基于CAN總線的智能饋線終端的研究

1 前言
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高，實現(xiàn)配電自動化是配電系統(tǒng)提高供電可靠性的最有效手段。在配電自動化系統(tǒng)中，饋線自動化是配電自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而作為饋線自動化系統(tǒng)中核心設(shè)備的饋線終端則成為配電自動化系統(tǒng)成功實施的關(guān)鍵。
饋線終端簡稱FTU(Feeder Terminal Unit)，它主要用來監(jiān)控柱上負(fù)荷開關(guān)，重合器等一次設(shè)備。向配電主站/子站提供配電系統(tǒng)運行工況和提供各種參數(shù)：包括開關(guān)狀態(tài)，電能參數(shù)，相間和接地故障及故障時的參數(shù)信息，并執(zhí)行配電主站/子站對配電設(shè)備的控制及調(diào)節(jié)指令。
CAN總線作為具有國際標(biāo)準(zhǔn)，主要為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計的開放式總線，具有可靠性高，實時性強，組網(wǎng)靈活，成本低廉等優(yōu)點。在饋線自動化系統(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化通信特點和性能要求所決定的。在饋線自動化系統(tǒng)中，饋線終端節(jié)點數(shù)量大，通信節(jié)點分散，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；同時要求網(wǎng)絡(luò)通信具有較高的可靠性與實時性。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合。
本文所介紹的饋線終端主要用于鐵路道口，完成對用于給鐵路道口信號燈供電的饋電線路的監(jiān)控。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。依照CAN總線的特點，我們將配電子站和各個FTU均作為總線上的一個節(jié)點通過屏蔽雙絞線連接成一個總線型的局域網(wǎng)。饋線終端的工作原理是在正常運行狀態(tài)下，F(xiàn)TU監(jiān)測饋電線路的運行參數(shù)，通過CAN總線向配電子站上傳各種運行參數(shù)；接收配電子站的命令，實現(xiàn)線路開關(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，F(xiàn)TU及時向配電子站發(fā)送報警信號。配電子站在接收報警信號后，對相應(yīng)故障現(xiàn)象進行判斷，隔離饋線故障區(qū)段以及恢復(fù)對非故障區(qū)域的供電，從而達到減小停電面積和縮短停電時間的目的。饋線終端可依照配電子站的請求，工作在實時檢測和監(jiān)控兩種工

作狀態(tài)：在實時檢測的工作狀態(tài)下饋線終端實時向配電子站發(fā)送饋電線路的運行參數(shù)；而工作在監(jiān)控狀態(tài)下的饋線終端定時向配電子站發(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、越限主動報警、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
本文所介紹的FTU是一個基于SOC型單片機設(shè)計的全數(shù)字控制單元。整個裝置分為主控部分，模擬電信號量采集和調(diào)理部分，開關(guān)量輸入輸出控制部分，CAN總線通信部分，液晶顯示人機接口部分等模塊。其原理框圖如圖2所示。

圖2
主控部分[2]
主控部分采用C8051F040（以下簡稱F040）單片機，F(xiàn)040單片機是CYGNAL公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型微控制器。它在一塊芯片上集成了構(gòu)成一個單片機數(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，它的運行速度也較普通的單片機有了極大的提高，由于采用了流水線技術(shù)，它的速度可達到普通單片機的10倍,用戶可根據(jù)實際的需要通過對片內(nèi)相應(yīng)寄存器及交叉開關(guān)的簡單配置即可構(gòu)建出一個完整的測控系統(tǒng)，為設(shè)計小體積、低功耗、低成本、高可靠性、高性能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)提供了很大的方便。

模擬信號采集與調(diào)理部分
電網(wǎng)中的電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流首先經(jīng)過現(xiàn)場一次PT和CT變換成為0-100V和0-5A的交流電量，然后再經(jīng)過特制的二次PT和CT變換成為0-5V的電壓信號，接著通過調(diào)理電路調(diào)理成ADC可接受的測量范圍，調(diào)理后的交流信號通過一級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送入ADC進行測量。鐵路應(yīng)用的場合需要對兩回線（貫通和自閉）的三相電壓和三相電流進行同時進行測量，共需12路交流通道，為保證交流電壓電流信號的同時采樣，提高采樣精度，我們選用MAXIAM(美信)公司生產(chǎn)的兩片MAX125來完成此項工作。