基于雙CAN總線的環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁佳昌 郭謀發(fā) 高 偉 楊耿杰

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

1 引言

隨著城市用電負(fù)荷密度的增加，對(duì) 10kV供電配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求越來(lái)越高，電力供應(yīng)系統(tǒng)已逐步向環(huán)網(wǎng)供電方式發(fā)展[1]。環(huán)網(wǎng)柜作為配電系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，起著監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)電力設(shè)備安全運(yùn)行的作用。

目前環(huán)網(wǎng)柜的監(jiān)控需要更為可靠的設(shè)計(jì)，由于柜內(nèi)監(jiān)控設(shè)備之間的通信效率低，可靠性不高，所以常出現(xiàn)傳輸介質(zhì)損壞且通信故障不能自動(dòng)檢測(cè)的情況，從而導(dǎo)致系統(tǒng)部分失去通信的能力。針對(duì)配電自動(dòng)化對(duì)通信系統(tǒng)高可靠性的要求，本文提出了一種基于雙CANbus的環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控系統(tǒng)。這種監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜電壓、電流、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)雙 CAN網(wǎng)絡(luò)匯總給集中器后把數(shù)據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng)上，主站設(shè)備通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)線路運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視、開關(guān)設(shè)備的控制以及根據(jù)監(jiān)測(cè)的電壓和無(wú)功大小控制電容器的投切等功能，以確保環(huán)網(wǎng)柜的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由終端設(shè)備和主站設(shè)備組成，其中終端設(shè)備包括采集終端和集中器，終端設(shè)備安裝在環(huán)網(wǎng)柜每條分支線路，一個(gè)環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置一臺(tái)集中器，主站設(shè)備安裝在監(jiān)控中心，其監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。本文將著重介紹終端設(shè)備的軟、硬件設(shè)計(jì)。

采集終端在監(jiān)控點(diǎn)完成模擬量（如三相電壓、電流、溫度等）的采集和開關(guān)量狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，將得到的模擬電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得出有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)，通過(guò)通信線路將數(shù)據(jù)傳送給集中器，集中器對(duì)數(shù)據(jù)匯總整理后按照《電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)方監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。終端設(shè)備也可接收由監(jiān)控中心傳送下來(lái)的命令，根據(jù)命令執(zhí)行參數(shù)設(shè)置或進(jìn)行開關(guān)遙控。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

目前，配電自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信方式已經(jīng)由RS232、RS485通信向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)發(fā)展。采集終端與集中器的通信采用 CAN總線傳輸，CANbus采用短幀結(jié)構(gòu)，受干擾概率低，采用冗余校驗(yàn)CRC，保證極低的信息出錯(cuò)率[2-3]。集中器與遠(yuǎn)方監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換采用以太網(wǎng)傳輸，具有通信效率高、速度快、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，以太網(wǎng)的通信需要采用以太網(wǎng)光纖收發(fā)器作為轉(zhuǎn)換設(shè)備，以光纖作為遠(yuǎn)距離通信的傳輸介質(zhì)。

為了提高系統(tǒng)通信的可靠性，加強(qiáng)對(duì)通信質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)的雙CAN冗余網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)總線出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)切換，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸更可靠。

3 硬件設(shè)計(jì)

圖2給出了為實(shí)現(xiàn)上述功能的硬件結(jié)構(gòu)圖。采集終端由MCU、測(cè)溫電路、A/D采樣電路、CAN通信電路、開關(guān)量檢測(cè)電路、繼電器輸出電路及電源供電電路等組成。集中器除了具備采集終端的數(shù)據(jù)采集功能之外，還需與監(jiān)控中心通信，比采集終端多了以太網(wǎng)接口。本文主要介紹 MCU、測(cè)溫元件、A/D采樣電路、CAN接口電路和以太網(wǎng)接口電路的選擇與設(shè)計(jì)。

