CAN总线技术在低压机组一体化装置中的应用

谢传萍（南京南瑞集团公司水利水电技术分公司，江苏 南京 211106）



CAN总线技术在低压机组一体化装置中的应用

谢传萍
（南京南瑞集团公司水利水电技术分公司，江苏 南京 211106）

摘要：为提高低压机组的自动化水平，实现低压机组的全自动操作，从低压机组的现状和控制要求出发，结合CAN总线的技术特点，分别从硬件和软件设计方面阐述了CAN总线技术在低压机组一体化装置中的应用。

关键词：小水电；CA N总线技术；低压机组；一体化控制

1低压机组现状

我国小水电资源十分丰富，可开发的小水电资源位居全球首位，已建成的农村水电站达到4.8万多座，其中约有80%以上是小容量的400 V低压机组，这些电站大部分是在20世纪60～80年代建成，至今已运行30年以上，多数没有进行过设备更新和改造，设备老旧或老化严重，自动化水平比较低，对电站和运行人员的安全存在一定的安全隐患［1］。

近年来，我国为有效的促进节能减排，改善生态环境，消除安全隐患，提高电站生产效率，出台了诸如小水电增效扩容改造、小水电代燃料工程、小水电新农村电气化县建设等激励措施［2］。其中，增效扩容改造主要是对电站现有设备进行升级改造，由常规控制方式转为自动控制方式，提高电站自动化技术水平，无疑是农村水电转变发展方式的重要举措。

近年来，现场总线技术、通讯技术发展迅速，特别是CAN现场总线技术具有实时数据传输、可快速实现信息共享的技术特点［3］，对于低压机组实现监控、保护、励磁、测量等采用一体化控制，可以有效提高低压机组电站的自动化水平。

2 CAN总线技术特点

现场总线技术经过近20年的发展，已经日臻成熟，逐渐受到了国内外自动化设备厂商和关键用户的青睐，并在电力自动化领域得到了越来越多的应用。其中CAN现场总线技术，由于其采用了许多新技术和独特的设计，数据通信具有更加突出的可靠性、实时性和灵活性。

CAN总线是一种多主方式的串行数据通讯总线，能够有效支持分布式控制和实时控制。最初是由德国Bosch公司为解决汽车中控制与测试仪器之间的数据通信问题，以减少不断增加的硬件接线而开发的，随后CAN接口逐渐成为微控制器的标准串行接口［4］。

为满足现场设备间通信的实时性要求，CAN总线采用分层结构，包括数据链路层和物理层。其中数据链路层是核心部分，负责完成过滤、过载通知和管理恢复，以及打包/解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能；物理层主要定义物理数据在总线上各节点间的传输过程，以保证CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求。

在电力系统领域，CAN总线技术的应用很多，如采用CAN技术的传感器和现场数据采集系统、电力控制设备等，不但提高了数据采集的实时性和灵活性，而且还提高了控制的快速性和可靠性。

3低压机组一体化装置的设计

低压机组主要是指单机容量在1 000 kW以下，发电机出口电压为400 V的小型发电机，其电气设备包括监控、保护、自动准同期、励磁、温度测量、转速测量、交流采样等设备。

如果考虑将这些电气设备在同一硬件平台上来进行设计，可以大大降低生产成本。低压机组一体化智能控制装置就是这样一款集监控、保护、励磁、同期、测量等功能于一体的设备，其软硬件设计均按照

在硬件设计方面，低压机组一体化智能控制装置通过统一的硬件平台，进行数据集中采集和处理，其硬件结构主要采用总线背板配合插件的方式。所有插件固定在一个标准的4U（44.45mm×4=177.8mm）全宽机箱中，插件主要包括电源、CPU、I/O、模拟量、温度量、交流量、保护、励磁、同期和MMI等插件，如图1所示。

图1一体化装置的背板和插件结构图

各插件通过与插箱背板相连，优化了各插件间的信号量采集，避免了信号重复采集，提高了各插件间的数据共享和处理能力，而且实现了插件相互之间的信息交换。其中，保护、励磁、同期、测速、开关量、模拟量等组件除完成各自核心功能外，还可将采集到的有效信息通过CAN现场总线送至智能控制器负责监视控制的CPU插件中，经过处理后再通过CAN总线网有效的送往各外围组件，如液晶屏和上位机后台，如图2所示。

