1 概述

本文提出了一種基于CANbus的環網柜監測系統，對環網柜內各個分支線路的電參數信息采集和對一些電氣設備運行狀態監測，通過CAN總線將信息經數據集中器匯總后，通過GPRS網絡上傳給監控中心，為故障判斷和故障定位提供基礎數據。監控中心也可以根據需要，遠程進行電氣設備的遙控，如：開關的分合閘操作、電容器組的投切等。系統對于縮小故障停電范圍，縮短停電時間，快速恢復供電，提高供電質量和可靠性起重要作用。

2 系統組成

系統由數據采集終端（以下簡稱“數采終端”）和數據集中器（以下簡稱“集中器”）組成（如圖1所示）。每條支路配置一臺數采終端，采集線路的三相電壓、電流和開關、補償電容器運行信息，計算出有功功率、無功功率和功率因數，并據此分析線路的當前工作狀態；通過通信線路將信息傳送給集中器。

集中器除了收集數采終端傳送的信息外，也可對某一條支路或母排進行監測，將信息匯總整理后，通過GPRS網絡傳輸給遠方監控中心；根據需要，轉發監控中心傳送下來的遙控命令。與監控中心的通信協議遵循《電力負荷管理系統數據傳輸規約》。

在正常工況下，集中器通過輪詢向終端召測信息；當發生上電、停電、接地、短路或開關變位時，終端需自動將狀態信息上傳。由于RS485通信是主從式，因此不能采用。為提高數據傳輸的可靠性和實時性，系統采用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，抗干擾能力強，可靠性高，實時性好，能夠檢測出產生的任何錯誤；是一種多主總線，具有基于優先權的仲裁機制，有效地解決了數據沖突問題。

圖1 環網柜監控系統網絡結構圖

3 硬件設計

數據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、狀態量監測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通信電路選擇和設計。

圖2 數據采集終端硬件結構圖

3.1 微處理器選擇

微處理器選用Infineon公司XE162單片機。該單片機屬于XE166系列的16位“實時信號控制器”，結合了MCU外圍控制的優點和DSP的計算能力，擁有80MHz 的運行速度、12.5ns 的最低指示運行時間、內含CAN Node、硬件CRC校驗以及576 KB大容量存儲器，比較適合高速處理和計算的場合。

3.2 A/D采樣電路設計

CPU自帶了2個10位、9通道的ADC，由于系統需快速檢測出故障時的暫態過程，無論從分辨率還是實時處理角度出發，都需要獨立的ADC芯片進行交流采樣。因此，系統選擇MAX125 ADC芯片進行單獨的A/D采樣。

MAX125是MAXIM公司生產的一款高速、8通道、14位的數據采集芯片，內設4個采樣/保持器（T/H），可同時保持4路采樣值，單次轉換時間為3μs，雙極性供電，輸入電壓范圍為±5V，最高輸入過電壓高達±17V，某個通道的損壞不會影響整個電路的正常工作。為了實現同步采樣，選擇兩片MAX125同時采集電壓、電流信號。

采集的信號最大量程不一定都為±5V，為提升ADC性能，對信號進行調理。將信號經過1個射隨放大器OPA4350后，再通過2個運算放大器進行電平移位，可實現滿量程的電壓輸入。

如果是電流信號，需要先轉成電壓信號，再進行電平移位。然后將放大后的信號進行緩沖隔離和低通濾波，就可以直接進入MAX125進行A/D采樣。低通濾波器選用MAX274，內部具有4路獨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]，設計一個外部鎖相倍頻電路，使之在每個工頻周期產生 64個 CONVST 脈沖啟動兩片 MAXl25 同時轉換。當6 個通道轉換完畢，兩片 MAX125 各產生 1個中斷信號，兩個中斷信號經過或門送到單片機的外部中斷引腳ESR1_0，可以保證兩片MAX125 都轉換完畢才去申請中斷。

單片機的讀取程序中對MAX125的RD 引腳連續施加讀脈沖，可以依次讀取6個通道的數據。MAX125 的片選信號通過譯碼器實現。MAX125 的讀和寫信號分別接XE162的P5.4和P5.3引腳。如圖3所示。

圖3 A/D采樣電路結構圖

3.3 CAN接口電路

XE162內置有全功能CAN模塊，支持2.0B active版本，數據傳輸率達到1Mbit/s。CAN收發芯片選用Infineon公司的TLE6250G，此芯片兼容12V和24V電壓系統，具有過溫和短路保護功能，電路圖如圖4所示。

