多控制器局域网总线式光纤网的故障录波及数据采集系统的制作方法

专利名称：多控制器局域网总线式光纤网的故障录波及数据采集系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统的自动化检测技术领域，特别涉及基于控制器局域网总线的故障录波及数据采集系统。
背景技术：
典型的分布式控制系统由现场设备接口与控制器以及通信设备组成，设备间的信息互联，需要一种信息传送的载体。而现场总线FB(Field Bus)技术是采用一条通讯线路将所有设备串联起来(即串行通讯方式)，每个设备控制单元靠标识码参与信息交换与命令传递，避免了集散控制系统DCS(Discreted Control System)方式的星形布线量大、通讯距离短等固有性质所造成的各种麻烦。可以说，现场总线技术在工业过程控制领域的成功应用，是自动化领域技术进步的一个重要里程碑。
控制器局域网(Controller Area Network简称CAN)，由于它的数据通信具有高性能，高可靠性，CAN总线在现代工业中的应用越来越广。其主要特点如下1)CAN为多主方式工作，网络上任意节点均可以在任何时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，并以标志符ID标定，其值越小，优先级越高，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输。3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续发送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。4)CAN只需要报文过滤波即可实现点对点、一点对多点。5)CAN总线通信格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节也不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。6)CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。CAN信息包的数据帧是携带数据由发送器至接收器的帧，是CAN 4种帧格式之一，这种帧格式分别是数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。数据帧的主要结构有(1)帧起始标志数据帧的起始，它由单个“显性”位构成，在总线空闲时发送，在总线上会产生同步作用；(2)仲裁场由11位标识符和远程发送请求位组成，为显位表示数据帧，隐位表示远程帧。标识符由高至低次序发送，且前7位不能全为隐性位，标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优先权越高，发生冲突时优先发送；(3)控制场由6位构成，前2位为保留位，为显性，后4位为数据长度码，表示数据场中数据的字节数，必须在0～4的范围内变化；(4)数据场由被发送数据组成，数目为控制场中决定的1～8个字节，第一个字节的最高位首先被发送；(5)循环冗余码校验场包括循环冗余码校验序列15位和CRC界定符(1个隐位)，用于帧校验；(6)应答场由应答间隙和应答界定符组成，共两位；(7)帧结束由7位隐性位组成，此期间无位填充。
在CAN系统的实际应用中，主站负责整个网络。它向从站发送各种控制命令，从站按照来自主站的命令进行操作。主站可以选择任意一个从站交换数据信息，任一从站一旦被选中，即可以接收来自主站的信息，也可以依据从站的命令向主站回送信息。当某一从站发生故障时，可以主动向从站发送有关信息。任一从站与主站交换信息时，必须带上从站地址信息。
