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。而作為饋線自動化系統(tǒng)中核心設備的饋線終端則成為配電自動化系統(tǒng)成功實施的關鍵。
饋線終端簡稱FTU(Feeder Terminal Unit)，它主要用來監(jiān)控柱上負荷開關，重合器等一次設備。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/子站對配電設備的控制及調(diào)節(jié)指令。
CAN總線作為具有國際標準，主要為工業(yè)現(xiàn)場設計的開放式總線，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)絡拓撲靈活，變更方便，能容納各種不同的通信介質(zhì)，易于構成大型網(wǎng)絡，從而便于網(wǎng)絡管理；同時要求網(wǎng)絡通信具有較高的可靠性與實時性。主要用于低層設備通信的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)線路開關的遠方合閘和分閘操作以優(yōu)化配網(wǎng)。而當線路發(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，對相應故障現(xiàn)象進行判斷，隔離饋線故障區(qū)段以及恢復對非故障區(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)構設計
本文所介紹的FTU是一個基于SOC型單片機設計的全數(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，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)相應寄存器及交叉開關的簡單配置即可構建出一個完整的測控系統(tǒng)，為設計小體積、低功耗、低成本、高可靠性、高性能的單片機應用系統(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

?開關量輸入輸出控制部分
F040共有P0~P7共8組64個端口，且每個端口都是可位尋址的。有了這樣充足的端口，我們可以很方便地連接相應的開關量而不需外擴端口。端口并不直接與相關的開關直接相連，而是通過相應的光耦，這樣做的目的是為了防止電網(wǎng)串入的瞬時干擾。F040定時對開入開關進行檢測，并將相應的值經(jīng)由CAN總線傳入配電子站，即可實現(xiàn)遙信功能。接收配電子站發(fā)出的開出開關的控制信號控制相應開關的開合，實現(xiàn)相應的遙控功能。
??測頻部分
利用F040內(nèi)部的硬件資源我們可以很方便地對交流工頻信號進行測量。具體實現(xiàn)方法為取一路交流電信號，經(jīng)過相應的限幅處理后，送入F040片內(nèi)的電壓比較器后，得到方波信號。F040片內(nèi)的電壓比較器可以調(diào)整回差電壓，通過對回差電壓的調(diào)整即可實現(xiàn)遲滯電壓的比較功能，用于消除輸入信號在過零點可能出現(xiàn)的抖動現(xiàn)象。電壓比較器輸出的方波信號連接到F040的片內(nèi)PCA（可編程計數(shù)器陣列）的一個捕獲/比較單元，捕獲/比較單元工作在上跳沿捕獲方式，每次檢測到上跳沿將引起一個中斷，同時產(chǎn)生一次捕獲，將此時PCA計數(shù)器的值送入該捕獲/比較單元的捕獲寄存器中。我們在中斷服務子程序計算兩次捕獲的PCA0計數(shù)值之差即對應交流工頻的周期。PCA計數(shù)器選擇與定時采樣計數(shù)器相同的時基，所以只需將此計數(shù)值除以采樣次數(shù)就可作為定時采樣計數(shù)器的重裝值用于下一次交流采樣。
??CAN總線通訊部分
F040中內(nèi)置CAN總線協(xié)議控制器，只要外接總線驅(qū)動芯片和適當?shù)目垢蓴_電路就可以很方便地建立一個CAN總線智能測控節(jié)點。本設計中采用PHILIP公司的TJA1050T CAN總線驅(qū)動器。CAN總線通信硬件原理圖如圖3所示。