由于現場干擾較大，通過6N137和DC/DC組成的隔離電路實現收發器和控制器間的電氣隔離，抑制電磁干擾，保護系統電路不受網絡影響。TLE6250G的INH和RM為模式選擇端，由單片機的I/O口控制。

收發器有三種工作模式：正常、只讀、停止。正常模式時收發器按指令接收和發送信息；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，在這個模式下可以停止接收和發送。

圖4 CANbus通信電路圖

3.4 繼電器輸出電路

繼電器輸出開關連接到斷路器或電容器的動作回路，控制其分合或投切。圖5上方是延時供電電路，下方是脈沖輸出電路。系統采用交/直流雙電源供電，直流側通過電容進行濾波。由于電容的作用，上電時，電壓經歷一個短暫的上升過程，在這個過程中，單片機的I/O口電平未定，可能導致繼電器誤動。增加了延時供電環節，繼電器在電平穩定后才能動作。

74HC07是CMOS反相器，在2~6V的電壓下，具有優良的輸出特性。輸出信號經過反相器進行放大，可以使動作更可靠。

圖5 繼電器輸出電路

3.5 GPRS接口電路

GPRS收發器使用的是中興公司的ME3000模塊，該模塊通過TTL電平RXD、TXD引腳與CPU的UART接口連接，電路如圖6所示。／RESET是模塊復位引腳，由CPU的MTMS（P5.5）引腳通過三極管放大驅動，低電平持續時間超過20ms時模塊正常復位；／RTS、／DTR分別是流控制信號，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）腳通過三極管放大驅動，在該引腳施加一定寬度的高／低電平信號可控制GPRS的開啟或者關閉，低脈沖持續時間超過1500ms時模塊開啟，低脈沖持續時間超過2s時模塊關閉。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，設計時需充分考慮干擾的問題。

由于GSM/GPRS自身技術特點，GPRS模塊在工作時需要較大的電流，如ME3000瞬時最大電流達到1.5A以上并要求電壓基本恒定（3.7V），供電電流不足常常會導致GPRS模塊工作不穩定。因此，在設計時應當充分考慮足夠的電流供應，最好使用專用供電芯片，如MIC29302等，以保證供電質量可靠，保證GPRS模塊的可靠工作。

圖6 GPRS模塊與CPU接口電路

4 軟件設計

軟件采用Altium公司的XE166 Tasking C 編譯器進行開發。包括數采終端軟件和集中器軟件，下面進行簡要介紹。

4.1 數采終端軟件設計（略）

圖7 數采終端程序主流程圖

由主程序和中斷程序組成，由標志位進行消息傳遞。如圖7所示。

4.2 集中器程序設計

集中器除了實現數據采集、CANbus通信功能外，還要與上位機進行GPRS通信。主流程如下：首先進行初始化，對I/O、ADC、CAN寄存器、中斷以及GPRS進行設置或啟動。緊接著采集開關信息、ADC信息，接收終端傳送上來的信息，然后對信息進行解析。

如果環網柜中有設備狀態發生變化，則需要通過GPRS網絡上傳變位信息；如果上位機有信息過來，需要執行相應的操作流程；如果需要定時輪詢終端信息或需要轉發遙控或對時命令，需要進行CANbus通信。如圖8所示。

圖8 集中器程序主流程圖

程序通過AT指令對GPRS模塊進行操作，包括上／下電控制、復位、打開 GPRS 數據連接，建立TCP服務器鏈接、數據收發等。為保證GPRS可靠連接，每個掃描周期檢測GPRS信號強度、SIM卡狀態、網絡注冊信息、當前 TCP 連接狀態。

如發現網絡連接失敗時，GPRS模塊應該延時一段時間后再進行網絡連接，若連續三次網絡連接失敗，斷電復位GPRS模塊，延時較長時間后再次嘗試連接。較長的延時時間是為了保證GPRS模塊上電后有足夠的時間進行網絡注冊、準備好接收指令。

結語

本文給出了一種10kV配電網環網柜的在線監控解決方案，根據采集的信息來判斷當前設備的運行狀態，并實時上報給監控中心。CAN網絡和GPRS網絡的融合應用，保證突發信息能及時、可靠地上傳，為故障定位和故障判斷提供基礎數據。所設計的系統具有使用簡單、擴展性好、可靠性高等優點。

（編自《電氣技術》，原文標題為“基于CAN總線的環網柜監控系統”，作者為高偉、陳清川等。）