应用CAN总线技术设计的环网柜监控系统
编辑：admin 日期：2019-09-25 17:02:38 / 人气：
1 概述
本文提出了一种基于CANbus的环网柜监测系统，对环网柜内各个分支线路的电参数信息采集和对一些电气设备运行状态监测，通过CAN总线将信息经数据集中器汇总后，通过GPRS网络上传给监控中心，为故障判断和故障定位提供基础数据。监控中心也可以根据需要，远程进行电气设备的遥控，如：开关的分合闸操作、电容器组的投切等。系统对于缩小故障停电范围，缩短停电时间，快速恢复供电，提高供电质量和可靠性起重要作用。
2 系统组成
系统由数据采集终端（以下简称“数采终端”）和数据集中器（以下简称“集中器”）组成（如图1所示）。每条支路配置一台数采终端，采集线路的三相电压、电流和开关、补偿电容器运行信息，计算出有功功率、无功功率和功率因数，并据此分析线路的当前工作状态；通过通信线路将信息传送给集中器。
集中器除了收集数采终端传送的信息外，也可对某一条支路或母排进行监测，将信息汇总整理后，通过GPRS网络传输给远方监控中心；根据需要，转发监控中心传送下来的遥控命令。与监控中心的通信协议遵循《电力负荷管理系统数据传输规约》。
在正常工况下，集中器通过轮询向终端召测信息；当发生上电、停电、接地、短路或开关变位时，终端需自动将状态信息上传。由于RS485通信是主从式，因此不能采用。为提高数据传输的可靠性和实时性，系统采用CANbus传输。
CANbus采用短帧传输，具有很高的位速率；采用硬件CRC校验，抗干扰能力强，可靠性高，实时性好，能够检测出产生的任何错误；是一种多主总线，具有基于优先权的仲裁机制，有效地解决了数据冲突问题。
图1 环网柜监控系统网络结构图
3 硬件设计
数据采集终端由微处理器、A/D采样电路、CAN接口电路、继电器输出电路、状态量监测电路和电源供电电路等组成（如图2所示）。集中器比采集终端多了GPRS接口电路（如图2虚线部分）。本文主要介绍微处理器、A/D采用电路、CAN通信电路、继电器输出电路和GPRS通信电路选择和设计。
图2 数据采集终端硬件结构图
3.1 微处理器选择
微处理器选用Infineon公司XE162单片机。该单片机属于XE166系列的16位“实时信号控制器”，结合了MCU外围控制的优点和DSP的计算能力，拥有80MHz 的运行速度、12.5ns 的最低指示运行时间、内含CAN Node、硬件CRC校验以及576 KB大容量存储器，比较适合高速处理和计算的场合。
3.2 A/D采样电路设计
CPU自带了2个10位、9通道的ADC，由于系统需快速检测出故障时的暂态过程，无论从分辨率还是实时处理角度出发，都需要独立的ADC芯片进行交流采样。因此，系统选择MAX125 ADC芯片进行单独的A/D采样。
MAX125是MAXIM公司生产的一款高速、8通道、14位的数据采集芯片，内设4个采样/保持器（T/H），可同时保持4路采样值，单次转换时间为3μs，双极性供电，输入电压范围为±5V，最高输入过电压高达±17V，某个通道的损坏不会影响整个电路的正常工作。为了实现同步采样，选择两片MAX125同时采集电压、电流信号。
采集的信号最大量程不一定都为±5V，为提升ADC性能，对信号进行调理。将信号经过1个射随放大器OPA4350后，再通过2个运算放大器进行电平移位，可实现满量程的电压输入。
如果是电流信号，需要先转成电压信号，再进行电平移位。然后将放大后的信号进行缓冲隔离和低通滤波，就可以直接进入MAX125进行A/D采样。低通滤波器选用MAX274，内部具有4路独立的模拟二阶滤波器，频率特性较为平坦。
在MAX125的A/D采样电路中[6-8]，设计一个外部锁相倍频电路，使之在每个工频周期产生 64个 CONVST 脉冲启动两片 MAXl25 同时转换。当6 个通道转换完毕，两片 MAX125 各产生 1个中断信号，两个中断信号经过或门送到单片机的外部中断引脚ESR1_0，可以保证两片MAX125 都转换完毕才去申请中断。
单片机的读取程序中对MAX125的RD 引脚连续施加读脉冲，可以依次读取6个通道的数据。MAX125 的片选信号通过译码器实现。MAX125 的读和写信号分别接XE162的P5.4和P5.3引脚。如图3所示。
图3 A/D采样电路结构图
3.3 CAN接口电路
XE162内置有全功能CAN模块，支持2.0B active版本，数据传输率达到1Mbit/s。CAN收发芯片选用Infineon公司的TLE6250G，此芯片兼容12V和24V电压系统，具有过温和短路保护功能，电路图如图4所示。
