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1、基于CAN总线的网络化微机保护硬件平台的设计王洪涛，何方（南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 510405）摘要：提出了一种内部基于CAN总线的网络化微机保护硬件平台的设计方案。在微机保护装置内部，将传统的保护模块、人机模块、通信模块、开入模块、开出模块等均设计为智能模块，具有独立的CPU，各功能模块之间通过内部CAN网进行通讯。模块的网络化设计大大缩短了硬件开发周期，使基于此平台设计的微机保护装置具有一定的通用性。同时，硬件平台的网络化提高了软件的可移植性，使其更易于实现模块化，同时使微机保护装置内部的数据共享更加方便。由于各模块没有直接的电气联系，网络化的硬件平台使系统的可靠性和抗干
2、扰能力大大提高。文中提出的方法为实现微机保护装置的平台化提供了一个很好的解决方案，在其基础上开发的高压微机线路保护装置证明了该平台设计方案的可行性和优越性。关键词：微机保护；网络化；硬件平台；CAN总线0 引言 继电保护装置作为保障电力系统安全稳定运行最重要手段之一，其重要性是不言而喻的。硬件平台系统作为保护原理的载体，是实现各种保护功能的基础，其性能的优劣直接决定了保护装置的整体性能。随着电压等级的提高、保护原理和算法的不断改进以及继电保护装置分散、就地布置的趋势，电力系统的发展和继电保护技术的进步对继电保护的硬件提出了更高的要求，研究高可靠性的硬件平台成为当务之急。微机保护装置硬件的平台化
3、研究一直是微机保护工作者研究的一个热点1-5。但现有的大多数微机保护硬件平台各插件之间仍存在很强的电气联系，抗干扰能力有限；保护CPU同时要兼顾开入开出及通道的自检，负荷率较高；不同结构的硬件平台导致软件可移植性较差。 文中提出了一种内部基于CAN总线的网络化硬件平台的设计方案，将各功能模块设计成具有通用性的智能模块，各模块之间通过内部的CAN网络进行通信，从而很好的解决了硬件平台化和通用化的问题6。与传统的微机保护装置相比，该平台的主要优点如下：（1） 通用化的硬件平台从根本上减轻了硬件设计的工作量、缩短了产品的开发周期、节省了开发费用， 并且大大减轻硬件与底层驱动软件调试的工作量1；（2）
4、 平台化和模块智能化的设计同样减轻了各模块软件开发的难度，从根本上减轻了CPU的工作量和软件开发的难度，并且为实现软件的模块化和平台化提供了很好的硬件平台；（3） 由于装置内部各功能模块之间通过CAN总线进行通讯，彼此没有直接的电气联系，从而大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力；（4） 平台化的硬件减少了生产厂家产品和备用品的种类，从而提高了生产厂家的经济效益，同时，用户对产品的掌握和操作也更加容易，大大减轻了产品维护和升级的难度。微机保护装置内部采用网络化设计，由于增加了CPU的数量，成本有所提高，但考虑到一方面，随着计算机技术的飞速发展，各种高性能的单片机、DSP等处理器的性价比越来越高，从
5、而使硬件的成本越来越低；另一方面，采用网络化之后保护在可靠性、通用性和可扩展性方面较目前的保护装置有巨大优势。因此，文中提出的微机保护装置内部网络化设计思路可以为全面提高微机保护的性能提供了一个很好的解决方案。1 总体设计目前应用最为广泛的微机保护装置一般采用插板式结构，功能插件包括保护插件、人机插件、电源插件、开入插件、开出插件、通讯管理插件和模拟变换插件等，各插件采用后插式插到背板上，各插件通过背板上的总线进行电气连接2。由于一般只有保护插件、人机插件、通信插件上有CPU，因此每个CPU要处理的信息量很大，软件也较复杂，而且在硬件方面，连接各插件的背板一般要走很多线，各插件相互之间一般都有
