基于CAN总线的微电网监控系统设计.pdf

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1、总第48卷 第s Js 期,011年 第05期电测与仪表EIc Ct Ca l Mc a s u r e m c n(&In s t r u e n t a t i o nVo L48No 545Ia v 20II吨公油基于CAN总线的微 电网监控 系统设计王宁,黄梅,马添翼,黄杏北京交通大学 电气工程学院,北京100044)摘要:将CAN总线用于微电网监控系统中,实现了微电网系统中主、从机之间的通信。在Ba c c AN模式下,对数据帧结构进行实际内容规划,并对通信过程中的一些重要参数进行设置;以CCSt u d l o v 33为软件平台,采用C语言编程,实现微电网主、从机之间状态实时数据

2、监测和参数设置等功能。实验证明,在微电网监控系统中采用CAN总线,能够满足实时性和可靠性的要求。关键词:微电网;CAN协议;数据监测;实时控制中图分类号:TM727,T15文献标识码:B文章编号:1001-1390(2011)“-0037-De 由g n o f o 血t o r s y s t e m o f c r o-g d Ba s e d o n CAN Bu sWANG Ni n g,HUANG Mc l,MA Tl a n-y i,HUANG Xi n g(Sc h o o l o f El e c t c a l En g i n c c r i n g,Bc l Ji n g

3、 Ji a o t o n g Un i v e i t y,Bc 刂i n g 100044,Ch i n a)Ab s t r a c t:Th i s p a p e r p l e s c n t s a n a p p l l t a l l o n o f CAN-b u s i n Ml c r o-g i d c o n o l s y 鸵e m,w h i o h s u c c e s s f t l l l v a c h i e v t h e c o m m u n l c a t i o n b e t w e e n d l e m a s 伦r a n d t

4、h e d i v e r i n m i c r t l-g 肛d In Ba c CAN m d e,t h e p r o p o s e d m e 1h o d s e t ss o m c i m p o n a n t p a r a m e t e r o f r e g i s t c r s a n d d c s i g n s d a t a f r a m c s t m c t u r e Wi t h a p l c l v i s o t h a t CCs t u d i o v 3 3 a s s。f t l v a r ep l a f o l In a

5、n d a d o p t i n g C p r t l g r a m m i n g,t h c m c t h。d a o h i e v e s t h c f u n c t i o n o f s 1a t e m o n i t o r i n g a n d Re a l-i m c c o n t l o l l i n gb e t w e e n t h e m a e r a n d t h c s h v e r i n m i c r o-g n d Th e c x p e i m e n t a l r e s u s h o w s:CAN-b u s c

6、a n b e u s e d i 山e c o m m u n i c a t i o n o f m i c r o-g r i d c o n Lo 11i n g s y s 坨m w i h r c h a b l e p c r f o m a n c e a n d g o o d r c a l-t i m cKe y w o r d s:n l l c r o-g n d,CAN-b u s,d a t a m o n i t o r i n g,r e a l-t i m e c o n t r o i n go 引言微电网中分布式电源种类多,并且受环境影响大,运行状态变化

7、迅速,因此微电网监控系统需要采集和传输的数据量大、实时性要求高,对通信系统提出了更高的要求13)。但是 目前针对微电网监控系统的通信结构少见研究成果报导。本文针对微电网监控系统的特点,提出了基于CAN总线的通信结构。CAN总线具有较强的抗干扰能力,支持多主工作方式,节点之间不分主从,网络节点数实际可达110个,适合分布式电源种类多、数量大的特点;并且CAN的信号传输采用短帧结构,信息传输速度快,通信距离最远可达10k 灿/5k b s,通信速率最高可达M/1Mb s,实时性好,并采用 了非破坏性总线仲裁技术,通过设置优先级来避免冲突,可靠性高刨。综上所述,CAN总线 因其优异的特性,将在微电网

