隨著供電系統(tǒng)自動化的日益發(fā)展，傳統(tǒng)模式的繼電保護系統(tǒng)已不能完全滿足安全運行、集中管理的需求，而應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化測控保護是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。為此，我們研制了基于CAN總線的中頻電爐變壓器智能保護檢測與監(jiān)控局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前此技術(shù)已在某些冶煉廠得到應(yīng)用，系統(tǒng)將微機監(jiān)控與全數(shù)字化微機保護測控技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了電爐變壓器的運行參數(shù)實時監(jiān)測與在線故障診斷，為生產(chǎn)過程的優(yōu)化決策和在線控制提供了科學(xué)依據(jù)。
        金屬冶煉生產(chǎn)過程中中頻電爐變壓器是主要電氣設(shè)備。中頻電爐的生產(chǎn)能力是企業(yè)的一項重要技術(shù)指標(biāo)，中頻電爐變壓器的功率和安全系數(shù)直接影響電爐的生產(chǎn)和企業(yè)成本；中頻電爐變壓器工作條件惡劣，調(diào)壓等級多，二次電壓低，電流高達上萬安培，由于冶煉過程的工藝的特殊要求，中頻電爐變壓器必須承受大的電流沖擊和電壓波動。為了變壓器的安全穩(wěn)定運行，其電氣保護的安全性、有效性和快速性具有十分重要意義。
         一、現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)組成
         CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)（ControlAreaNetwork）的簡稱，是由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)測和控制系統(tǒng)而設(shè)計的總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)過程控制設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備之間的互連?？偩€控制系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，監(jiān)控調(diào)度主站（監(jiān)控調(diào)度層）--CAN總線（測控層）--智能測控保護單元（監(jiān)控對象層）。監(jiān)控調(diào)度主站由工業(yè)PC機和網(wǎng)卡組成，網(wǎng)卡完成RS－232與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)工業(yè)PC機與CAN總線連接。
        監(jiān)控調(diào)度主站操作系統(tǒng)采用WindowsNT4.0Workstation簡體中文版，軟件采用面向?qū)ο蟮娜?2位BorlandDelphi編寫，可方便地實現(xiàn)豐富直觀的模擬圖形顯示，報表打印與數(shù)據(jù)庫處理，特殊功能如開關(guān)操作、參數(shù)設(shè)計需校驗密碼后方能執(zhí)行，為了提高可靠性，監(jiān)控調(diào)度主機設(shè)為兩臺，互為備用。
        CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，無需站地址等節(jié)點信息，利用該特點可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。CAN總線通信采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，數(shù)據(jù)出錯率低，當(dāng)節(jié)點嚴(yán)重錯誤時，具有自動關(guān)閉功能，以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上其它節(jié)點及通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。
         二、系統(tǒng)硬件組成
        1、硬件組成本系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)控制機（IPC）現(xiàn)場CAN總線I／O模塊、接口板和測控保護單元等。
         工業(yè)控制機（IPC）組成有All－In－One型CPU卡（Pentium－550，32MB內(nèi)存，512KBCache，EIDE集軟驅(qū)動器接口，兩串一并接口），PCI－S3兼容的圖形加速芯片及2MB顯存也集成在卡上。監(jiān)控主機設(shè)為兩臺，互為備用?？偩€插槽上插高速隔離CAN智能通訊卡I／O模塊（負責(zé)與各測控保護單元交換信息）及工控機的CAN總線（高速增強型）接口板。通信控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，總線收發(fā)器使用PCA82C250，提供對總線的差動發(fā)送和接收。監(jiān)控調(diào)度主站的工業(yè)控制機通過網(wǎng)卡作為數(shù)據(jù)緩沖與CAN總線連接，SJA1000和PCA82C250組成標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線，實現(xiàn)與智能測控單元的數(shù)據(jù)交換，如圖2所示。