由于现场干扰较大，通过6N137和DC/DC组成的隔离电路实现收发器和控制器间的电气隔离，抑制电磁干扰，保护系统电路不受网络影响。TLE6250G的INH和RM为模式选择端，由单片机的I/O口控制。
收发器有三种工作模式：正常、只读、停止。正常模式时收发器按指令接收和发送信息；只读模式用于诊断条件下并用于防止输入端TXD的永久显性使总线阻塞；停止模式是低功耗模式，在这个模式下可以停止接收和发送。
图4 CANbus通信电路图
3.4 继电器输出电路
继电器输出开关连接到断路器或电容器的动作回路，控制其分合或投切。图5上方是延时供电电路，下方是脉冲输出电路。系统采用交/直流双电源供电，直流侧通过电容进行滤波。由于电容的作用，上电时，电压经历一个短暂的上升过程，在这个过程中，单片机的I/O口电平未定，可能导致继电器误动。增加了延时供电环节，继电器在电平稳定后才能动作。
74HC07是CMOS反相器，在2~6V的电压下，具有优良的输出特性。输出信号经过反相器进行放大，可以使动作更可靠。
图5 继电器输出电路
3.5 GPRS接口电路
GPRS收发器使用的是中兴公司的ME3000模块，该模块通过TTL电平RXD、TXD引脚与CPU的UART接口连接，电路如图6所示。／RESET是模块复位引脚，由CPU的MTMS（P5.5）引脚通过三极管放大驱动，低电平持续时间超过20ms时模块正常复位；／RTS、／DTR分别是流控制信号，不使用，直接将它们拉低；ON／OFF是模块上／下电控制引脚，低电平有效，由CPU的PE2（P5.6）脚通过三极管放大驱动，在该引脚施加一定宽度的高／低电平信号可控制GPRS的开启或者关闭，低脉冲持续时间超过1500ms时模块开启，低脉冲持续时间超过2s时模块关闭。UIM_RST、UIM_DAT、UIM_CLK、UIM_VDD是模块与SIM卡的接口线。
采用双线模式通信，通信波特率为115 200 bit／s。GPRS模块的外围电路包括模块供电与SIM卡，设计时需充分考虑干扰的问题。
由于GSM/GPRS自身技术特点，GPRS模块在工作时需要较大的电流，如ME3000瞬时最大电流达到1.5A以上并要求电压基本恒定（3.7V），供电电流不足常常会导致GPRS模块工作不稳定。因此，在设计时应当充分考虑足够的电流供应，最好使用专用供电芯片，如MIC29302等，以保证供电质量可靠，保证GPRS模块的可靠工作。
图6 GPRS模块与CPU接口电路
4 软件设计
软件采用Altium公司的XE166 Tasking C 编译器进行开发。包括数采终端软件和集中器软件，下面进行简要介绍。
4.1 数采终端软件设计（略）
图7 数采终端程序主流程图
由主程序和中断程序组成，由标志位进行消息传递。如图7所示。
4.2 集中器程序设计
集中器除了实现数据采集、CANbus通信功能外，还要与上位机进行GPRS通信。主流程如下：首先进行初始化，对I/O、ADC、CAN寄存器、中断以及GPRS进行设置或启动。紧接着采集开关信息、ADC信息，接收终端传送上来的信息，然后对信息进行解析。
如果环网柜中有设备状态发生变化，则需要通过GPRS网络上传变位信息；如果上位机有信息过来，需要执行相应的操作流程；如果需要定时轮询终端信息或需要转发遥控或对时命令，需要进行CANbus通信。如图8所示。
图8 集中器程序主流程图
程序通过AT指令对GPRS模块进行操作，包括上／下电控制、复位、打开 GPRS 数据连接，建立TCP服务器链接、数据收发等。为保证GPRS可靠连接，每个扫描周期检测GPRS信号强度、SIM卡状态、网络注册信息、当前 TCP 连接状态。
如发现网络连接失败时，GPRS模块应该延时一段时间后再进行网络连接，若连续三次网络连接失败，断电复位GPRS模块，延时较长时间后再次尝试连接。较长的延时时间是为了保证GPRS模块上电后有足够的时间进行网络注册、准备好接收指令。
结语
本文给出了一种10kV配电网环网柜的在线监控解决方案，根据采集的信息来判断当前设备的运行状态，并实时上报给监控中心。CAN网络和GPRS网络的融合应用，保证突发信息能及时、可靠地上传，为故障定位和故障判断提供基础数据。所设计的系统具有使用简单、扩展性好、可靠性高等优点。
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