3.1 MCU的選擇

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求MCU能處理大量數(shù)據(jù)，運(yùn)算速度快，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。Infineon公司XE164xM單片機(jī)將MCU實(shí)時(shí)功能與DSP計(jì)算性能和數(shù)據(jù)吞吐量融合，系統(tǒng)工作頻率可達(dá) 80MHz，單時(shí)鐘指令周期為12.5ns，具有可同時(shí)處理4個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和 128個(gè)報(bào)文對(duì)象的 MultiCAN接口，高達(dá)576KB的Flash存儲(chǔ)器[5]，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 測(cè)溫元件的選擇

測(cè)溫元件的選取要求能將溫度檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和處理集成于一體，且溫度數(shù)據(jù)的輸出受電磁場(chǎng)干擾小。另外考慮了實(shí)際工程中的安裝情況，需選用可長(zhǎng)距離通信的測(cè)溫元件。DALLAS半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20采用單總線方式與微控制器連接，具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該溫度傳感器測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，其測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃[6]，適用于電纜接頭溫度的測(cè)量。

3.3 A/D采樣電路

XE164xM集成了兩個(gè)10位、帶有11+5路復(fù)用通道和采樣保持電路的ADC，考慮到信號(hào)測(cè)量精度的不足及單極性采樣無(wú)法滿足電參數(shù)交流采樣的要求，需要選擇具有高速、高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。美國(guó)ADI公司的AD7656是一種逐次逼近型的雙極性、16位6通道自同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器，+5V供電，采樣率為250ksps時(shí)的最大功耗為160mW，可選電壓輸入范圍為±10V或 ±5V，具有精度高、能耗低、轉(zhuǎn)換速度快、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，并且只需較少的外接元件，適合于電力系統(tǒng)中的模擬量測(cè)量[7]。圖 3為AD7656與XE164xM的接口設(shè)計(jì)。

圖3 AD7656與XE164xM的接口設(shè)計(jì)

在AD7656進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，系統(tǒng)對(duì)微弱模擬信號(hào)的放大采用OP1177運(yùn)算放大器，OP1177具有低噪聲和低失調(diào)電壓等優(yōu)點(diǎn)。AD7656采用并行接口16位傳送方式，將3個(gè)CONVST引腳連接到一起，如圖3中的轉(zhuǎn)換信號(hào)CONVSTA/B/C，對(duì)6個(gè)ADC同時(shí)采樣。通過(guò)MCU控制CONVST引腳啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，CONVST上升沿過(guò)后，BUSY信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑却D(zhuǎn)換時(shí)間3μs后，BUSY信號(hào)返回低電平，則6通道轉(zhuǎn)換結(jié)束。數(shù)據(jù)可通過(guò)16位并行接口讀出，先將CS置低電平，每讀1路數(shù)據(jù)需將RD置低電平，依次讀出6個(gè)通道AD轉(zhuǎn)換值，讀取完成后，改變CONVST為低電平、CS為高電平，等待下次轉(zhuǎn)換。需要注意的是，XE164xM未提供專用的中斷輸入引腳，可將特定引腳P2.1配置為中斷輸入與BUSY引腳連接，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY信號(hào)變低向XE164xM申請(qǐng)中斷。XE164xM的P4.0與RESET信號(hào)相連，可控制AD7656復(fù)位。

3.4 CAN接口電路

XE164xM單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN總線通信控制器，可支持高速串行通信協(xié)議CAN2.0B，而外圍電路只需要考慮CAN收發(fā)器的設(shè)計(jì)[8]。由于現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，所以CAN接口電路需具有良好的收發(fā)能力及較高的抗電磁干擾能力。以往的設(shè)計(jì)需要光耦、DC/DC隔離、CAN收發(fā)器等器件才能實(shí)現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，而本系統(tǒng)采用CTM8251接口芯片，其內(nèi)部集成了PCA82C251收發(fā)器和6N137的光耦隔離器件等，具有DC2500V隔離、熱保護(hù)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，可與任何一款CAN協(xié)議控制器連接，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。CAN接口電路圖如圖4所示。