6、很强的电气联系，由于总线极易受干扰，从而使微机保护装置的可靠性大打折扣。现场总线技术的飞速发展和逐渐成熟，尤其是其在工控领域的成功应用，表明网络是模块化分布式系统中相互联系和通信的理想方式6。现场总线的种类很多，文中采用CAN总线进行内部组网。与其他现场总线相比，CAN总线以下几个明显的优点：（1）抗干扰能力强，可以应用于电磁干扰比较大的场合。CAN总线被广泛应用于汽车环境中的微控制通信，形成汽车电子控制网络。可靠的错误处理和检错机制、独特的非破坏总线仲裁、硬件自动重发、 采用短帧结构、CRC校验等独特的功能使CAN总线成为目前抗干扰能力最强的现场总线之一7,8；（2） 总线利用率高，数据传输
7、距离远(速度降到5Kbps以下时传输距离可达10km)，数据传输速率高（通 讯距离小于40m时传输速度可达1Mbps）；（3）成本低，连接简单，应用方便。CAN的通讯模型只有物理层、数据链路层和应用层。应用层数据直 接取自数据链路层或直接向链路层写数据，应用层协议可以由用户自己制定，大大减少了用户代码开发的工作量和难度。整个硬件系统由保护测量模块，人机模块，开入模块，开出模块，开出模块，通讯管理模块，模拟变换模块和电源模块组成。处理器采用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812。TMS320F2812是一款性价比很高的32位定点DSP，内部采用哈佛总线结构，运行速度可达150MHZ。TM
8、S320F2812片上集成了丰富的外设资源，包括18K16bit的RAM，16路12位A/D，2路SCI异步串口，1路SPI同步串口，1路增强型同步串口MCBSP,一路增强型局域网控制器（Ecan），并且具有128K16bit片内 FLASH。此外，TMS320F2812采用统一寻址，最大可达4MB的程序/数据寻址空间9。系统采用TMS320F2812作为主处理器芯片，一方面考虑到其高性价比，可以最大程度的降低多CPU带来的成本问题；另一方面充分利用其丰富的片上外设资源，做到“总线不出芯片”的设计原则。整个系统的结构框图如图1所示：图 1 系统结构框图Fig.1 Structure of th
9、e system2 通用化硬件平台各模块功能与结构2.1 交流变换模块和保护测量模块交流变换模块负责将CT的电流信号和PT的电压信号变成AD转换范围的电压信号，经过处理后的信号通过背板送入保护测量模块的采样部分，跟目前微机保护的模拟量变换模块没有差别。保护测量模块完成信号的采样与计算、完成各种保护逻辑等。考虑到网络可能会阻塞或产生的延时太长，因此，为提高开入开出的速度，保护模块通过IO口直接输入开入信号和输出开出信号。开出信号与开出模块的开出信号通过与门控制跳闸输出，开出模块的CPU实时检测开出通道，若通道故障，立刻闭锁开出。由于无需检测通道的故障，开出的速度和可靠性大大提高。同样，开入通道的
10、检测也由开入模块的CPU完成。各开入信号都分别通过两个光电隔离芯片连接到保护和开入模块的CP U，一方面，保护模块通过内部CAN网得到开入模块发送的开入信息（软件设计中，开入信息在网路中的具有最高的优先级，其网络报文发送时间远小于1 ms，相对于开入的确认时间，CAN网络的信息传送时间完全可以忽略），一方面通过IO口直接读到开入信息，只有两边的开入信号完全一致时才判断为开入信息为正确信息。保护测量模块结构框图如图2所示：图 2 保护测量模块的结构框图 Fig2 Structure of the protection and measuring module2.2 通信管理模块作为电力系统中一种