90年代出现的柔性交流输/配电系统技术亦称FACTS/DFACTS(Flexible ACTransmission System/Distribution Flexible AC Transmission System)技术，是应用现代电力电子技术、微处理技术、现代通信技术和现代控制技术对电能进行转换、控制的一种高新技术。FACTS用电力电子技术改造输电系统，静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator简称STATCOM)是其核心技术的代表，STATCOM是无污染、静止的无功发生装置，可安装在负荷中心，在电压低时，特性硬，补偿效果好；惯性小，响应时间快(约30毫秒)；可以正负、平滑、快速地调节输出无功功率，解决了无功输送困难的问题，满足了电力系统的需要。链式STATCOM(Cascade STATCOM)是柔性输电系统FACTS技术在电力系统中的具体应用，是当前国际电工领域的前沿研究课题。研究开发STATCOM，具有重大的理论意义和实用价值，该技术对未来能源的发展利用有变革性的重要影响。链式STATCOM系统主要由直流侧电容、电压型逆变器等部分组成，链式STATCOM通过连接变压器或连接电抗器接入电网。逆变器输出幅值与相位可调的电压，通过实时改变这一幅值和相位，可改变STATCOM吸收或发出的无功电流，从而实现动态无功补偿。STATCOM可以等效为幅值和相位均可控制的、与电网同频率的交流电压源。对于理想的STATCOM(无功率损耗)，仅改变输出电压的幅值即可调节其与系统的无功交换当STATCOM输出电压小于电网电压时，STATCOM吸收领先的无功功率；反之，STATCOM发出领先的无功功率。总之，STATCOM输出电流不依赖于电压、响应更加迅速、动态电压补偿效果更好，特别是异常等情况下性能更优。此外，STATCOM还有损耗小、占地面积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，性能全面优越于其他传统的无功补偿装置。
随着电力电子技术的进一步发展，链式STATCOM必将得到长足的发展。FACTS或DFACTS装置不同于传统电力系统元件装置的显著之处在于响应的快速性(微秒级)、控制的精确性和抗干扰的相对脆弱性。链式STATCOM作为一电能变换装置，其运行状态经常随负载的变化而变化，并且STATCOM一旦出现异常情况，需将当前状态立即切换到紧急状态以尽量保证链式STATCOM的安全，即需要链式STATCOM的监控系统能够及时准确动作，并且监控系统中的监测与控制需紧密结合在一起以提高监控系统的响应速度。为了保证链式STATCOM的安全可靠运行，链式STATCOM的分层分布式监测系统除了需对链式STATCOM系统的工作状况进行严密监控之外，还需对监控系统自身设备元件如模拟量采集卡、数字量采集卡等的工作状况进行实时、可靠的监视，因为这些外设的工作正常是监控系统实现可靠工作的前提。
目前科技文献大量报道有关基于单路CAN总线的双绞线通用数据采集系统，该系统既没有故障录波功能又不是应用于链式STATCOM。其中，相近的一篇文献是陶晓农，徐石明，陈朝勤，《基于光纤或CAN网络的分散式变电站监控系统》，电力系统自动化，第21卷，第7期，1997年7月，pp64-67；该分散式变电站监控系统以站内一次设备为对象，把继电保护与监控单元装置直接安装于相应的一次设备上，就地实现保护功能及信息的采集与控制。在大大缩小的中央控制室内只设置通信管理设备及站级计算机，实现全变电站运行状态的实时数据采集，通过与远方控制中心按远动规约的通信实现传统的远动功能，通过光纤或控制局域网络(CAN)将变电站内的设备监控单元、保护单元、通信管理设备连接起来，完全取消传统的控制电缆。以这种方式实现的变电站监控系统，具有如下特色将保护单元、监控单元直接安装于一次设备上，完全取消控制电缆的使用，代之以数字通信介质光纤或CAN总线，逻辑清楚，简化了设计、施工与维护；在中央控制室内仅需安装通信管理单元及可选用的站级计算机，其建筑面积可大为减小，减少了整个变电站的设计、建设费用；分散式监控系统除可用于新建中、低压变电站，实现上述全分散式的综合自动化外，还可用于各级高、中、低压变电站，实现简便的老站改造及新建站按对象的配屏。分散式变电站监控系统采用分层分散式设计，系统分3层实现，即站级计算机层、通信管理层、I/O单元层。I/O单元层包括监控单元和保护设备，直接与一次设备接口。这些单元通过光纤与通信管理层连接或CAN总线与通信管理层连接，实现信息的收集与分配。