         2、系統(tǒng)功能測控保護單元是整個保護監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。它由微處理器、信號輸入／輸出回路、通訊接口及相應(yīng)的軟件構(gòu)成。系統(tǒng)中MCU選用Intel87C196KC－20，這是由于其運算速度快（每時鐘周期0.1μs），實時處理能力強（HIS、HSO、PTS），內(nèi)置488BRAM，無寄存器瓶頸，其運行速度為Intel8098有2～3倍，程序可固化于片內(nèi)16KBEPROM（OTP），另外擴展一片串行EEPROM作為運行參數(shù)存貯器，一片32KBSRAM存貯錄波數(shù)據(jù)。
        控制室內(nèi)僅放置主機和交流電源裝置，測控保護單元均分散到開關(guān)柜上，從開關(guān)柜到控制室只有一根雙絞屏蔽通訊電纜連接。
        基于可靠性考慮，與電力設(shè)備一對一設(shè)置，既可獨立并行工作，獨立完成相應(yīng)一個設(shè)備（如一條出線）全數(shù)字化數(shù)據(jù)測量、邏輯運算、故障判斷、保護及手動操作等功能，又可向上位機傳送設(shè)備運行數(shù)據(jù)、開關(guān)位置及接受上位機發(fā)來的設(shè)定值。另外，與主機隔離，即使主機脫離運行也不影響各測控保護單元功能。當(dāng)需要控制保護的設(shè)備增加時，只要在相應(yīng)設(shè)備的開關(guān)柜上增設(shè)一個單元，便可迅速投入運行。若某一單元出現(xiàn)故障，只需停運該設(shè)備，更換相應(yīng)單元，并不影響其他設(shè)備正常運行。
         三、系統(tǒng)參數(shù)分析
         1、主要工藝參數(shù)金屬熔煉過程的主要工藝參數(shù)包括：UABP、UBCP、UCAP表示電爐變壓器的一次電壓，U1P、U2P、U3P表示二次電壓，IAP、IBP、ICP表示一次電流，TP表示油溫。
        根據(jù)這些參數(shù)的瞬時值及其變化情況，可判斷生產(chǎn)狀況。如變壓器油溫顯著上升意味著變壓器可能過載或內(nèi)部漏電等。為使車間調(diào)度人員和技術(shù)人員實時觀測生產(chǎn)過程和設(shè)備運行狀態(tài)，以迅速調(diào)整和確定各工序生產(chǎn)和設(shè)備運行，控制各環(huán)節(jié)的參數(shù)，即應(yīng)用智能保護測控與監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)電爐變壓器的運行參數(shù)實時監(jiān)測、保護與在線故障診斷，為車間生產(chǎn)過程的優(yōu)化決策和在線控制提供依據(jù)。
        2、參數(shù)測量分析對上述參數(shù)測量采用了數(shù)字化測量。所謂電力參數(shù)采樣數(shù)字化測量，是對交流電信號進行采樣，然后從交流參數(shù)（平均值、有效值、功率等）的基本定義出發(fā)進行計算，得到測量結(jié)果的過程。在本系統(tǒng)中，需要對電爐變壓器的一次電壓、二次電壓、一次電流、二次電流及變壓器油溫等參數(shù)進行檢測。用微機進行采樣計算來實現(xiàn)有效值的測量時，先對交流電信號進行采樣，得到離散時間序列，假定每個周期采樣次數(shù)為N，電壓離散采樣值為Ui，電流離散采樣值為Ii，則電壓、電流的有效值可以按照數(shù)值積分進行計算，用以下兩公式求得：式中T—周期，s；U（t）—電壓瞬時值，V；N—被測信號周期內(nèi)的采樣點數(shù)，次／s； U（i）—電壓信號采樣值，UO、UN為第一次、第N次采樣值，V；I（t）—電流瞬時值，A；I（i）—電流信號采樣值，IO、IN為第一次、第N次采樣值，A。當(dāng)電壓及電流為離散值時，其平均功率為：為了消除測量過程中的隨機誤差，對電流電壓等參數(shù)的采樣值采用加權(quán)平均濾波法進行校正，對于變壓器油溫的測量數(shù)據(jù)，則采用一階遞推濾波法進行校正。
        四、抗干擾保護
        中頻電爐變壓器運行環(huán)境惡劣，故要求整機有較強的抗干擾能力，電路設(shè)計時充分考慮電磁兼容性，數(shù)字邏輯的處理全部集成在可編程邏輯陣列中，從根本上提高裝置的抗電磁干擾能力。除了使電路設(shè)計、器件選擇、布線布局、屏蔽隔離等環(huán)節(jié)盡可能完善外，電氣電路采用多級隔離，并設(shè)二級Watchdog電路。第一級為MCU內(nèi)置看門狗（WDT）電路，可以防止程序偶爾鎖死，在MCU本身正常的情況下，自動恢復(fù)工作。第二級為X25043P提供的外置WDT電路，在第一級失效時（尤其在MCU本身已損壞時）強行復(fù)位，并封鎖輸出電路，保證在MCU發(fā)生故障時開關(guān)不會誤動作。此外，考慮到負荷切換對主流電源產(chǎn)生的干擾、電子開關(guān)切換產(chǎn)生的諧震等，電路中又對浪涌干擾進行了硬件保護。主要從電源、MCU和通信等幾部分設(shè)計了電路部分。硬件干擾設(shè)計的核心基于對低頻分量采用能量吸收和隔離，如設(shè)計電容吸收裝置，加入隔離變壓器；對于高頻分量采用吸收、減少偶合度和隔離后再吸收，目的為外部干擾提供一個能夠瀉放的通路，減小電路的敏感度。從設(shè)計運行看，以上保護措施使智能測控保護性能較以前更加穩(wěn)定。