图2一体化控制装置示意图

一体化装置的软件设计主要包括CPU和人机接口两个部分。

CPU是一体化装置的核心部分，主要负责完成数据运算处理、流程控制、负荷调节等功能，以及与其他插件和外部设备进行通讯，如图3所示。装置内各插件与CPU插件通过CAN网通讯方式进行数据交换，主要数据包括开关量输入、模拟量采集、交流量采集、控制输出、以及同期、保护、励磁等插件信号，装置预留了一个RS232接口，可以根据需要与外部设备进行通讯。

图3 CPU与外围设备连接图

其中：CPU软件设计包括板级支持、任务管理、内部通讯、外部通讯、以及应用程序等软件设计，人机部分软件设计主要是实现人机交互功能，包括液晶屏菜单显示、按键响应、与控制模块的数据交互等。

一体化装置以CAN总线为高速数据通道，完美的将各功能插件集成在一起，实现对低压机组的自动操作，能够以一个指令实现自动开停机和事故停机等操作，实现一键式操作。主要完成的功能还包括：

（1）具有自动准同期功能，能够自动调节有/无功功率；

（2）能够自动根据水位信号进行机组开停机，以最大化实现经济运行功能；

（3）具有发电机电流速断、过电压等继电保护功能；

（4）具有对外通讯接口，能够与监控后台机进行联网，实现远程监控功能以及报表记录、历史查询功能［5］。

4实际应用

在实际应用中，低压机组一体化智能控制装置可以和外围的电气一次、二次设备组成一面独立的屏柜，完成低压机组的监控和负荷调节，如出口断路器、隔离开关、互感器以及励磁可控硅整流器、灭磁及过压保护回路、电源系统、测量需要的仪表和操作按钮。

低压机组一体化智能控制屏通过高度集成、模块化设计，将传统模式中的监控、保护、励磁等系统设备进行优化和信息共享，进一步简化了这些设备间的现场接线，减少了信号量的重复采集，采用模块化、插件式设计，当模块故障时可直接更换，也降低了设备维护的难度。如图4所示，低压机组一体化控制屏的采集信号和控制输出回路大部分都集成在屏柜中，在厂家供货前完成组屏，在现场安装时只需要接入外部的回路信号，即可投入使用［6］。这样不但简化了设计工作，而且现场安装调试工作也大为减少，缩短了现场调试时间。

图4低压机组一体化屏结构图

5　结束语

CAN总线所具有的开放性特点，已被众多厂家掌握和应用，因此，选用CAN总线作为低压机组一体化装置的通讯总线是合理的。采用CAN总线技术设计的低压机组一体化智能控制装置具有经济实用、简单可靠及维护方便的特点，不但节省了业主的投资成本，保障了低压机组设备的可靠安全运行，而且也为电站实现“无人值班”（少人值守）运行方式提供了条件，提高了电站的经济效益。

参考文献：

［1］卢任文.400 V低压机组少人值班自动化控制系统［J］.小水电，2014（4）.

［2］张巧惠，邓小刚，杨春霞，等.农村小水电自动化控制技术现状及分析［J］.水电站机电技术，2012，35（3）：22-24.

［3］陶秋红，张伟龙.CAN总线技术及发展［J］.商场现代化，2007 （09）：11-12.

［4］杨树涛，杨戈，王亦宁，等.CAN总线技术在小水电综合自动化装置中的应用［J］.水电自动化与大坝监测，2010（4）：5-8.

［5］赵雪飞，谢传萍.小水电一体化控制技术及其应用［J］.水电自动化与大坝监测，2014，38（2）：64-66.

［6］聂旭旺，杨沐.低压机组一体化控制屏在农村水电中的应用［J］.小水电，2015（5）：69－71.

中图分类号：TV734.4

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）06-0034-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.012

收稿日期：2016-01-12

作者简介：谢传萍（1976-），男，高级工程师，从事水电厂自动化的研究工作。一体化的设计理念，以CAN总线为基础，采用模块化、标准化、插件式进行结构设计，具有体积小、功能强、运行可靠、维护方便等特点。