1 概述

本文提出了一種基于CANbus的環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)各個(gè)分支線路的電參數(shù)信息采集和對(duì)一些電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)CAN總線將信息經(jīng)數(shù)據(jù)集中器匯總后，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控中心，為故障判斷和故障定位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心也可以根據(jù)需要，遠(yuǎn)程進(jìn)行電氣設(shè)備的遙控，如：開關(guān)的分合閘操作、電容器組的投切等。系統(tǒng)對(duì)于縮小故障停電范圍，縮短停電時(shí)間，快速恢復(fù)供電，提高供電質(zhì)量和可靠性起重要作用。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端（以下簡(jiǎn)稱“數(shù)采終端”）和數(shù)據(jù)集中器（以下簡(jiǎn)稱“集中器”）組成（如圖1所示）。每條支路配置一臺(tái)數(shù)采終端，采集線路的三相電壓、電流和開關(guān)、補(bǔ)償電容器運(yùn)行信息，計(jì)算出有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)，并據(jù)此分析線路的當(dāng)前工作狀態(tài)；通過(guò)通信線路將信息傳送給集中器。

集中器除了收集數(shù)采終端傳送的信息外，也可對(duì)某一條支路或母排進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將信息匯總整理后，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)方監(jiān)控中心；根據(jù)需要，轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心傳送下來(lái)的遙控命令。與監(jiān)控中心的通信協(xié)議遵循《電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》。

在正常工況下，集中器通過(guò)輪詢向終端召測(cè)信息；當(dāng)發(fā)生上電、停電、接地、短路或開關(guān)變位時(shí)，終端需自動(dòng)將狀態(tài)信息上傳。由于RS485通信是主從式，因此不能采用。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用CANbus傳輸。

CANbus采用短幀傳輸，具有很高的位速率；采用硬件CRC校驗(yàn)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，實(shí)時(shí)性好，能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤；是一種多主總線，具有基于優(yōu)先權(quán)的仲裁機(jī)制，有效地解決了數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題。

圖1 環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端由微處理器、A/D采樣電路、CAN接口電路、繼電器輸出電路、狀態(tài)量監(jiān)測(cè)電路和電源供電電路等組成（如圖2所示）。集中器比采集終端多了GPRS接口電路（如圖2虛線部分）。本文主要介紹微處理器、A/D采用電路、CAN通信電路、繼電器輸出電路和GPRS通信電路選擇和設(shè)計(jì)。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 微處理器選擇

微處理器選用Infineon公司XE162單片機(jī)。該單片機(jī)屬于XE166系列的16位“實(shí)時(shí)信號(hào)控制器”，結(jié)合了MCU外圍控制的優(yōu)點(diǎn)和DSP的計(jì)算能力，擁有80MHz 的運(yùn)行速度、12.5ns 的最低指示運(yùn)行時(shí)間、內(nèi)含CAN Node、硬件CRC校驗(yàn)以及576 KB大容量存儲(chǔ)器，比較適合高速處理和計(jì)算的場(chǎng)合。

3.2 A/D采樣電路設(shè)計(jì)

CPU自帶了2個(gè)10位、9通道的ADC，由于系統(tǒng)需快速檢測(cè)出故障時(shí)的暫態(tài)過(guò)程，無(wú)論從分辨率還是實(shí)時(shí)處理角度出發(fā)，都需要獨(dú)立的ADC芯片進(jìn)行交流采樣。因此，系統(tǒng)選擇MAX125 ADC芯片進(jìn)行單獨(dú)的A/D采樣。

MAX125是MAXIM公司生產(chǎn)的一款高速、8通道、14位的數(shù)據(jù)采集芯片，內(nèi)設(shè)4個(gè)采樣/保持器（T/H），可同時(shí)保持4路采樣值，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，雙極性供電，輸入電壓范圍為±5V，最高輸入過(guò)電壓高達(dá)±17V，某個(gè)通道的損壞不會(huì)影響整個(gè)電路的正常工作。為了實(shí)現(xiàn)同步采樣，選擇兩片MAX125同時(shí)采集電壓、電流信號(hào)。

