基于CAN通信技术的火电厂电气监控系统设计与研究

贾爱静

（河北燕山钢铁集团有限公司，河北 唐山 063000）

1 监控系统硬件与通信方案设计

1.1 监控系统硬件设计

1.1.1 处理器模块

处理器模块核心部分采用MOC555芯片，采用32位PowerPC结构体系，浮点单元可有效提升芯片执行速度。双CAN总线2.0控制器可满足16个8位发送和接入缓冲区的通信需要，4个可编程接口可为16类设备提供支持，两个串行通信接口可提供全双工或半双工通信需要，16位寄存器缓冲区可用于奇偶校验。芯片最高运行主频为40 MHz，可胜任火电厂实时监控任务。

1.1.2 数据采集模块

模拟量信号传输至INA2132芯片，通过内部两个运算放大进行缓冲处理，工作于射极跟随模式下可增大输入阻抗，有利于保证输入信号的稳定性。ADS8364芯片运行于5 V电压环境下，内置6个模拟量转换器和微分放大器，集成高速并行通信接口，16位模/数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）可确保信号采集工作的同步运行，将模数转换数值存至寄存器，自由选择单周期、单通道和先进先出队列（First Input First Output，FIFO）模式。为达到更高的分辨率，可采用外设电源AD780，确保芯片基准电压的准确性[1,2]。

1.1.3 开关量模块

开关量模块共设置80路开关量输出、320路开关量输入和1路频率量输入，配置4块开出板、9块开入板，采取插拔式接口来提升硬件配置的灵活性。通过EMP7128芯片对接口进行拓展，此芯片内部设置有多个门电路、宏单元以及逻辑阵列块，可编程互连阵列将不同单元进行连接，采用不同的逻辑模式来对不同使用功能进行设计。

1.1.4 开关控制模块

继电器由开关控制模块输出执行指令，采用光电隔离方式来防止电磁干扰带来的影响。采用EPM7128芯片的两个串口来输出电压，OT1口输出低电压、OT2口输出高电压，OUT口从外部得到24 V直流电压来驱动继电器线圈。

1.1.5 频率测量电路

火电厂电力系统运行频率是重要的监测指标，应该实现对频率信号的动态监测，采用LM211过零比较器将采集到的频率信号转变为方波，传送给MPC555时间捕获单元，可以得到两个正向脉冲，再由定时器两次翻转间隔对频率进行监测[3]。

1.1.6 CAN总线接口电路

控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线技术可以为监控系统提供数据交互的通道，采用MPC555芯片的内置CAN总线电路，不再另外设置控制器即可对CAN总线通信协议进行开发。在总线输出端上加设总线收发器和抗干扰光耦，光耦器件型号为6N137，切换时间为75 ns，可满足CAN总线数据传输要求。收发器为PCA82C2550，可为CAN总线提供差动性能，具有良好的抗电磁干扰性能，总线接口电路如图1所示。

图1 总线接口电路

1.2 基于CAN总线通信技术策略设计

1.2.1 CAN总线技术

CAN总线是一种分布式、实时控制的串行通信网，通过CAN控制器可实现不同类型单片机间的数据共享。该总线技术具有较好的检错性能，在外部复杂电磁环境下仍具有1 Mb/s的通信速率，传输距离可高达10 km，在电力系统监控领域有着广泛应用。数据链路层和物理层可对数据进行打包处理，选用通信数据块编码，通信网络可以覆盖更多的数据节点，采用11位或29位二进制数据作为标识码，数据块编码可用于网络节点数据信息的接收，具有很好的兼容性。数据信息长度为8 byte，可以满足火电厂对设备运行状态监控需求，还可以用于接收控制指令及数据信息测试，数据对总线空间占用较小，冗余校验方式具有很高的纠错性能，确保接收到准确无误的数据信息，有着很高的实用性[4]。

1.2.2 协议分析

CAN总线节点目标层用于寻取已发送报文，并查询传输层获取的报文是否被应用；物理层满足差异电气特征节点数据信息传送要求；传输层用于定义数据信息传输规则，确定新数据信息发送任务是否及时接收。为总线提供报文的单元为发送器，总线为非运行状态或单元没有被仲裁可一直作为总线发送器，如果某单元不是发送器且总线存在数据传送，则该单元为总线接收器。

在数据发送情况下，如果帧数据均准确无误，则可认为报文已经成功发送出去；如果没有发送成功，则按优先顺序再次发送信息。若发送器识别出总线为空闲状态，会及时发送数据；而如果接收到的数据信息均准确无误，则认为报文已经成功接收。报文发送以帧控制来描述，帧数据中含有多种有效信息，远程帧可对标识符相同的数据帧发出请求，出错帧可判断出总线单元存在的错误，每个单元均可发送出错帧，超载帧用于发送目前数据帧、以后数据帧、远程帧相互间的延迟时间[5]。