圖4 CAN接口電路

系統(tǒng)雙CAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要雙驅(qū)動(dòng)器CTM8251，圖4中CAN1_RXD、CAN1_TXD的連接與CAN0_ RXD、CAN0_TXD連接電路設(shè)計(jì)一致，不再重復(fù)畫出。

3.5 以太網(wǎng)接口電路

以太網(wǎng)通信接口采用W5300芯片。W5300內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC層及PHY層。利用硬件協(xié)議棧芯片可實(shí)現(xiàn)所有的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，對(duì) MCU的資源要求低且開發(fā)周期短，其接口設(shè)計(jì)如圖5所示。將BIT16EN信號(hào)與地連接選擇8位數(shù)據(jù)總線，訪問(wèn)方式為直接訪問(wèn)，地址總線ADDR[9:0]有效；信號(hào)引腳TEST_MODE[3:0]懸空選擇使用內(nèi)部集成的 PHY模式，這樣兩路差分信號(hào) TXOP、TXON和RXIP、RXIN與網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器連接，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了 13F-60FGYDPNW2NL—內(nèi)部集成10/100M網(wǎng)絡(luò)變壓器和 RJ-45座，差分信號(hào)引腳需要接一個(gè)50?電阻和一個(gè)0.1μF的電容，以達(dá)到良好的阻抗匹配效果[9]。

圖5 W5300與XE164xM的接口設(shè)計(jì)

W5300內(nèi)部物理（PHY）層工作模式由 CPU通過(guò)信號(hào)引腳OP_MODE[2:0]來(lái)配置。W5300不支持上電復(fù)位，需由單片機(jī)控制，/RESET是該模塊復(fù)位引腳，低電平有效，/RESET信號(hào)低電平至少持續(xù)2μs，為了使鎖相環(huán)邏輯穩(wěn)定，復(fù)位信號(hào)恢復(fù)高電平后至少需等待10ms，/WR、/RD分別為模塊的寫使能信號(hào)和讀使能信號(hào)。當(dāng)W5300產(chǎn)生中斷請(qǐng)求（TCP連接/斷開、數(shù)據(jù)收/發(fā)、超時(shí)等）時(shí)，輸出低電平給XE164xM的P2.2，在CPU完成中斷服務(wù)處理后，需要清除W5300的中斷相關(guān)寄存器，否則外部中斷會(huì)一直存在。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用英飛凌開發(fā)工具：DAVE，Tasking XE166編譯器等。以下主要介紹模擬信號(hào)的采集設(shè)計(jì)、系統(tǒng)通信任務(wù)設(shè)計(jì)及雙CAN冗余通信設(shè)計(jì)。

4.1 模擬信號(hào)的采集設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線路運(yùn)行分析的關(guān)鍵依據(jù)，系統(tǒng)的模擬量采集主要是電纜接頭溫度以及三相電壓、電流數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)通過(guò) CPU控制DS18B20的單總線時(shí)序來(lái)獲取，程序?qū)崿F(xiàn)較簡(jiǎn)單。三相交流電的數(shù)據(jù)采集和處理的過(guò)程如圖6所示。

以 XE164xM為處理器設(shè)計(jì)，首先初始化定時(shí)器GPT1和使能外部中斷，CPU每個(gè)周期(20ms)采樣64個(gè)點(diǎn)，即312.5μs采樣一次，用定時(shí)器GPT1定時(shí)，啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，待 6通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY信號(hào)變低使CPU產(chǎn)生中斷，依次將6路電量數(shù)據(jù)讀完，等待定時(shí)器啟動(dòng)下次采樣，在計(jì)數(shù)器滿足64個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)后，進(jìn)行FFT變換，計(jì)算U、I、P、Q和θcos，根據(jù)計(jì)算的參數(shù)信息分析環(huán)網(wǎng)柜線路的運(yùn)行狀態(tài)，如線路失壓、過(guò)流等故障。