8、监控系统中发挥越来越重要的作用。1 微电网监控系统结构本文设计对象为一种典型微电网系统,分布式电源包括光伏发电、风力发电和蓄电池,负荷部分是电子负载。通信采用一主四从的方式,主机接收从机的工作状态,根据需要改变从机的运行数据,从机向主机发送 自己的工作状态,并且接收主机发送来的数据,改变 自己的运行状态。微电网监控系统控制策略的计算由一块Ds P板完成,并通过Ds P控制板的CAN通信接口采集微电网中各部分的工作状态进行逻辑判断后对指示灯进行控制,也可以通过CAN通信修改主机和下位机的工作状态,从而实现对微电网运行状态的监控。微电网监控系统结构框图如图1所示。37-总第0B卷 第“5期20i

9、1年 第Os 期电测与仪表EIe c t c a I IMe a s r e m e n t&Is r u m e t a t:o nVo 148No 54sMa v 201I图1微电网监控 系统结构框 图Fi g l Mo n i t o r s y s t e m s t m t t u r c d i a g a m f m i c r o-g r i d本系统使用 的D叩芯片 中内嵌有CAN总线模块,是一个具有完全功能的CAN控制器,包含传送信息的处理、接受管理和帧存储功能。图2为CAN模块整体结构图。图2CAN模块整体 结构 图Fi g 2s y 就c m 就m c t u r e

10、o f CAN m o d u l eCAN协议内核接收到CAN总线上发来 的消息后,消息控制器确定是否将接受到的消息存储到CPU中;当需要发送消息时,消息控制器将要发送的消息传送到CAN协议内核的发生缓冲,以便在下一个总线空闲状态开始发送该消息田。2 系统软件设计本文中的软件设计主要包括3个部分,CAN协议的补充制定、CAN模块初始化和CAN通信程序。所有程序编写在Ds P集成开发环境CCS下完成。21 CAN协议的补充制定Ds P内嵌的CAN模块支持标准帧和扩展帧两种格式,本实验采用具有11位标识符的标准帧格式。消息数据寄存器(MDL,MDH)的具体使用如表1所示。其中,By t 汐用于存

11、放功能码;By t c 6用 于存放 38-数据起始地址;By t e 5用于存放数据长度;By l 留Bl,t e t l 用于存放数据。表1消息数据寄存器Ta b 1Da t a r c g i s t c rBy t e 0 By t:(,By t 6 By t 柳 By t 胡 By t e 9 By t c 1 By t 功能码通知主机和从机应执行何种功能。本文共有4种功能码,分别提供主机读取从机的模拟量,主机读取从机的数字量,主机向从机写人模拟量,主机向从机写人数字量的功能。22 CAN模块初始化程序上电初始化完成后,通过CAN通信寄存器的初始化配置,保证CAN通信的正常进行;该初

12、始化配置上电后只进行-次:。CAN模块初始化流程图如图3所示。图3CAN模块初始化流程 图Fi g 3 In i 1i a h z i n g w c h a n o f CAN23CAN通信程序CAN模块通信程序通过操作Ds P内部CAN寄存器实现,这些寄存器分布在00H 61FFH。CAN模块通信程序分为主机程序和从机程序程序的主要内容是发送数据和接收数据,在微电网实验中,采用1个主机、4个从机的通信模式,主机能够监测并且修改从机的运行参数和工作状态。该程序在主函数中引用,每0IL q 调用一次。下面分别介绍主机和从机的程序构思。主机通过CAN总线,向从机发送读取命令,采集从机各项运行数据

13、,经过D驴进行数据分析,判断是蓄电池V电子负载鹛一一旮m则状 送从程主进据分的趔G 蜀弱豸3”田黉|呷一 厂一;文氲主椿瓶掴喑胛浊硐眵肿蝴来集断是总第焖 卷第“5期11年 第Os 期否修改从机此刻 的运行状态。如果修 改,则通过CAN总线向从机传输上位机写人命令,如果不修改,则继续向从机发送读取命令,继续监控从机的运行状态。由于主机对于从机1、从机2、从机3、从机4的发送和接收程序逻辑是一样的,所以在此只列出主机与从机1发送接收的具体程序框图,主机与其他从机的程序参照主机与从机1,程序流程图如图4所示。图4主机 与从 机 发 送接 收 流程 图Fi g 4 Tr a n s m i t 刂n