通信管理层在变电站内与站级计算机通信，将实时数据及事件信息送到实时/历史数据库内，供当地实时监控及数据存档使用。通信管理层与远方数据采集系统按规约通信，实现远动功能。同时也可通过拔号及公用电话交换网支持远程诊断。站级计算机是系统的最高层，完成数据采集、数据库管理、站级控制、人机接口等功能。根据要求的不同，站级计算机可以是基于工业控制PC机及MS-Windows平台的系统，也可以是基于工程工作站及TCP/IP网络的多功能数据采集系统。站级计算机主要具有下述功能1)数据收集及处理从I/O单元层收集到的实时测量值及状态信息通过通信管理层送入站级计算机后，存入实时数据库，并用以算出其它数据，如功率总加、平均负荷等。2)屏幕显示与报表生成将上述实时及计算数据以直观的图形、表格等形式提供给操作维护人员，帮助其掌握变电站的实时运行工况及执行控制操作。3)异常检测及告警系统监视变电站的运行工况，在异常时发出声、光等告警信息。4)优化控制系统可自动或手动执行自动电压无功控制，可自动按最经济方式投切主变等进行运行方式的最优化控制。5)数据登录系统实时登录运行工况，特别是事件及操作等，以便在事故后进行分析。通讯管理层的高速总线型网络支持高速、高可靠性的CAN总线网络，实现在控制室内及分散到开关柜的通信网络。以这种方式实现的监控系统不仅适用于中低压变电站，实现安装到开关柜的分散式监控，也非常适用于220kV及以上等级变电站，实现按间隔为对象实现集中配屏的分布式监控。
上述文献所述的监控系统是基于光纤或CAN网络的分散式变电站监控系统，即应用于变电站的分散式光纤监控系统或应用于变电站的分散式CAN监控系统。文献所述监控系统的缺点1)光纤网络价格昂贵且实现困难；2)通讯协议要单独开发，不通用；3)单CAN网络不能实现高要求的热备用；4)CAN网络不能实现绝对的强电和弱电的隔离；5)没有故障录波功能；6)不能应用于链式STATCOM的监控系统中。

发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计一种基于多控制器局域网(CAN)总线光纤网络的故障录波及数据采集系统。本发明适用于一般的大容量链式STATCOM系统或其他柔性输配电系统FACTS/DFACTS装置的实时分层分布式监测系统。
本发明提出的一种多控制器局域网(CAN)总线式光纤网的故障录波及数据采集系统，其特征在于，包括具有多个控制器局域网(CAN)接口的通用计算机接口卡及多个控制器局域网(CAN)节点；所说的多个CAN接口通过光纤调制器和光纤解调器与多CAN总线式光纤网络相连，所说的多个CAN节点之中有一个全球卫星定位系统-控制器局域网(GPS-CAN)授时节点，每个CAN节点均与多CAN总线式光纤网相连；每个CAN节点包括由微控制器，以及分别与其相连的数据存储器、程序存储器、拨码器、数码显示、电源、模数转换器、数模转换器、数字量输入和输出、标准串行接口组成的微控制器系统，与该微控制器相连的多个CAN控制器，所说的每个CAN控制器依次与一个CAN光纤信号发送/接收单元、一个CAN收发器和一个CAN光纤接口电路相连构成一路CAN总线的光纤接口信号发送/接收电路，该发送/接收电路与一路CAN总线式光纤网相连；所说的程序存储器和数据存储器构成微控制器的程序和数据存储系统；所说的模数转换器和数模转换器用于采集和输出模拟量的外围通道；该数码显示是由数码管组成的显示CAN节点号的单元；该拨码器是选择/设置CAN节点号和CAN通讯速率的单元；电源单元是给CAN节点提供电源；该数字量输入和数字量输出单元是光电隔离的数字量输入接口和光电隔离的数字量输出接口；CAN信号通过CAN光纤接口电路和CAN网络上的其他CAN节点进行就地通信。
本发明的特点及效果本发明根据系统监测到的主电路设备工况来判断链式STATCOM系统工作的状态和故障状态；对故障信号进行完整录波；本发明整个数据采集系统以CAN总线为基础，设置有总线式CAN光纤接口，有可靠的多CAN光纤通讯网络。干线光纤数据传输网络采用光纤调制解调器；每个CAN节点的电气输出信号都转换为光信号输出，CAN节点的对地绝缘符合35kV绝缘标准，实现强电和弱电的彻底隔离；CAN总线通过硬件可以选择0-1MBPS的通讯速率；使用全球卫星定位系统(Global Position System-GPS)设置系统时间，采用广播方式和各个CAN节点进行对时；每个CAN节点具有自诊断功能；CAN节点的地址编号由拨码开关设置并在数码管电路上显示出来。