圖6 電量信號(hào)的采集流程圖

4.2 系統(tǒng)通信任務(wù)設(shè)計(jì)

圖7給出了監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計(jì)，集中器同樣具有數(shù)據(jù)采集的功能。監(jiān)控中心的上位機(jī)接收集中器上傳的所有線路運(yùn)行信息，其中包括集中器與采集終端通信的CAN總線狀態(tài)信息，通過(guò)上位機(jī)的顯示分析，根據(jù)需要可對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行開關(guān)遙控。在正常情況下，集中器采用定時(shí)輪詢方式召測(cè)數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)信息多，所以采集終端通過(guò)CAN總線發(fā)送多個(gè)報(bào)文信息，集中器在中斷服務(wù)程序中收到多個(gè)報(bào)文后進(jìn)行幀合并處理，并最終將信息通過(guò)以太網(wǎng)上傳給上位機(jī)，同時(shí)可向采集終端通過(guò)CANbus轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)的命令，如時(shí)間對(duì)時(shí)或開關(guān)遙控等。

采集終端對(duì)線路運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，將電纜接頭溫度越限、開關(guān)位置改變或線路故障定義為突發(fā)事件，當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，采集終端自動(dòng)通過(guò)CANbus向集中器發(fā)送當(dāng)前線路的運(yùn)行信息。

圖7 系統(tǒng)的通信任務(wù)流圖

4.3 雙CAN冗余通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩路CAN總線為CAN0和CAN1,分別作為主通道和從通道，正常情況下，CAN0主通道作為信息共享，CAN1從通道作為備用[10-11]。集中器定時(shí)輪詢向采集終端召測(cè)數(shù)據(jù)并同時(shí)監(jiān)測(cè)CAN總線狀態(tài)，召測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，均嘗試先使用CAN0通信，在CAN0通信失敗時(shí)，才進(jìn)入CAN1通信。采用這種設(shè)計(jì)方法可以定時(shí)對(duì)主通道通信質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若主通道故障，則通過(guò)從通道重發(fā)數(shù)據(jù)，而在主通道故障修復(fù)后仍可自動(dòng)切換。圖8為雙CAN冗余通信設(shè)計(jì)流程。本文考慮到兩種故障情況，一是傳輸介質(zhì)總線的故障，二是由于CAN接口電路故障，如驅(qū)動(dòng)器損壞導(dǎo)致CAN通信失敗。