11、分布式智能电力设备（IEDS），微机保护也是信息交换的重要网络节点和通讯模块。由于通信的特殊性，一直以来都会占用CPU很多执行时间。因此，将通信部分设计成一个独立的模块来完成通信功能。由于对外通信时可能占用CPU较多的时间，因此通信管理模块采用双CPU结构，一个CPU主管内部通信，另外一个CPU主管对外通信，双CPU之间通过双端口RAM交换数据。为适应不同的通信需求，通信管理模块对外分别扩展了两路RS485通信接口、一路10M电以太网通信接口（10Base-T）、一路10M光纤以太网接口（10Base-FL），各接口对外均通过高速光电隔离芯片进行隔离11-14。通信管理模块的结构框图如图3所示
12、：图 3 通信管理模块的结构框图 Fig3 Structure of the communication module2.3 人机接口模块人机接口模块完成人机对话，人机模块所有的显示信息均从CAN网中获取。除液晶显示、键盘和LED灯外，为方面用户，人机模块还设置了八个快捷键，用于一些最常用的操作如打印滤波波形或数据、打印装置信息和运行工况、打印修改定制区等（具体的定义可以根据不同的保护功能来设置或由用户指定）。2.4 开入模块和开出模块开入模块和开出模块负责处理开关量的开入与开出信息、执行继电器的跳闸与合闸等操作。为满足不同保护功能的要求，开入开出模块可处理24路开关量的开出和24路开关量的开
13、入信息。开入模块和开出模块的CPU主要负责实时检测各开入开出通道的状态。如果开出通道异常或故障，开出模块CPU将立刻闭锁开出通道并将故障信息通过CAN网传递给其他模块。开入模块如果发现某路开入的开入量发生变化、通道异常或故障，也会立刻将信息传递给保护测控CPU，待保护CPU通过其直接开入通道读取并确认后决定下一步动作的执行。 2.5 电源模块电源模块负责给系统各部分供电，由于各模块之间通过网络互连，因此电源模块设计成分布式供电方式，即各模块的电源均不共地。分布式供电虽然使整个系统的供电效率有所降低，但可以大大减小一路电源的功耗，即每路供电电源的电流要求较非分布式大大减小，并且提高了电源模块的抗
14、干扰能力，从而使整个系统的供电可靠性大为提高。 3 实际应用采用该硬件平台设计了一套高压微机线路保护装置，该装置可用于220KV及以上电压等级的线路保护，主保护为全线速动的纵联距离保护，后备保护包括三段式相间距离和接地距离保护、四段式零序及零序反时限保护,并具有综合重合闸功能。系统各模块内部采用DSP/BIOS进行任务的调度。DSPBIOS是TI公司提供的一个实时操作系统，由多线程实时内核、实时分析工具和芯片支持库组成。它占用CPU资源少，支持系统实时分析、线程管理、软件中断调度、周期函数、idle函数以及外部硬件中断和各种外设的管理。采用DSP/BIOS进行任务的管理和调度后，系统的实时性大
15、大提高。实践证明，该装置在速动性、可靠性、可扩展性等方面均表现出优良的性能，模块间的网络化设计使系统的抗干扰能力得到了很大提高，一次性通过了相关的电磁兼容试验，包括1MHz和100KHz衰减震荡波干扰（III级）、静电放电干扰（III级）、辐射电磁场干扰（III级）和电快速瞬变脉冲群干扰（IV级）。4 结束语随着IEC61850的颁布和逐步推广，微机保护在通讯协议方面有望得到彻底的统一和规范，实现不同厂家、不同型号的微机保护装置的互操作也将随着IEC61850的应用得以实现。但微机保护硬件平台化和通用化虽然研究的较早，但实现的过程却十分缓慢，因为微机保护硬件的平台化是一个涉及到很多方面的复杂设计问题，除应实现内部的插件的智能化和通用化以外，还要考虑机械设计、外观设计等多方面的问题。文中对实现各插件的通用化和智能化进行了一种有意义的探索，随着计算机、通信技术的不断发展和电力系统微机保护技术的不断成熟，软硬件通用化和平台化必将成为未来的发展趋势。参考文献 易永辉，赵志华，等一种新型的微机保护软硬件平台继电器，2002，30(6)：2628，39YI Yong-hui，ZHAO Zhi-hua，et al A new software and hardware frame of relay protectionRELAY， 2002，30(6)：2628，39 陈皓
