基于CAN總線的智能饋線終端的研究

1 前言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力用戶對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化是配電系統(tǒng)提高供電可靠性的最有效手段。在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而作為饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中核心設(shè)備的饋線終端則成為配電自動(dòng)化系統(tǒng)成功實(shí)施的關(guān)鍵。
饋線終端簡(jiǎn)稱(chēng)FTU(Feeder Terminal Unit)，它主要用來(lái)監(jiān)控柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)，重合器等一次設(shè)備。向配電主站/子站提供配電系統(tǒng)運(yùn)行工況和提供各種參數(shù)：包括開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電能參數(shù)，相間和接地故障及故障時(shí)的參數(shù)信息，并執(zhí)行配電主站/子站對(duì)配電設(shè)備的控制及調(diào)節(jié)指令。
CAN總線作為具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的開(kāi)放式總線，具有可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，組網(wǎng)靈活，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中采用CAN總線通信方式，有著廣闊的前景。之所以采用CAN總線，這主要是由饋電自動(dòng)化通信特點(diǎn)和性能要求所決定的。在饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中，饋線終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，通信節(jié)點(diǎn)分散，通信距離短和數(shù)據(jù)量小，且工作環(huán)境比較惡劣；這就要求通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活，變更方便，能容納各種不同的通信介質(zhì)，易于構(gòu)成大型網(wǎng)絡(luò)，從而便于網(wǎng)絡(luò)管理；同時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)通信具有較高的可靠性與實(shí)時(shí)性。主要用于低層設(shè)備通信的CAN總線完全可以適用于這一場(chǎng)合。
本文所介紹的饋線終端主要用于鐵路道口，完成對(duì)用于給鐵路道口信號(hào)燈供電的饋電線路的監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。依照CAN總線的特點(diǎn)，我們將配電子站和各個(gè)FTU均作為總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)屏蔽雙絞線連接成一個(gè)總線型的局域網(wǎng)。饋線終端的工作原理是在正常運(yùn)行狀態(tài)下，F(xiàn)TU監(jiān)測(cè)饋電線路的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)CAN總線向配電子站上傳各種運(yùn)行參數(shù)；接收配電子站的命令，實(shí)現(xiàn)線路開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)方合閘和分閘操作以優(yōu)化配網(wǎng)。而當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)TU及時(shí)向配電子站發(fā)送報(bào)警信號(hào)。配電子站在接收?qǐng)?bào)警信號(hào)后，對(duì)相應(yīng)故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，隔離饋線故障區(qū)段以及恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域的供電，從而達(dá)到減小停電面積和縮短停電時(shí)間的目的。饋線終端可依照配電子站的請(qǐng)求，工作在實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控兩種工

作狀態(tài)：在實(shí)時(shí)檢測(cè)的工作狀態(tài)下饋線終端實(shí)時(shí)向配電子站發(fā)送饋電線路的運(yùn)行參數(shù)；而工作在監(jiān)控狀態(tài)下的饋線終端定時(shí)向配電子站發(fā)送相關(guān)參數(shù)。該FTU除了具有傳統(tǒng)的三遙功能外，還具有故障錄波、越限主動(dòng)報(bào)警、SOE（事件順序記錄）等功能。
2 智能饋線終端的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文所介紹的FTU是一個(gè)基于SOC型單片機(jī)設(shè)計(jì)的全數(shù)字控制單元。整個(gè)裝置分為主控部分，模擬電信號(hào)量采集和調(diào)理部分，開(kāi)關(guān)量輸入輸出控制部分，CAN總線通信部分，液晶顯示人機(jī)接口部分等模塊。其原理框圖如圖2所示。

圖2
主控部分[2]
主控部分采用C8051F040（以下簡(jiǎn)稱(chēng)F040）單片機(jī)，F(xiàn)040單片機(jī)是CYGNAL公司推出的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型微控制器。它在一塊芯片上集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集所需的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件，同時(shí)，它的運(yùn)行速度也較普通的單片機(jī)有了極大的提高，由于采用了流水線技術(shù)，它的速度可達(dá)到普通單片機(jī)的10倍,用戶可根據(jù)實(shí)際的需要通過(guò)對(duì)片內(nèi)相應(yīng)寄存器及交叉開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單配置即可構(gòu)建出一個(gè)完整的測(cè)控系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、低成本、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了很大的方便。

模擬信號(hào)采集與調(diào)理部分
電網(wǎng)中的電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流首先經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)一次PT和CT變換成為0-100V和0-5A的交流電量，然后再經(jīng)過(guò)特制的二次PT和CT變換成為0-5V的電壓信號(hào)，接著通過(guò)調(diào)理電路調(diào)理成ADC可接受的測(cè)量范圍，調(diào)理后的交流信號(hào)通過(guò)一級(jí)電壓跟隨和二階有源低通濾波器，以消除高次諧波和噪聲信號(hào)送入ADC進(jìn)行測(cè)量。鐵路應(yīng)用的場(chǎng)合需要對(duì)兩回線（貫通和自閉）的三相電壓和三相電流進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，共需12路交流通道，為保證交流電壓電流信號(hào)的同時(shí)采樣，提高采樣精度，我們選用MAXIAM(美信)公司生產(chǎn)的兩片MAX125來(lái)完成此項(xiàng)工作。