CAN通信接口设备在 微电网微机保护中的应用

袁 青 汪小平

（安徽工业大学电气信息学院，安徽 马鞍山 243000）

微电网由太阳能、风能等可再生能源组成，运行模式分为并网及孤岛模式,并网模式下微电网和传统电网操作相当，只是将微电源看作大电网的一个可控负载。在孤岛模式下微电源工作需要相互协调以达到系统稳定状态。在电网保护中如何确认故障类型以及确定故障的位置是微电网保护的艰巨任务。

微机保护测控系统装置之间的通信技术是衡量保护系统自动化先进程度的一个重要指标[1]。最初的通信技术使用的RS-485 总线，利用主从方式进行通信。可是RS-485 总线效率低、系统实时性差、通讯可靠性低、后期的维护成本高、调试复杂、传输距离不理想、节点少、应用不灵活，使用受到限制。现场总线技术逐步取代RS-485 总线。

CAN（Controller Area Network）总线又称控制器局域网[2]，在20世纪90年代初的欧美得到重视。近年来的研究使CAN 总线得到了新的进展。CAN现场总线的数据具有突出的可靠性、实时性和灵活性。主要表现在CAN 为多主工作方式；CAN 总线的节点分成不同的优先级；采用非破坏性仲裁技术；报文采用短帧结构；数据出错率很低；通信介质可为双绞线、同轴电缆或光缆，选择灵活；在错误严重的情况下节点可自动关闭输出使总线上其他节点的操作不受影响。鉴于CAN 总线通信的优越性能，将CAN 总线技术引入微电网微机保护测控系统势在必行。

本文提出了一种智能微电网保护方案，在传感器的帮助下，通过检测继电器状态和电网运行的参数评估故障水平。这些数据通过快速稳定的CAN 通信传送到微电网主控制器MMC（Microgrid Master Controller），微电网的状态特性在规定的频率下被重复检测，得出的数据再通过MMC 计算来控制继电器。本文给出了微机保护测控装置的硬件和软件设计以及CAN 通信网络的硬件结构和软件设计。

1 微电网微机保护测控系统的硬件平台

为了收集快速变化的微电网的参数，需要有一个速度快，鲁棒性好的通信系统，CAN 通信协议性能可以满足要求，使得控制器能够及时更新系统的状态。

1.1 微机保护硬件平台结构

本硬件平台结构[3]图如图1所示，包括控制芯片、模拟量输入、防干扰、键盘显示、通信接口。

图1 微机保护测控系统的硬件构成

1）控制芯片

选择TΙ 公司的32 位DSP 处理芯片TMS320F2812，主频高达150MHz，有强大的操作能力和中断响应能力，片内集成了丰富的外设eCAN、ADC、2 个事件管理器EVA、EVB，每个事件管理器具有2 个通用定时器、3 个比较单元、3 个捕获单元。

2）模拟量输入

F2812 的模数转换器[4]ADC 具有2 个采样保持器，具有单一或者级联两种转换模式，最高转换速率为80ns。是一个16 通道12 位分辨率、具有流水线结构的模数转换器，精度还可以，但是仍然难以满足微电网保护的多输入输出的需要。因此采用外接AD 来解决这个矛盾。外加两片AD7656 实现12通道，16 位分辨率。实现满足微电网保护的高精度的要求。另外，为保险起见，在输入信号进DSP 的ADC 端口时，使用钳位电路，防止输入电压过大烧坏DSP 芯片。

3）存储器

主要包括电擦除可编程只读存储器（EEPROM）、片内随机存储存取器（RAM）、片外Flash，其中EEPROM 存放的是定值，由于RAM 的掉电易失性，外加一个Flash，用来存储程序[4]。

4）防干扰措施

主要是在输入输出口加上光电隔离，数字量输入输出以及连接CAN 总线需要通过光电耦合连接，光耦可在电路或者系统之间传输电信号，同时确保这些电路或者系统间彼此电绝缘。

5）人机对话接口模块

装置配置一个LCD 液晶显示器，用于显示操作菜单、各种运行数据、参数、波形及状态。另外配备一个键盘，配有8 个按钮：合闸、分闸、上下左右、确认、取消。其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整及对机器工作状态的干预等。

6）电源

采用开关稳压电源或DC/DC 电源模块，提供数字系统5V、24V、±15V 电源。+5V 电源用于计算机系统主控电源；±15V 电源用于数据采集系统、通信系统；+24V 电源用于开关量输入、输出、继电器逻辑电源。

1.2 带CAN 接口设备的微电网保护结构原理图

图2 微电网保护结构原理图

该系统保护方案的微电源为太阳能、燃料电池等可再生能源，由于它们所产生的直流电经过DC/DC 变换器，再由逆变电路得到交流电，通过RLC 滤波电路得到波形较好的交流电与负载、或者经由PCC（Point of Common Coupling）与公共电网相连。每个子系统（如微电源、负载）都是由子控制器进行控制，这些子控制器再通过CAN 通信与MMC 连接，MMC 及时更新系统的动态特性再计算得到动作信息反馈回子控制器，作用于子系统。

