基于CAN总线和单总线的在线式防误闭锁系统设计

引言

变电站在线式五防系统是充分利用变电站自动化系统的 全站监控功能，通过集成在自动化系统后台软件中的五防模 块和测控装置中的间隔五防模块，来对电气操作防误闭锁进 行实时判断，以便在满足防误闭锁操作条件时，使电气设备开 放操作的一套防误闭锁系统。本系统取消了电脑钥匙和机械 锁具，可实现操作票的逐项开放和闭锁。

在线式五防系统充分利用已完成综自改造的变电站可全 站监控的特点，多数的开关和刀闸的状态可在线监控，但在实 际的五防改造过程中，仍存在一定的问题。如有少量变电站未 实现刀闸电动操作和接地桩的监测等，实际上，对于这些手 动操作设备，可以使用电磁锁来实现状态监测。通过在电磁锁 回路中串接五防节点，这样，用后台监控机就可以控制电磁锁 是否可以打开。

一般而言，一个间隔大约需要配置这样的电磁锁3~7把, 每把电磁锁所实现的功能可能需要多个开入开出量，这样, 一个间隔的开入信号和开出信号大约有十几个到几十个。如果 每个信号都通过单独的两条电缆传递，则间隔内将需要布置 大量的电缆，系统实现的难度较大，很难得到广泛应用。本 文针对这一问题，提出了一种智能电磁锁解决方案。

1  智能电磁锁

本文设计的这种智能化电磁锁，可将开入开出信息在电 磁锁内转化成某一类信号，然后再通过共用的通讯电缆传递到 控制器，从而使电缆数量减少到原来一把电磁锁所需要的数 量。

单总线技术的提出使得这一想法的实现成为可能。单总 线技术是MAXIM全资子公司DALLAS公司开发的一种专利 技术，该技术通过一根线解决了地址、数据、控制和供电等问 题，从而降低了系统成本并简化了设计。单总线器件可按照串 行协议进行供电和数据通信，能够为系统增添特定功能，大 大简化了系统的连接方式。单总线技术的主要特点如下：

（1）只需一根信号线和一根地线就可实现数据、地址、控 制信号和电源的传输，接线非常简单；

（2）每条单总线上可以连接一个单总线器件，也可以同时 连接几十个单总线器件来组成单总线网络；

（3）每个单总线器件都有唯一的64位光刻ROM码，可 以从网络上选出特定器件进行操作；

（4）单总线芯片接口可提供额外的ESD保护，而且远程通 讯时，具有较高的抗干扰性能。

单总线技术将通讯、信号的输入输出及控制等功能集中 到了一个芯片内。采用单总线芯片来设计电磁锁，不仅能很好 地实现上述功能，而且电磁锁的复杂度增加不大，并能较好地控制设备成本，可以说是电磁锁智能解决方案的首选。一 般情况下，智能电磁锁的设计思路具有以下几种：

第一，在线式五防要求取消传统的五防电脑钥匙，而电 磁锁不受任何电脑钥匙的控制。其解决方案是在智能电磁锁 的控制回路中串入由监控后台控制的五防节点，因此，电磁锁 解锁必须首先满足五防逻辑，然后在其控制回路中再串入一个 由锁具本体的按钮控制的节点。只有当操作满足五防逻辑且五 防节点闭合后，由运行人员按下锁具本体按钮，锁具才能打开。

第二，使用智能电磁锁的状态来反应手动设备的状态。 如接地桩所配的电磁锁有两个状态，1代表所监控设备为合位, 0代表所监控设备为分位。

第三，电磁锁与后台监控机可以实时通讯，以便将设备 的实时信息通过网络传给监控机，同时也可以按照监控机的 命令开放或闭锁设备。

以间隔为单位设置五防控制器，由五防控制器负责与后 台监控机的通讯，向其传送电磁锁的实时数据并接收监控机 的命令。间隔内的电磁锁串接于一根单总线上，五防控制器通 过单总线读取间隔内电磁锁状态或向电磁锁发送监控机下达 的命令。图1所示是采用单总线技术前间隔内的接线图，图2 所示则是采用单总线技术后的间隔内接线图。

图1     采用单总线技术前的间隔内接线图

图2     采用单总线技术后的间隔内接线图

2  间隔控制器与监控机的连接

由于现场总线技术在减少系统线缆，简化系统安装、维 护和管理，降低系统投资和运行成本，增强系统性能等方面 具有很大的优越性，间隔内的控制器与监控机的连接可选用 现场总线。