14、g a n d r e c e i v i n g 丑o w-c l l a r t b e b v e e l l Jl e h o 玫a n d Jl e s l a l/e c o m p u t c l从机通过CAN总线接收到主机的消息,如果是主机写人命令,则从机读取传来的数据,对运行数据进行修改;如果是主机读取命令,则将此刻的运行数据通过CAN总线传送给主机。由于4个从机的程序逻辑意义是一样的,所以单介绍从机l 的程序流程图,如图5所示。从机2、3、4的程序均可按照从机1的程序改写而成。24 系统测试对所设计的通信协议和通信程序以及整个系统进行了实际工作环境测试。由组态王软件编写了C

15、AN通信测试界面,如图6所示。整个系统投人运行后,到目前为止已经进行测试数十遍,系统运行稳定,没有出现因CAN通信原因导致数据丢失或者由于总线冲突导致节点 自动脱离总线的情况。3 结论在实验中,主机通过CAN总线完成与其他4台从机的数据通信,通过示波器测量,信息每【Ls 传送一次,完全可以达到实时监测的实验要求;且在一主四从的Ds P连接的显示屏中检测数据,未发现错误数据,说明传输的准确率非常高。实验结果表明,基电测与仪表El e c t r l c a I Ie a s u r 0m e t&Is t r u e t a“o nVOI48No 545IVl a 2011图5从机1程序 流程

16、图Fi g 5 m。w c h a o f s l a v e c o m p u t e r I龉醐甯电池变流囹婴婴龉图6CAN通信 测试界面Fi g 6Tc s i n g i n t c r f d c e o f CAN于莸劣5的CAN通信能够准确有效的达到实时监测的实验要求,适合应用在要求传输速率较高且对实时性及可靠性亦有较高要求的微电网监控系统中。参 考 文 献1陈昌松,段善旭,殷进军 基于发电预测的分布式发电能量管理系统J电工技术学报,10,乃(3):150-156CHEN Ch a n g s o n g,DUN s h a n-x u,YIN Ji n j u n Bn e

17、及,Ma n a g c m c n t s y s t e m o f Dl s t 五b u t c d Ge n e r a t i o n Ba s e d o n Po l,e r Fo r c a i n gJTa 1s a c t i o 1s o f Ch i n a El e c t r o t e c h l l l c a l s o c i e t y,2010,25(3):150-1562摆世彬 微型电网控制技术的研究D天津:天津大学,08BAI s b i-b i n Tl l e s t l d y o n t h e Co n i o l o f Mi c r

18、i-g r i d D a i n:Tl a 刂 l n u Il l v e r s”,20083张征凯基于II1970的分布式发电系统SCADA设计D 安徽:合肥工业大学,2l K9填写发送邮箱使能发送邮箱见饮蛮流钿|实舒 昱爿风 电变流恧篝鼍 蠛 窭 39 总第JB卷第b 05期20年第“期电测与仪表EIe c t r i c a i i e a s u r e m e n t&In s t r u m c n t a t l o z HANC z l l e l l g k a l IEC61970-b a s c d D沁伍b u t p d e r d t IOn s y s t

19、e m ss CADA De g n DAl h u i:Hc f e i V l l c r s i,o f%c h n d o g,a 94孙树文,杨建成,张慧薏 基于CANo p c n 协议的分布式控制系统I/o 从站设计J计算机测量与控制,07,1502):170s-I7s UN s h u-w e n,YNC Ji a n c h e n g,z HANG Hu i-h u i De s i g n o fI,l s t o b u t c d Co n t r l l l s y s t e m I/o s a l c Ba s c d o l l CANo p c i l Pi

20、 o t o c。l JCo m p u t c r Mc a s u r e m e n t&Co n t m,2007,15(12705-I7075孙兵,何瑾,陈广厦 基手Ds P的CAN总线与以太网互联系统研制J仪器仪表学报,”(2):夕7-胡0s UN Bi n g,HE Ji n,CHEN Gu a n g s h a De v e l o p m c n t o f Eu l e n l c L/CAN-b u s NIC b a s c d o n Ds PJ Ch l n e s c Jo t l m a l s c i e n“n c In 玫r u m c n t,2008

