ms判断备用保护，并且更新计算电流值等。3.2MSCAN处理程序DSP56F807内嵌CAN控制模块MSCAN(MotorolaScalableControllerAreaNetwork)，是一个完全的CAN控制器，利用先进的缓存案，具有可预测性实时操作，简化了应用软件的设计。MSCAN具有以下特点。a模块化方案设计。b执行CAN2.0A/B协议:标准和扩展数据帧0一s字节数据长度高达，Mb/s的可编程位速率;支持远程帧。c双缓存器的接收存储结构。d应用内部优先级仲裁的三缓存器的发送存储结构。e.验收滤波器可以调整成能够支持2个满额的扩展屏蔽验收滤波器:2个32位，4个16位或者8个8位滤波器。f，集成有低通滤波器的可编程睡眠功能。9可编程的回馈模式支持自检操作。h对所有的CAN接收和发送错误状态警告，被动出错和掉线都有单独的采样及中断功能。1可编程的MSCAN时钟源，可用IPBUS时钟或者晶振输出。1.3种低消耗模式:睡眠，软重启和电源关闭模式。3.2.1MSCAN的初始化MSCAN的初始化过程如图6所示。MSCAN初始化主要是对帧接收滤波方式、波特率参数、工作方式设定和中断使能寄存器等的内容进行相应设置。为了保证MSCAN不会因为编程错误造成对CAN协议的破坏，在MSCAN正在使用过程中不能修改某些寄存器的值，在对这0r内容进行读、写操作之前需要将CAN-C丁LO中的“软启动SF丁RES位”置为高电平，进入复位状态，这时MSCAN退出所有发送和接收操作，并失去总线同步。所以访问结束后又需将其置为低电平，进入操作状态，并通过查看S丫NCH位确定MSCAN模块与总线同步。受到锁定保护的寄存器有:控制寄存器1、总线定时寄存器0和1、标志符接收控制寄存器、标志符接收寄存器0一7和标志符屏蔽寄存器0一7。。进入软件复位模式{CAN模块使能设置接收符旧过滤方式，过滤屏蔽码设置位时间预分频因子退出复位模式MSCAN一接收中断使能清发送中断标志位壑夕图6MSCAN初始化流程图3.2.2MS以N接收报文MSCAN具有双缓存器的接收存储结构，接收到的报文存放在1个二段式FIFO(先入先出)缓存器中。二段式缓存器相当于由相同的1个寄存器空间交替映射出2个不同的缓存器:后台接收缓存器(RxBG)和前台接收缓存器(RxFG)oRxBG只与MSCAN相关，而RxFG由CPU采处理。这样的设计简化了处理程序，因为对于接收过程来讲只有1段地址空间是可用的。应用程序不可以读写RxBG。要接收报文的标志符与接收缓存器的标志符进行比较，只有相同标志符的报文才能被接收。通过接收滤波器的报文写入RxBG,MSCAN复制RxBG的内容到RxFG中，置“接收满\"(RXF)标志，并给CPU发送接收中断信号。接收程序从RxFG中读取接收到的报文，清RXF标志以通知中断释放前台缓存器。CAN网接收数据采用中断方式，在CAN接收中断中判断接收标志寄存器接收缓存器满\"(RX日标志位，如果有数据，就将接收缓存器数据段寄存器(CANRBDSRO--7)中的内容存入程序中的接收缓存区中，然后清“接收缓存器满”(RXF)标志位。主程序中调用CAN接收处理函数分析接收数据，置相应标志，执行相应命令，在CAN数据发送程序中发送相应数据，如遥测数据、定值等，并同时对总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行处理。3.2.3MSCAN数据发送MSCAN设计了3个发送缓存器的方案。这种设计能够预先安排多条等待发送的报文，可获得最优化的实时性能。每个发送缓存器都是13个字节的数据结构，都带有1个优先级寄存器汀日尸R)，包含了8位的局部优先级(PRIO)CX域。通过应用程序来设定节点所要发送报文的先后顺序，最小的PRIG值拥有最高的优先权。向CAN总线发送数据采用查询方式，根据接收到CAN网下发的命令上送定值、遥测、遥信、遥控反校、遥脉数据等。因为SOE报文是突发事件，所以每looms检查一下CAN报文发送缓存区是否有报文，有则立即发送具体的数据发送过程:首先C尸U通过发送缓存器空标志位(TX曰2:01)，确认有效的发送缓存器，当标志位为1时，CPU将标志符、控制位和数据内容存储到发送缓存器中，并将该标志位清0。当标志位再次置1时，说明缓存器成功地发送了信息，并产生发送中断，重装发送缓冲器。玲口鲜韶............II'本文介绍的电动机保护装置采用Motorola公司生产的嵌入式控制器DSP56F807,可用于2000kW以上的高压电动机保护，实现差流速断保护、差动比率制动保护、过流}段保护、低电压保扩、电压反相序保护、遥测、遥信、遥控及脉冲电能采集等功能。通过CAN总线接入变电站自动化系统，传输速率高达50kb/s，可以达到系统实时性及稳定性的要求。..作者简介:陶玉品(1982-)女，硕士研究生，研究向为信息系统与信息安全I电力系统装备2007引55