1.3 CAN 通信网络硬件结构

该CAN 通信网络选择工作电压为3.3V 的TΙ公司的 SN65HVD231 收发器，本地控制器选择TMS320F2812，从控制器为TMS320F28069，他们内置CAN 控制器模块，支持1MBPS 的高速数据传输速率，微电网在发生故障时能快速甄别、隔离并解决故障。CAN 串口通信适用于复杂多变的工作环境，协议规范要求能应对电力系统的噪声干扰，它的自我诊断和错误数据自我修复功能，使得CAN 通信适用于微电网中电力电子器件的快速变换。

2 微机保护测控系统的软件设计

微机保护测控软件系统除了实现保护功能以外，还应具有以下几个功能：测量功能、控制功能、状态监测、时间记录、故障录波、通信功能等等。

2.1 微机保护主程序流程图

首先初始化开始，然后进行上电自检，主要包括程序的自检、定值的自检、输入通道的自检、输出回路的自检、通信系统的自检、工作电源的自检、数据存储器的自检、程序存储的自检等等。自检完成后通过框3 判断，若不通过转至20 框，发出告警信号并闭锁保护，等待人工复位，若上电自检通过，则开始数据采集工作。此时关闭保护功能，等待采集到足够多的数据开始开放保护功能。到8 框判断当前工作方式是调试方式还是运行方式：即处于调试方式还是运行方式，若是调试模式，则通过9 进行调试，进行通信任务处理、人机对话处理以及故障报告文件处理，然后进行自检，若自检通过则循环进行13～15，循环进行自检，若自检不通过则转至20 框，发出告警信号并闭锁保护，等待人工复位。若是工作在运行方式，则判别启动标志是否置位，若置位则进入故障处理程序模块，若未置位则启动判据处理，而后对是否满足启动条件作出判断，若不满足到13 进行循环自检，若满足启动条件则启动标志置位，进入故障处理程序模块，该模块完成装置的保护功能，是保护动作特性的核心部分。基本功能和处理步骤为：数字滤波和及特征量计算、保护判据计算及动作特性形成、逻辑与时序处理、告警与跳闸出口处理、后续动作处理，如重合闸及启动断路器失灵保护等、故障报告形成及整组复归处理。其中13 通信任务处理，中的通信不是指装置外部或者装置内部其它部分进行信息发送和接收，而是为信息发送和接收进行数据准备：如根据保护程序其他部分的数据发送请求而收集相关数据，按通信规约进行通信信息整理和打包，并将其置于数据发送缓冲区；又如对数据缓冲区的数据进行整理、分类和任务解释，并将其按任务类别交给相应的任务处理程序[5]。

图3 微电网微机保护流程图

2.2 CAN 通信系统软件设计

CAN 通信程序主要分为三个部分，初始化、发送程序、接受程序。邮箱0 配置为发送模式，邮箱16 配置为接收模式，采用扩展信息帧格式。发送采用查询方式，接收采用中断方式。

1）eCAN 模块初始化

CAN 模块使用前必须进行初始化，初始化只有当模块处于初始化模式下才能够进行。初始化时选择DSP 的CAN 控制器引脚定义、波特率的设定和收发邮箱参数等的配置。

图4 eCAN 初始化流程

2）数据发送程序

本测试程序中先定义需要循环发送的数据，然后邮箱0 发送请求置位为CANTRS.TRS0=1，邮箱0启动发送，等待邮箱发送位置1，CANTA.TA0=1，发送完成，再复位CANTA,开始发送数据[6]。流程图如图5所示。

图5 CAN 发送流程图

发送调试界面如下，初始化发送0123456789abcdef，然后开始循环发送123456 的ASCΙΙ 码。

图6 CAN 通信发送调试图

下面给出数据发送程序部分代码

3）数据接收程序

使能邮箱16，设为接收邮箱，当邮箱16 接收到消息后，接收消息悬挂寄存器CANRMP.RMP16= 1，同时又一个中断产生，清零RMP 位，CPU 开始从邮箱中读消息。在CPU 读取消息时，接收到新消息，CPU 需要再次读取数据，微机保护测控装置需要接收上位机传来的各种整定值、继电器开关信息等数据，用中断接收方式，可以提高CPU 的利用率，使系统的实时性更加出色[7]。

流程图如下：

图7 CAN 接收流程图

接收调试界面如下，循环接收01234567；

图8 CAN 接收调试界面图

下面给出数据接收程序部分代码：

3 结论

基于本文设计方法的微机保护测控装置实现对微电网测控保护单元通信的实时性、可靠性、灵活性。CAN 总线技术在微电网微机保护领域的应用将大大促进微电网微机保护的发展。

[1] 荣梅,王宏华,尹斌.DSP 内嵌eCAN 模块在微机保护测控系统中的研究与设计[J].机械制造与自动化,2010(1):108-109,162.

[2] 邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.

[3] 顾伟刚.手把手教你学DSP_基于TMS320X2812x[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[4] 林涛.微机保护装置硬件平台设计的发展趋势[J].中国电力,1999(4).

[5] 朱雪凌.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,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.