基于CAN總線的智能饋線終端的研究

1 前言
隨著國民經濟的發(fā)展，電力用戶對供電質量和供電可靠性的要求越來越高，實現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：包括開關狀態(tài)，電能參數，相間和接地故障及故障時的參數信息，并執(zhí)行配電主站/子站對配電設備的控制及調節(jié)指令。
CAN總線作為具有國際標準，主要為工業(yè)現場設計的開放式總線，具有可靠性高，實時性強，組網靈活，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)點數量大，通信節(jié)點分散，通信距離短和數據量小，且工作環(huán)境比較惡劣；這就要求通信網絡拓撲靈活，變更方便，能容納各種不同的通信介質，易于構成大型網絡，從而便于網絡管理；同時要求網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。饋線終端的工作原理是在正常運行狀態(tài)下，FTU監(jiān)測饋電線路的運行參數，通過CAN總線向配電子站上傳各種運行參數；接收配電子站的命令，實現線路開關的遠方合閘和分閘操作以優(yōu)化配網。而當線路發(fā)生故障時，FTU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；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。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，F040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據采集所需的幾乎所有模擬和數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,用戶可根據實際的需要通過對片內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。

模擬信號采集與調理部分
電網中的電網電壓和負載電流首先經過現場一次PT和CT變換成為0-100V和0-5A的交流電量，然后再經過特制的二次PT和CT變換成為0-5V的電壓信號，接著通過調理電路調理成ADC可接受的測量范圍，調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)公司生產的兩片MAX125來完成此項工作。