采集的信號(hào)最大量程不一定都為±5V，為提升ADC性能，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。將信號(hào)經(jīng)過(guò)1個(gè)射隨放大器OPA4350后，再通過(guò)2個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行電平移位，可實(shí)現(xiàn)滿量程的電壓輸入。

如果是電流信號(hào)，需要先轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，再進(jìn)行電平移位。然后將放大后的信號(hào)進(jìn)行緩沖隔離和低通濾波，就可以直接進(jìn)入MAX125進(jìn)行A/D采樣。低通濾波器選用MAX274，內(nèi)部具有4路獨(dú)立的模擬二階濾波器，頻率特性較為平坦。

在MAX125的A/D采樣電路中^[6-8]，設(shè)計(jì)一個(gè)外部鎖相倍頻電路，使之在每個(gè)工頻周期產(chǎn)生 64個(gè) CONVST 脈沖啟動(dòng)兩片 MAXl25 同時(shí)轉(zhuǎn)換。當(dāng)6 個(gè)通道轉(zhuǎn)換完畢，兩片 MAX125 各產(chǎn)生 1個(gè)中斷信號(hào)，兩個(gè)中斷信號(hào)經(jīng)過(guò)或門送到單片機(jī)的外部中斷引腳ESR1_0，可以保證兩片MAX125 都轉(zhuǎn)換完畢才去申請(qǐng)中斷。

單片機(jī)的讀取程序中對(duì)MAX125的RD 引腳連續(xù)施加讀脈沖，可以依次讀取6個(gè)通道的數(shù)據(jù)。MAX125 的片選信號(hào)通過(guò)譯碼器實(shí)現(xiàn)。MAX125 的讀和寫信號(hào)分別接X(jué)E162的P5.4和P5.3引腳。如圖3所示。

圖3 A/D采樣電路結(jié)構(gòu)圖

3.3 CAN接口電路

XE162內(nèi)置有全功能CAN模塊，支持2.0B active版本，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到1Mbit/s。CAN收發(fā)芯片選用Infineon公司的TLE6250G，此芯片兼容12V和24V電壓系統(tǒng)，具有過(guò)溫和短路保護(hù)功能，電路圖如圖4所示。

由于現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，通過(guò)6N137和DC/DC組成的隔離電路實(shí)現(xiàn)收發(fā)器和控制器間的電氣隔離，抑制電磁干擾，保護(hù)系統(tǒng)電路不受網(wǎng)絡(luò)影響。TLE6250G的INH和RM為模式選擇端，由單片機(jī)的I/O口控制。

收發(fā)器有三種工作模式：正常、只讀、停止。正常模式時(shí)收發(fā)器按指令接收和發(fā)送信息；只讀模式用于診斷條件下并用于防止輸入端TXD的永久顯性使總線阻塞；停止模式是低功耗模式，在這個(gè)模式下可以停止接收和發(fā)送。

圖4 CANbus通信電路圖

3.4 繼電器輸出電路

繼電器輸出開關(guān)連接到斷路器或電容器的動(dòng)作回路，控制其分合或投切。圖5上方是延時(shí)供電電路，下方是脈沖輸出電路。系統(tǒng)采用交/直流雙電源供電，直流側(cè)通過(guò)電容進(jìn)行濾波。由于電容的作用，上電時(shí)，電壓經(jīng)歷一個(gè)短暫的上升過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，單片機(jī)的I/O口電平未定，可能導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)。增加了延時(shí)供電環(huán)節(jié)，繼電器在電平穩(wěn)定后才能動(dòng)作。

74HC07是CMOS反相器，在2~6V的電壓下，具有優(yōu)良的輸出特性。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器進(jìn)行放大，可以使動(dòng)作更可靠。