圖8 雙CAN冗余通信流程圖

集中器輪詢召測(cè)數(shù)據(jù)需要與柜內(nèi)每個(gè)采集終端通信，假定有N個(gè)采集終端并從1到N依次編號(hào)，集中器編號(hào)為0。設(shè)計(jì)思路為集中器定時(shí)發(fā)送報(bào)文對(duì)象召測(cè)數(shù)據(jù)，集中器的 CAN0節(jié)點(diǎn)分配報(bào)文對(duì)象 0（Message Object 0），CAN1節(jié)點(diǎn)分配報(bào)文對(duì)象 1（Message Object 1），采集終端的兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)上報(bào)文對(duì)象的分配與集中器一樣，如圖9所示。集中器向N個(gè)采集終端發(fā)送報(bào)文對(duì)象召測(cè)數(shù)據(jù)，若在報(bào)文接收中斷程序中收到第K個(gè)采集終端回復(fù)的數(shù)據(jù)信息則置接收成功標(biāo)志位f0K。當(dāng) CAN總線發(fā)生故障時(shí)，報(bào)文對(duì)象將發(fā)送失敗，且所有采集終端的數(shù)據(jù)信息未能成功接收，記SN為集中器成功接收到采集終端回復(fù)數(shù)據(jù)的N個(gè)接收標(biāo)志位累加和。如果：①SN=N，總線上所有節(jié)點(diǎn)都在線，總線處于正常狀態(tài)；②SN= 0，表明CAN總線故障或集中器在該總線上的CAN接口故障，需要轉(zhuǎn)入總線故障類型判斷，并切換到備用總線重發(fā)召測(cè)命令；③0 ＜SN＜N，表明個(gè)別采集終端CAN接口故障，此時(shí)同樣需要通過(guò)備用總線發(fā)送報(bào)文對(duì)象1。這種個(gè)別CAN接口故障的情況較復(fù)雜，需要考慮到未發(fā)生故障的采集終端是否重復(fù)接收了集中器的召測(cè)命令，若重復(fù)接收了需要進(jìn)行閉鎖處理，避免相同的數(shù)據(jù)信息重復(fù)發(fā)送，造成總線任務(wù)負(fù)荷大。若采集終端在報(bào)文對(duì)象0的中斷接收程序中收到召測(cè)命令則置標(biāo)志位rec0f，并記錄下CAN0為信息傳輸通道，否則rec00f= ；當(dāng)0NSN＜ ＜情況發(fā)生時(shí)，采集終端在報(bào)文對(duì)象1的中斷接收程序中收到召測(cè)命令置標(biāo)志位rec1f，只有當(dāng)rec11f= 且rec00f= 時(shí)，采集終端才將線路的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)備用總線上傳，并記錄下CAN1為信息傳輸通道。

集中器將 CAN總線的通道信息上報(bào)給監(jiān)控中心并告知采集終端，集中器和采集終端均記錄了總線的通道信息，當(dāng)集中器需要轉(zhuǎn)達(dá)監(jiān)控中心的命令或者采集終端要主動(dòng)上報(bào)信息時(shí)，根據(jù)記錄的通道信息來(lái)選擇可行的總線通道。

圖9 冗余CAN的報(bào)文對(duì)象分配

軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：①當(dāng)集中器發(fā)送報(bào)文對(duì)象召測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，采集終端的接收和回復(fù)數(shù)據(jù)都需要一定的通信時(shí)間，此時(shí)集中器需要通過(guò)軟件延時(shí)后才能進(jìn)行總線狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，這就要求采集終端收到召測(cè)命令后應(yīng)立即發(fā)送信息響應(yīng)；②當(dāng)集中器查詢到報(bào)文發(fā)送失敗，未召測(cè)到所有采集終端數(shù)據(jù)，即NSN＜ ，必須關(guān)閉集中器在該總線上的CAN節(jié)點(diǎn)，等待下次召測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)再開啟，否則有可能會(huì)造成系統(tǒng)死機(jī)；③CAN總線的故障類型判斷（CANL與CANH短路、CANL或CANH斷線等）較簡(jiǎn)單，采用CPU提供的CAN節(jié)點(diǎn)狀態(tài)寄存器 NSR0進(jìn)行判斷，NSR0為XE164xM內(nèi)CAN節(jié)點(diǎn)0的狀態(tài)寄存器，當(dāng)出現(xiàn)CAN協(xié)議錯(cuò)誤時(shí)，NSR0的LEC位域值大于0，通過(guò)查詢LEC的不同值來(lái)判斷總線的故障類型。

5 結(jié)論

本文從硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹了環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件部分在滿足功能、性能要求的同時(shí)設(shè)計(jì)了冗余通信線路，軟件部分側(cè)重介紹系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、通信任務(wù)結(jié)構(gòu)、雙CAN冗余機(jī)制。系統(tǒng)可對(duì)環(huán)網(wǎng)柜線路運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能自動(dòng)完成總線的冗余切換和故障自動(dòng)檢測(cè)，運(yùn)用以太網(wǎng)通信將數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控中心及時(shí)分析處理，為實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離及恢復(fù)供電提供數(shù)據(jù)依據(jù)。本系統(tǒng)具有使用簡(jiǎn)單、開放性好、通信可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前已在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

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