圖中F040 的CAN信號接收引腳RX和發(fā)送引腳TX并不直接連接到TJA1050T的RXD和TXD端，而是經(jīng)由高速光耦6N137進行連接，這樣做的目的是為了實現(xiàn)CAN總線各節(jié)點的電氣隔離。為了實現(xiàn)真正意義上完全的電氣隔離，光耦部分的VA和VB必須通過DC-DC模塊或者是帶有多個隔離輸出的開關電源模塊進行隔離。為防止過流沖擊，TJA1050T的CANH和CANL引腳各通過一個5Ω的電阻連接到總線上。并在CANH和CANL腳與地之間并聯(lián)2個30P的電容， 用于濾除總線上高頻干擾。而防雷擊管D1和D2可以起到發(fā)生瞬變干擾時的保護作用。[1]
TJA1050T的8腳連接到F040的一個端口用于模式選擇，TJA1050T有兩種工作模式用于選擇，高速模式和靜音模式。TJA1050T正常工作在高速模式，而在靜音模式下，TJA1050T的發(fā)送器被禁能，執(zhí)行只聽功能，可用于防止由于CAN控制器失控而造成的網(wǎng)絡阻塞。

3?? 智能饋線終端的軟件設計
?鑒于該裝置功能復雜，軟件編制方法采用 C51和匯編混合編程，首先在系統(tǒng)中移植μC/OS-II，然后在此基礎上分別編制各個相關的任務，通過這樣可以大大提高整個系統(tǒng)的實時性，可靠性，降低程序設計的難度，提高程序的可維護性。軟件部分主要包括兩大部分：一是μC/OS-II實時內(nèi)核的移植，二是各相關任務的編制。
??μC/OS-II在 C8051F單片機上的移植
μC/OS-II是一個完整的，可移植，固化、裁減的占先式實時多任務內(nèi)核。μC/OS-II大部分是用ANSI C 進行編制的，只有少部分與CPU密切相關的部分是用匯編語言編寫的，至今UC/OS-II已在超過40種不同架構的微處理器上運行。[3]
?μCOS-II在C8051F上的移植主要是三個與CPU架構有關的文件進行重寫，它們分別是匯編文件OS_CPU_A.ASM、C語言文件 OS_CPU_C.C和頭文件OS_CPU.H。
另外要注意的一個問題是函數(shù)的可重入性問題，由于單片機內(nèi)部堆棧空間有限，C51為函數(shù)調(diào)用提供的是一種壓縮棧，每個函數(shù)被給定一個空間用于存放局部變量。函數(shù)中的每個變量都放在這個空間的固定位置，當遞歸調(diào)用這個函數(shù)時，會導致變量被覆蓋。為保證所有函數(shù)的可重入性，必須使用reentrant關鍵字指定所有相關的系統(tǒng)函數(shù)。
??相關任務的編制
饋線終端主要包括以下幾個任務，它們分別是A/D定時采樣任務，該任務具有最高的優(yōu)先級，該任務主要完成數(shù)據(jù)的采集、采樣通道的切換等功能。CAN通信任務，該任務具有第二高的優(yōu)先級，該任務主要完成采樣數(shù)據(jù)及相關報警信號的上傳以及配電子站發(fā)過來的相應命令報文的解析處理。電參數(shù)計算任務，該任務具有第三高優(yōu)先級，該任務主要完成電力參數(shù)的計算功能。LCD顯示子任務，該任務主要完成相關電力參數(shù)在LCD屏上的顯示，該任務具有最低的優(yōu)先級。
??CAN總線通信報文的格式
CAN總線通信采用具有29位標識符的擴展幀，標識符的內(nèi)容包括當前信號的種類代碼，(包括報警信號，電參數(shù)信號，故障錄波信號，開關量參數(shù)信號以及控制信號等), 配電子站的地址，F(xiàn)TU的地址等。配電子站發(fā)送控制信號的格式為，使用數(shù)據(jù)域的第一個字節(jié)判斷控制信號的種類，控制信號的種類主要有開出開關量的控制信號，請求獲取開入開關量的控制信號，請求實時獲取電參數(shù)的控制信號，以及對時信號等，根據(jù)控制信號的種類確定其它幾個數(shù)據(jù)的意義，例如如果是對時信號，則后6個字節(jié)依次為當前時間的年，月，日，時，分，秒。
4?? 結(jié)語
?運用CAN總線技術開發(fā)的智能饋線終端單元，可以極大提高配電自動化系統(tǒng)的可靠性，實時性，系統(tǒng)性價比高，安裝維護簡潔方便，具有較廣闊的應用前景。