1.2.3 传输规则

采用IEC60870-5-103传输规则对传输帧数据单元进行规定，监控系统选用特定域，对服务数据单元进行定义。应用服务数据单元包括单元标识符和信息体，每个标识符均相同，均由4个8位字符构成。应用服务单元根据IEC60870-5-4规则进行设计，信息元素编码与定义不发生改变，火电厂监控系统数据单元标识符中包含公共地址。

数据链路层把需要发送的数据信息流打包处理为数据帧，按照规定好的协议对数据信息进行传输，将可靠性差的数据传输通道优化为成熟的数据链路。可变长度帧格式以先低后高顺序来发送数据，用于火电厂继电保护设备与监控系统间的数据信息交互。固定长度帧格式中有启动字符、链路地址等内容，火电厂继电保护与监控系统间的确认帧和询问帧满足该格式要求。采用非平衡方式来传送数据信息，如果监控系统把服务命令发送至继电保护装置或检测到报告含有错误，方可以进行其他数据服务。当发送确认与请求响应在进行通信时存在干扰，应该按等待、超时和重发顺序来传至下一帧。

1.2.4 CAN总线通信设计

国内电力行业通信标准遵从《远动设备及系统第5部分传输规约 第103篇 继电保护设备信息接口配套标准》（DL/T 667—1999），电气监控系统每个单元均根据此规则进行数据信息传输，每个单元连接至相同通信线路。通过简化监控系统通信网络结构，减小信息传输时延，有利于控制投资成本和运行维护。该通信规约将RS485作为前提，CAN总线应用该规约会存在链路层重叠问题，自身定义有链路层传输机制，链路层帧结构存在多个部分，总线差错监测性能较好。

2 火电厂电气监控系统的软件设计

2.1 中断程序设计

电厂电气监控系统控制程序结构较为复杂，采用模块化设计方式，对某模块进行调试与修改时不会对其他模块产生影响。结合MPC555芯片特性和功能，对监控系统任务与中断进行分割处理。任务模块用于启动NU_START，对数据信息进行采集处理，换算有效值，读取开关状态并实现硬件自检。低级中断模块进行GPS对时中断、AD中断、定时监测频中断以及CAN接收中断，高级中断模块启动CAN通信中断程序。

2.2 通信设计

电厂监控系统中的测控程序应该满足人机界面与底层控制系统间的数据通信需要，通信模块应该确保时间同步，对采集到的采样值、有效值、开关量等数据信息进行传输。监控系统运行过程中，人机界面将时间同步信息传送至继电保护装置，该过程不需要对应答帧进行确认，而将复位信息传送到继电保护装置时需要确认帧。人机界面获取到继电保护装置信息读取状态时，需要形成响应帧。人机界面没有收到确认帧或响应帧规定时间内的响应，要再次传输并满足重传次数要求。

2.3 软件设计平台

采用Nucleus PLUS平台，该平台为实时多任务系统，应用C语言及汇编语言开发，在平台上可完成程序编译，并完成库函数链接调用。其有内存管理和执行线程两种结构，执行线程通过中断、任务、系统3种线程来实现。任务为线程结构主要形式，通过该线程来实现用户功能，要满足优先级要求，高优先级先执行，同时需要遵守时间原则。中断线程中含有中断、高级中断两类服务程序，用户可自定义程序。此外，系统线程中含有信号处理、初始化、循环调度等。平台支持分块内存池、动态内存池，可对内存进行有效管理与分配，还为用户提供部分源代码程序，调用系统函数。

3 调试存在问题与处理

电流传感器主动发送数据信息至主控设备，通信系统中设置有A、B、C共3个节点。A、B节点运行过程中接入CAN通信分析仪，可识别波特率，抓捕数据包，但存在掉线问题。还可在CAN接收函数中实现接收邮箱数据功能，将函数编辑为CAN_Receive(CAN1, CAN_FIFO0, &RxMessage)。

启动备用变压器进行第一次受电时，差动保护无法正常动作，高压侧断路器存在跳闸现象。可将二次谐波制动系数修改为0.14，备用变压器再次受电时差动保护不动作。升压站中线路保护电流互感器极性弄反或对端线路不一致是会导致备用变压器受电时出现光纤纵保护误动作，需要更改电流互感器极性。而当备用变压器高压侧断路器二次回路接线存在错误，对防跳继电器电压线圈进行保护设计没考虑到电流线圈时，需要修改接线方式，确保防跳闸保护可正常动作。

4 结 论

很多火电厂的电气监控系统自控水平较低，还采用传统的硬接线和表计方式。基于CAN总线的网络通信技术可以采集设备运行状态信息，将数据信息共享给软硬件通信接口，结合采集到的信息对电厂设备进行控制。根据电厂监控需要制定CAN通信策略，按照硬件和通信需要设计中断程序、模块化程序以及系统函数的调用，可为后续调试开发提供便利，确保电气监控系统正常运行。