0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的進(jìn)步，電力設(shè)備向著可通信、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。低壓斷路器是為供配電網(wǎng)絡(luò)提供過(guò)載、短路和欠壓等保護(hù)及避免接地等故障破壞的重要電氣元件，智能控制器是實(shí)現(xiàn)其測(cè)量和完成各種保護(hù)功能的核心控制單元，斷路器的智能化主要體現(xiàn)在控制器上。

目前，國(guó)內(nèi)正致力于開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)第四代斷路器，斷路器需具有智能化、模塊化、可通信化的功能，供電系統(tǒng)中多臺(tái)智能型斷路器需實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、連鎖保護(hù)功能。

智能斷路器接入控制網(wǎng)絡(luò)有多種方案，如基于現(xiàn)場(chǎng)總線的嵌入式網(wǎng)關(guān)，設(shè)備通過(guò)嵌入式模塊而非PC 接入Internet。這種方案占用空間大，成本高，開(kāi)發(fā)任務(wù)重，其質(zhì)量與底層設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性聯(lián)系密切。也有采用“分布式Web服務(wù)器”方案，由于采用裁減過(guò)的嵌入式TCP /IP協(xié)議棧和嵌入式Web 服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)功能較為單一，安全性差，只適用于需求較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。

目前，由于許多現(xiàn)有斷路器僅具備現(xiàn)場(chǎng)總線接口，直接開(kāi)發(fā)具有Internet 接口的斷路器成本高，底層開(kāi)發(fā)難度大，且很難與其他設(shè)備進(jìn)行相互通信。故需根據(jù)不同的工作環(huán)境特點(diǎn)和通信要求，分級(jí)采用不同的通信方式，用協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)連接。本文建立了CAN/EtherNet /Internet三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)現(xiàn)了跨越現(xiàn)場(chǎng)總線/以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)體系的智能管理，不僅能保證現(xiàn)場(chǎng)信息傳遞高可靠性、實(shí)時(shí)性，也能兼顧遠(yuǎn)程通信傳輸距離遠(yuǎn)、速率高的需求，從而實(shí)現(xiàn)斷路器在電力系統(tǒng)各級(jí)的在線監(jiān)控和信息管理。

1 智能斷路器網(wǎng)絡(luò)模型

在三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型中，要兼顧各級(jí)性能，需選擇不同的運(yùn)行機(jī)制。第一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)智能斷路器級(jí)，為強(qiáng)電環(huán)境，電磁干擾強(qiáng)，需提取各種電量的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)向上傳輸。本文選用了CAN 總線完成通信功能。CAN 總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線有很多優(yōu)勢(shì)。如采用短幀結(jié)構(gòu)，一幀有8 bit，通信實(shí)時(shí)性好且受干擾率低，CRC 校驗(yàn)及其他校驗(yàn)措施保證了高可靠性，其通信速率最高達(dá)1 Mb /s /40 m，另外開(kāi)發(fā)成本低，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

但基于CAN 總線的通信最多不超過(guò)10 km，故在主控制室級(jí)轉(zhuǎn)為基于IP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)方式傳輸。在這一級(jí)對(duì)上要接入互聯(lián)網(wǎng)，滿足兼容性，可靠性的要求，對(duì)下要傳輸現(xiàn)場(chǎng)電量參數(shù)和控制信息，需滿足實(shí)時(shí)性、高速率的要求。另外，在本級(jí)要實(shí)現(xiàn)斷路器區(qū)域連鎖保護(hù)的功能，需具有一定的計(jì)算存儲(chǔ)能力，故用PC 機(jī)作監(jiān)控機(jī)，可滿足各種管理要求。而采用以太網(wǎng)作通信接口，支持大部分流行的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，傳輸速率為10 M/100 m，采用全雙工通信方式，能較好滿足實(shí)時(shí)性要求。在電力調(diào)度中心級(jí)，為了滿足各種電力信息服務(wù)的需要，將工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)入開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，在接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)要考慮安全性的問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)模型中，首先通過(guò)對(duì)單個(gè)斷路器的智能控制器測(cè)量模塊、微處理模塊、通信模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成基本的保護(hù)功能，然后對(duì)各級(jí)斷路器通信，實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖保護(hù)，與電力調(diào)度中心通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖1 所示。由此可見(jiàn)，斷路器三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型具有兼容性、可擴(kuò)展性，可在硬件不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件編程，使系統(tǒng)具備較大的適用性和升級(jí)能力。


圖1 智能斷路器三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型.

2 低壓開(kāi)關(guān)室智能斷路器級(jí)

2. 1 智能控制器硬件電路

斷路器智能控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，需實(shí)現(xiàn)測(cè)量、分析、執(zhí)行動(dòng)作、通信等功能，硬件電路如圖2所示。其中，速飽和電流互感器提供自生工作電源，傳感器、空心電流互感器等智能儀表實(shí)時(shí)采集三相電壓、四相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)等參數(shù)，A/D 轉(zhuǎn)換后送入微處理單元進(jìn)行存儲(chǔ)、電能質(zhì)量分析、保護(hù)值計(jì)算，然后通過(guò)鍵盤(pán)和LCD 液晶屏整定參數(shù)值和動(dòng)作時(shí)間，顯示各參數(shù)，發(fā)出故障報(bào)警信息，同時(shí)發(fā)送信號(hào)給磁通變換器執(zhí)行脫扣命令。作為智能控制器核心的微處理單元，選用內(nèi)部集成CAN 控制器的高速微處理器DS80C390，最大時(shí)鐘頻率可達(dá)40 MHz，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)。為避免電磁干擾，用光電耦合電路加以隔離，外接CAN 收發(fā)器SN65HVD230。

該收發(fā)器為協(xié)議控制器與物理傳輸線路間的接口，提供兩者間的差動(dòng)收發(fā)功能，可用于較高干擾環(huán)境下，在不同速率下均具有良好的收發(fā)能力。


圖2 智能控制器硬件電路圖.