圖5 繼電器輸出電路

3.5 GPRS接口電路

GPRS收發(fā)器使用的是中興公司的ME3000模塊，該模塊通過(guò)TTL電平RXD、TXD引腳與CPU的UART接口連接，電路如圖6所示。／RESET是模塊復(fù)位引腳，由CPU的MTMS（P5.5）引腳通過(guò)三極管放大驅(qū)動(dòng)，低電平持續(xù)時(shí)間超過(guò)20ms時(shí)模塊正常復(fù)位；／RTS、／DTR分別是流控制信號(hào)，不使用，直接將它們拉低；ON／OFF是模塊上／下電控制引腳，低電平有效，由CPU的PE2（P5.6）腳通過(guò)三極管放大驅(qū)動(dòng)，在該引腳施加一定寬度的高／低電平信號(hào)可控制GPRS的開啟或者關(guān)閉，低脈沖持續(xù)時(shí)間超過(guò)1500ms時(shí)模塊開啟，低脈沖持續(xù)時(shí)間超過(guò)2s時(shí)模塊關(guān)閉。UIM_RST、UIM_DAT、UIM_CLK、UIM_VDD是模塊與SIM卡的接口線。

采用雙線模式通信，通信波特率為115 200 bit／s。GPRS模塊的外圍電路包括模塊供電與SIM卡，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮干擾的問(wèn)題。

由于GSM/GPRS自身技術(shù)特點(diǎn)，GPRS模塊在工作時(shí)需要較大的電流，如ME3000瞬時(shí)最大電流達(dá)到1.5A以上并要求電壓基本恒定（3.7V），供電電流不足常常會(huì)導(dǎo)致GPRS模塊工作不穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮足夠的電流供應(yīng)，最好使用專用供電芯片，如MIC29302等，以保證供電質(zhì)量可靠，保證GPRS模塊的可靠工作。

圖6 GPRS模塊與CPU接口電路

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用Altium公司的XE166 Tasking C 編譯器進(jìn)行開發(fā)。包括數(shù)采終端軟件和集中器軟件，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

4.1 數(shù)采終端軟件設(shè)計(jì)（略）

圖7 數(shù)采終端程序主流程圖

由主程序和中斷程序組成，由標(biāo)志位進(jìn)行消息傳遞。如圖7所示。

4.2 集中器程序設(shè)計(jì)

集中器除了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、CANbus通信功能外，還要與上位機(jī)進(jìn)行GPRS通信。主流程如下：首先進(jìn)行初始化，對(duì)I/O、ADC、CAN寄存器、中斷以及GPRS進(jìn)行設(shè)置或啟動(dòng)。緊接著采集開關(guān)信息、ADC信息，接收終端傳送上來(lái)的信息，然后對(duì)信息進(jìn)行解析。

如果環(huán)網(wǎng)柜中有設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，則需要通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳變位信息；如果上位機(jī)有信息過(guò)來(lái)，需要執(zhí)行相應(yīng)的操作流程；如果需要定時(shí)輪詢終端信息或需要轉(zhuǎn)發(fā)遙控或?qū)r(shí)命令，需要進(jìn)行CANbus通信。如圖8所示。

圖8 集中器程序主流程圖

程序通過(guò)AT指令對(duì)GPRS模塊進(jìn)行操作，包括上／下電控制、復(fù)位、打開 GPRS 數(shù)據(jù)連接，建立TCP服務(wù)器鏈接、數(shù)據(jù)收發(fā)等。為保證GPRS可靠連接，每個(gè)掃描周期檢測(cè)GPRS信號(hào)強(qiáng)度、SIM卡狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)信息、當(dāng)前 TCP 連接狀態(tài)。

如發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接失敗時(shí)，GPRS模塊應(yīng)該延時(shí)一段時(shí)間后再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，若連續(xù)三次網(wǎng)絡(luò)連接失敗，斷電復(fù)位GPRS模塊，延時(shí)較長(zhǎng)時(shí)間后再次嘗試連接。較長(zhǎng)的延時(shí)時(shí)間是為了保證GPRS模塊上電后有足夠的時(shí)間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)、準(zhǔn)備好接收指令。

結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種10kV配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜的在線監(jiān)控解決方案，根據(jù)采集的信息來(lái)判斷當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)上報(bào)給監(jiān)控中心。CAN網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，保證突發(fā)信息能及時(shí)、可靠地上傳，為故障定位和故障判斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有使用簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于CAN總線的環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控系統(tǒng)”，作者為高偉、陳清川等。）