本发明将CAN现场总线应用于电力系统线路分段保护监控单元中，有利于实现电力系统中检测的实时性和可靠性。在现有设备的基础上，进一步提高了电网的自动化检测和管理水平，对提高供电的可靠性、增加电网的经济效益有着重大的意义。
本发明可应用于链式STATCOM等FACTS装置的分层分布式监测系统中。


图1是本发明的双CAN总线式光纤网的故障录波及数据采集系统实施例组成示意图。
图2是本发明的双CAN总线式光纤网CAN节点组成实施例示意图。
图3是本实施例的双CAN总线式光纤网CAN节点具体组成示意图。
具体实施例方式
本发明设计的基于双控制器局域网(CAN)总线光纤网络的故障录波及数据采集系统实施全结合附图详细说明如下本发明的双CAN总线式光纤网的故障录波及数据采集系统实施例的组成如图1所示。包括具有2个CAN接口的通用计算机接口卡及多个CAN节点；2个CAN接口通过光纤调制器和光纤解调器与双CAN总线式光纤网络相连，多个CAN节点之中有一个全球卫星定位系统-控制器局域网(GPS_CAN)授时节点，每个CAN节点均与双CAN总线式光纤网相连。
图中，计算机CAN卡是具有2个CAN接口的通用计算机接口卡。计算机CAN卡的2个CAN接口分别是CAN接口1(CANH_1、CANL_1)和CAN接口2(CANH_2、CANL_2)；2个CAN接口通过光纤调制器和光纤解调器和双CAN总线光纤网络相连。双CAN光纤网理论上可以有242个CAN节点，本实施例设置有40个CAN节点，如图1所示的CAN节点1到CAN节点40。其中第40个CAN节点是GPS_CAN授时节点，它接收GPS标准时间，以广播方式将标准时间发布到双CAN网络的所有节点上。
本实施例的双CAN总线式光纤网CAN节点组成如图2所示，每个CAN节点包括由微控制器，以及分别与其相连的数据存储器、程序存储器、拨码器、数码显示、电源、模数转换器、数模转换器、数字量输入和输出、标准串行接口组成的微控制器系统，以及与该微控制器相连的两路CAN总线的光纤接口信号发送电路/接收电路。每路CAN总线的光纤接口信号发送/接收电路由一个CAN控制器、CAN光纤信号发送/接收单元、CAN收发器和CAN光纤接口组成。上述各元器件均可选用常规已知产品。
本发明的微控制器系统是CAN节点的核心；程序存储器和数据存储器构成微控制器的程序和数据存储系统；模数转换和数模转换用于采集和输出模拟量的外围通道；数码显示是由数码管组成的显示CAN节点号的单元；拨码器是选择/设置CAN节点号和CAN通讯速率的单元；电源单元是给CAN节点提供电源，本实施例为48V直流电源；数字量输入和数字量输出单元是光电隔离的数字量输入接口和光电隔离的数字量输出接口；本实施例选用RS-232或RS-485作为供选择的标准串行通讯接口。
本实施例的双CAN总线的光纤接口信号发送电路和接收电路组成如图3所示，其中虚线框内的内容与图2中虚线框内的内容相同，以一路为例详细说明如下本实施例的CAN控制器采用SJA1000，CAN收发器采用82C250，发送/接收单元由一对驱动器75451、一对光纤发送器T-1528和一对光纤接收器R-2528组成；本实施例的工作原理为CAN控制器SJA1000接收微控制器系统的CAN电信号，经过驱动器75451驱动后送光纤发送器T-1528，完成将CAN电信号变成CAN光纤信号发送出去；光纤接收器R-2528将接收的CAN光纤信号转换成电信号通过CAN收发器82C250经光电隔离器与CAN光纤接口电路送到CAN网络上去；CAN收发器82C250经光电隔离器与CAN光纤接口电路接收CAN网络的CAN电信号，经过驱动器75451驱动后送光纤发送器T-1528，完成将CAN电信号变成CAN光纤信号发送出去。