目前，工控领域己发展出多种现场总线，各现场总线标 准也有较大差别，其用途也不尽相同，主要有基金会现场总线、 CAN总线、LonWorks总线和HART总线。

通过对以上几种总线的比较可以发现，LonWorks比较适 用于一些大型的，对响应时间要求不太高的分布式控制系统,比如智能大厦控制系统；而HART总线是一种模拟和数字信 号混合的总线，是一种过渡型总线，多用于一些4〜20 mA 的旧式仪表的连接；而基金会现场总线在对距离和实时性的 满足上不够；CAN总线则能适用小型的，实时性要求比较高 的系统。

防误操作闭锁系统中，一般有几十个节点，而且对传输 距离和实时性要求都较高，采用CAN总线完全可以满足规模 上的要求，并且可以将CAN总线实时性强的特点充分发挥出 来。因此，本系统采用CAN总线作为网络通讯方式。

3  防误闭锁系统整体结构

图3所示是本文所设计的防误闭锁系统的整体结构图。 其中监控主机是整个系统的核心，在监控主机上运行着防误 系统应用软件。监控主机能够采集和记录整个系统的设备信 息，包括系统连接的控制器数、控制器通讯状态、控制器连 接的电磁锁数以及每把电磁锁的闭锁状态和通讯状态等，并 把这些信息保存到数据库中以供查询。另外，主机针对操作票 的每一项操作，首先要进行五防逻辑判断，若操作符合防误 逻辑，则主机发送相应锁具的解锁命令，否则对相应的操作 予以闭锁，防止误操作的发生。

系统中的防误控制器是联系主机和电磁锁的纽带，控制 器的结构包括电源电路、CAN网络通讯电路、单总线网络通 讯电路、实时钟电路等几部分。控制器采用具有强抗干扰能力 的工业级单片机设计而成，负责把接收到的主机命令转发给相 应的电磁锁，以完成解闭锁相关设备的功能。除了负责将主机 的解锁命令转发到相应锁具外，控制器还负责本间隔的单总线 网络的管理。控制器还会定时对单总线执行搜索命令，通过 捜索命令可以检测到单总线连接的设备情况，然后将捜索结 果与控制器内保存的设备信息进行比较，就可以发现新连接 到单总线网络的设备，也可以发现已接入设备的通讯异常状态。 智能电磁锁是防误闭锁的具体执行机构。对于手动操作的设备, 一般需要在操作把手上安装电磁锁。所有的锁具都采用单总线 芯片设计，故能方便地通过一条单总线连成单总线网络。实际 上，整个间隔内的接线非常简洁。

4  电磁锁的配置

在已有的在线式设计方案中，对开关和电动刀闸的闭锁 通常通过在其测控屏串入监控五防闭锁节点和测控五防闭锁 节点来实现。本文主要讨论对手动刀闸、接地桩和网门的闭锁。

对手动刀闸闭锁时，可在手动刀闸的操作把手上加装智能 电磁锁。当需要对刀闸进行操作时，由后台监控机先进行五防 逻辑判断，当满足操作条件时，向间隔控制器发解锁信号，由 间隔控制器将电磁锁解锁，然后才能操作。开锁后，电磁锁 的状态置为0。

对于接地桩的闭锁，由于接地桩是为临时接地线配置的 接地端，可在接地桩上加装一个接地箱，再配一把电磁锁。 当需要接地时，电磁锁只有满足五防逻辑时才能打开，此时 电磁锁的状态置为1 :需要拆除接地线送电时，必须真正拆除 接地线后，接地箱才能关闭，关闭后，电磁锁的状态置为0。 此时后台监控机才会开放接下来需要操作的电磁锁，这样可 有效防止带接地线合断路器的恶性误操作的发生。

网门的闭锁与手动刀闸相同，在此不再赘述。

5结语

随着变电站自动化技术的不断推广和运行管理模式的进步，防误闭锁技术也面临许多新的要求，在这些需求的推动下, 作为主流的微机防误闭锁技术也在不断地改进,新的设计概念 不断出现。本文所做工作是在线式防误闭锁系统中电磁锁与监 控系统联网部分的设计。事实上，本系统还需进一步的完善 和改进。另外，在线式防误闭锁系统要实现与操作票系统和 变电站监控系统的有效结合，还需对操作票系统和变电站监 控系统进行研究，只有在熟悉三个系统的基础上进一步加强 结合，实现方案的整体设计目标，才能使在线式防误闭锁系 统更高效地防止电力系统误操作事故的发生。

20210905_613463918e579__基于CAN总线和单总线的在线式防误闭锁系统设计