21、,29(2):377-3806汪杰君,许川佩 基于CAN现场总线的远程控制系统设计J仪表技术与传感器,2009,(2):58-WANC Ji e j u n,XU Ch u a n-p c l De s l g n o f Re m o t e Co l l t l s y s t e mBa s e d o n CAN Bu s J In 呲Rl m e n t Te c h n i q u e a n d s e n s o r,2009,(2):58-607苏奎峰TM“081X Ds P原理及C程序开发M北京d 匕京航空航天大学出版社,900Bs U Ku i-f e n g Pn c

22、i p l e o f TMs 32081X Ds P a n d p l。g r a m De v e l o p!n g o f CM Bt l l l l g:Bo Ha n g U血v e r s i t v,088王晓寰,张纯江,顾和荣 现场总线控制的单相逆变电源并联系统J电工技术学报,0,”(10):109-I12WANC Xi a o _h u a n,z HANG Ch t l n】a n g,GU He r t n g Co n t m o fPa r a Il c l c d Si n d e Ph 峦e Il l v e l t c s Ba s c d o n CAN

23、Bu s J Tl a n s a c 0o n so f Ch i n a El e c o o 1e c h n Ic a 1s。c i c t l,2007,22(10):l O9l 12作者简介王宁(1988),女,汉族,硕士研究生,主要研究方向为微电网能量管理系统.Em 颜:l l l n 登i s h l n e 103c o m黄梅(l 郇9-),女,汉族,教授,主要研究领域为电力系统建模仿真及控制。Em 亦l:m h u a n g b Jt t l e d u c l l马添翼(1卿6-),女,汉族,博士研究生,主要研究方向为电力电子与电气传动。Em a n:o 811732

24、1b l t l l e d u c n黄杏(1叨5-),女,汉族,博士生研究生,主要研究方向为微电网控制技术。Em 荀】:凹121940b Jt u c d u c i l收稿 日 期:2011-01-抑(常会敏 编发)婴簸蕈鳘(上接第21页)Ba s e d o l l Tl a l e h n g W斜c f o r Hl g h Vo t a 莎Tr a i l s m 咱s 而n Lj JPo w e】s y s 泾m Tc o h n o l o g v,2004,28(19):34-377全玉生,张煜,邱庆春,等基手GPs 的双端故障定位新算法J电网技术四,羽(6):-“QUN

25、Yu s h e n g,z HANG Yu,QIU Qg c h u n,e t a l A Ne w T,o%n n i n 缸Fa u l t Io c a t o n Ag o h t h m B c d t,n CPs JPo w e r s l s t c mTc c h n o l o 杪,2004,28(6):63-668何仰赞,温增银 电力系统分析M 武汉:华中科技大学出版i,20029丁 仁杰,闵勇,冯亚东,等基于Gp s 的全 网同步时钟 的建立和误差校正J清华大学学报(自然科学版),19叨,37(7):-刀DING Re n _i e,Mm 。n g,FENG Ya d

26、 o n g,c 1a l Es t a b h s h m e n ta n d Et r Co c c t i o n o f Go b a l s y n c h r o n l z e d Ti m i n g s y s 1e m Ba s e d o nGPs J Jo-u m a l。f Ts 血g h u l l Vn e r s y(s o e i l c C a n d Te c h m l o-抄),1997,37(7):74-77作者简介:徐俊 明(1鲴5-,男,湖北黄 冈人,硕士研究生,研究方向为电力系统保护与控制、电网运行。Em 碰l:x 刂u n m h g y a h c l l汪芳宗(I%6-),男,湖北武汉人,教授,博士,硕士生导师,主要从事电力系统分析与控制、电力系统并行计算等方面的研究。夏沛(1986),女,湖北孝感人,硕士研究生,研究方向为电力系统分析计算与控制。王智(1蚺4)男,河北张家口人,硕士研究生,研究方向为配电网自动化。嬲婴收稿日 期:90n(杨长江-01-07编发)40-