光纤接收器R-2528接收CAN光纤信号，转换成电信号后通过CAN控制器SJA1000送给微控制器系统。本实施例的基于双控制器局域网(CAN)总线光纤网络的故障录波及数据采集系统，由包括GPS_CAN节点在内的40个双CAN节点组成。每个双CAN节点总线通讯速率设计为0-1MBPS；每个双CAN节点的总数字输入量12路；总数字输出量8路；总同步模数转换输入模拟量6路。使用全球卫星定位系统GPS设计系统标准时间的GPS_CAN节点。每个双CAN节点设计有双CAN光纤通信接口，每个双CAN节点用跳线设置本CAN节点地址编号，用数码管显示CAN节点地址编号。双CAN节点连续进行3路模拟量录波，故障信号出现时，继续录波2周期后存储前后2周期共80毫秒的录波数据，数据采集时间小于20微秒。双CAN节点平时定期发送2周期数据及数字输入量状态到上位集中监控计算机，STATCOM故障出现时，上位集中监控计算机发出数据召唤命令来读取双CAN节点里录波的数据。双CAN总线通过光纤网络连接所有双CAN节点。CAN节点采集的模拟量输入信号是和被监测对象STATCOM共地的，CAN光纤信号发送/接收单元中的光纤发送器、光纤和光纤接收器实现了CAN总线信号的光电隔离功能，把STATCOM的强电信号和CAN总线的弱电信号进行了绝对的彻底的隔离。
权利要求
1.一种多控制器局域网总线式光纤网的故障录波及数据采集系统，其特征在于，包括具有多个控制器局域网接口的通用计算机接口卡及多个控制器局域网节点；所说的多个控制器局域网接口通过光纤调制器和光纤解调器与多控制器局域网总线式光纤网络相连，所说的多个控制器局域网节点之中有一个全球卫星定位系统-控制器局域网授时节点，每个CAN节点均与多控制器局域网总线式光纤网相连；每个控制器局域网节点包括由微控制器，以及分别与其相连的数据存储器、程序存储器、拨码器、数码显示、电源、模数转换器、数模转换器、数字量输入和输出、标准串行接口组成的微控制器系统，与该微控制器相连的多个控制器局域网控制器，所说的每个控制器局域网控制器依次与一个控制器局域网光纤信号发送/接收单元、一个控制器局域网收发器和一个控制器局域网光纤接口电路相连构成一路控制器局域网总线的光纤接口信号发送/接收电路，该发送/接收电路与一路控制器局域网总线式光纤网相连；所说的程序存储器和数据存储器构成微控制器的程序和数据存储系统；所说的模数转换器和数模转换器用于采集和输出模拟量的外围通道；该数码显示是由数码管组成的显示控制器局域网节点号的单元；该拨码器是选择/设置控制器局域网节点号和控制器局域网通讯速率的单元；电源单元是给控制器局域网节点提供电源；该数字量输入和数字量输出单元是光电隔离的数字量输入接口和光电隔离的数字量输出接口；控制器局域网信号通过控制器局域网光纤接口电路和控制器局域网网络上的其他控制器局域网节点进行就地通信。
2.如权利要求1所述的多控制器局域网总线式光纤网的故障录波及数据采集系统，其特征在于，所说的控制器局域网光纤信号发送/接收单元包括依次相连在控制器局域网控制器和控制器局域网收发器之间的驱动器、光纤发送器、光纤、光纤接收器和依次相连在控制器局域网控制器和控制器局域网收发器之间的光纤接收器、光纤、光纤发送器、驱动器。
全文摘要
本发明属于电力系统的自动化检测技术领域，涉及多CAN总线式光纤网的故障录波及数据采集系统。包括具有多个CAN接口的接口卡及多个CAN节点；多个CAN接口与多CAN总线式光纤网络相连，每个CAN节点均与多CAN总线式光纤网相连；每个CAN节点包括由微控制器，以及分别与其相连的数据存储器、程序存储器、拨码器、数码显示、电源、模数转换器、数模转换器、数字量输入和输出、标准串行接口组成的微控制器系统，与该微控制器系统相连的多路CAN总线的光纤接口信号发送/接收电路，该发送/接收电路与一路控制器局域网总线式光纤网相连。本发明可应用于链式STATCOM等FACTS装置的分层分布式监测系统中。
文档编号H04B10/08GK1479503SQ0315035
公开日2004年3月3日 申请日期2003年7月25日 优先权日2003年7月25日
发明者于庆广, 孙艳栋, 宋强, 王伟, 邹彬, 房龄峰 申请人:清华大学, 上海市电力公司