基于現(xiàn)場總線的10kV高壓開關(guān)柜在線檢測及故障診斷系統(tǒng)

1 引言

在電力系統(tǒng)中10kV高壓開關(guān)柜應(yīng)用極為廣泛，擔負著控制、保護雙重功能。隨著電網(wǎng)日益擴大以及變電站無人值班管理模式和綜合自動化的普及推廣，高壓開關(guān)柜的安全運行越來越重要，停電事故給生產(chǎn)和生活帶來的影響及損失也越來越大，因此迫切需要高壓開關(guān)柜具有高可靠性，并能在線檢測故障，以便采取預(yù)防措施，避免停電事故發(fā)生。

隨著電子技術(shù)的進步和傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等的發(fā)展，高壓開關(guān)柜功能智能化已具備技術(shù)上的條件。在“10kV高壓開關(guān)柜的故障在線檢測，，課題研究中將當今工業(yè)控制領(lǐng)域中廣為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于其中，使高壓開關(guān)柜的故障在線檢測形成了一個分布式的監(jiān)測系統(tǒng)，并使整個系統(tǒng)較以往集中監(jiān)測系統(tǒng)性能增強，功能更為完善。

本文主要討論10kV高壓開關(guān)柜故障在線檢測系統(tǒng)研制中現(xiàn)場總線的應(yīng)用情況。

2 現(xiàn)場總線簡介

在以往的變電站監(jiān)測系統(tǒng)中，一般使用BITBUS總線和RS-485總線，但它們在應(yīng)用中有以下缺陷：

1)BITBUS總線和RS-485總線上只能有一個主節(jié)點，無法構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性較差；
2)數(shù)據(jù)通信方式是命令響應(yīng)式，從節(jié)點只有在收到主節(jié)點的命令后，才能響應(yīng)，一些重要的信息得不到及時上送，致使系統(tǒng)的靈活性差，實時性差；
3)BITBUS總線和RS-485總線的抗干擾能力及糾錯能力差，不適應(yīng)在高壓開關(guān)柜內(nèi)的高電磁環(huán)境下運行。

為了克服BITBUS總線和RS-485總線在使用中的缺陷，經(jīng)過方案比較，本文采用了控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN(Controller Area Network)。它是20世紀80年代初研制成功的一種現(xiàn)場總線，其最初主要是為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的。如今，由于其采用差分驅(qū)動，可在高噪聲干擾的環(huán)境中使用以及較強的糾錯能力等，加之國際半導(dǎo)體知名廠家的產(chǎn)品支持，已形成國際標準ISO11898規(guī)范。并已被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

CAN的通訊協(xié)議建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型基礎(chǔ)上，主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，用戶可在其基礎(chǔ)上開發(fā)適應(yīng)系統(tǒng)實際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能，以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點及通信不受影響，故具有較強的抗干擾能力。其主要特點有：

CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可以在任意時刻主動地向總線上其它節(jié)點發(fā)送信息，這就可以構(gòu)成多主機系統(tǒng)；
CAN總線上的節(jié)點信息可以分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實時要求；
CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向總線上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時間；
CAN可以點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)；
CAN的直接通訊距離可達10km(速率5K)；
CAN的通訊速率最高可達1M(此時通訊距離最長為40m)；
CAN上的節(jié)點數(shù)實際可達110個；
CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率低；
通訊介質(zhì)采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活，連接方便。

從上述的分析可看出，CAN總線非常適合用音變電所中構(gòu)成高壓開關(guān)柜故障在線檢測系統(tǒng)。

3 故障檢測系統(tǒng)組成

高壓開關(guān)柜故障在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓開關(guān)柜故障在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)使用CAN總線將一系列故障檢測單元模塊和系統(tǒng)機單元連成分布式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，由故障檢測單元模塊采集開關(guān)柜的信號數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場總線送至系統(tǒng)機單元，建立起全變電站高壓開關(guān)柜的數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)機單元采用工業(yè)控制機配CAN總線通信接口卡組成，它接收故障檢測單元模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機數(shù)字信號處理得出高壓開關(guān)柜的各個參數(shù)，顯示各種參數(shù)和波形，打印報告，分析和診斷得出高壓開關(guān)柜的工作狀態(tài)。CAN總線通信接口卡完成ISO/OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層功能，如數(shù)據(jù)打包、拆包、發(fā)送、接收、校驗、編碼、解碼等，用戶只需開發(fā)應(yīng)用層和用戶層的相應(yīng)軟件即可，它使工控機能方便地連接到CAN總線上。

故障檢測單元模塊的CPU采用ATMEL公司的AT89C52單片機，CAN控制器和CAN收發(fā)器分別采用SJA1000和82C250，其硬件電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 檢測單元硬件電路結(jié)構(gòu)原理圖

硬件電路包括:微處理器電路、非易失性SAM電路、LCD液晶顯示電路、鍵盤電路、模擬量輸入電路、開關(guān)量輸入輸出電路、CAN總線通訊接口電路、實時時鐘電路等。

主要軟件包括:系統(tǒng)自檢軟件、信號采集及數(shù)字濾波軟件、參數(shù)整定軟件、故障診斷與報警軟件、數(shù)據(jù)顯示軟件、通訊軟件等。

4 故障檢測單元的主要檢測項目

開關(guān)柜內(nèi)手車室，電纜室內(nèi)的溫、濕度監(jiān)測；
隔離開關(guān)觸頭接觸部分的溫度監(jiān)測；
分、合閘線圈電壓、電流檢測；
斷路器行程、位置、速度監(jiān)測及斷路器的操作次數(shù)統(tǒng)計；
合閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測。

具體的監(jiān)測方法，限于篇幅在此就不做敘述。

5 結(jié)論

采用CAN總線設(shè)計的高壓開關(guān)柜故障在線檢測系統(tǒng)比采用BITBUS總線和RS-485總線的檢測系統(tǒng)具有更好的可靠性、開放性及抗干擾性。對實現(xiàn)高壓開關(guān)柜運行狀態(tài)的綜合診斷，促進電力設(shè)備由定期試驗向狀態(tài)檢修過渡的進程是極為有益的。