基于Can總線的在線式電能綜合質量分析系統設計

摘 要：針對目前鐵路信號外電網監測單元的數據分辨率較低，不能滿足電務段對電能質量的實際需求。而現有的一些電能質量分析儀器，通訊方式多采用RS485/232有線通訊、無線通訊，不能滿足高實時性、高分辨率數據傳輸的需求，文章提出基于DSP的高分辨率數據采集、can總線實時數據傳輸的在線式電能質量綜合質量分析系統，介紹了系統的硬件、軟件實現方法。

關鍵詞：電能質量；can總線；TMS320F2812

引言

隨著鐵路事業的飛速發展，尤其是高速鐵路的大面積開通運行，在推動國民經濟快速發展的同時[1]，也對鐵路信號設備的穩定運行提出了更高的要求。高鐵站的信號設備多數為基于計算機、微處理器控制的精密電子儀器[2]，對供電質量的敏感度很高，所以對電能質量提出了更高的要求。

目前的鐵路信號外電網監測單元的數據分辨率較低，不能滿足電務段對電能質量的實際需求。而一些電能質量分析儀器則由于自身設計缺陷，對高分辨率實時數據不能長期存儲，且通訊方式多采用RS485/232有線通訊、無線通訊，不能滿足高實時性、高分辨率數據傳輸的需求。

文章針對現有技術不足，提出一種具有高分辨率采樣的在線式電能綜合質量分析儀，能很好地反映電能綜合質量，滿足電務段對電能質量的實際需求。

1 系統整體方案設計

整個系統由在線式電能綜合質量分析儀、車站站機、遠程服務器、遠程終端組成，如圖1所示。

在線式電能綜合質量分析儀，能連續、實時、高分辨率地監測外電網的電能質量，并將高分辨率的錄波數據、實時數據、故障波形、故障報警等信息，通過獨立CAN總線上傳給車站站機，由站機對數據進行顯示、存儲。利用鐵路信號微機監測的2M帶寬專網，將外電網數據實時傳送給遠程服務器，使得通過遠程終端可以查看各個車站外電網的實時高分辨率錄波數據、實時數據（電壓、電流、功率、功率因數等）、歷史數據、報警記錄、瞬間突變波形等信息，滿足了電務段對于供電結合部管理的實際需要。

2 系統硬件設計

在線式電能綜合質量分析儀，包括信號采樣電路、核心CPU模塊、can總線接口電路。

2.1 信號采樣設計

電能綜合質量分析儀采集兩路三相電的電壓、電流。電流采樣采用開口的電流互感器CT53C104b-100A/50mA，將采樣線從電流互感器中間穿過，通過電磁感應采集采樣線中通過的電流，并輸出最大50mA的電流，電流互感器輸出的電流信號先在隔離轉換板上轉換為低于1.5V的電壓信號，再輸出到CPU板。電壓采樣是在采樣位置與信號隔離轉換板之間連接采樣線，在隔離轉換板上，先經過保險管，再經YXY300-1.06V進行隔離轉換，輸出到CPU板。

保險管是防止電壓采樣線在電能質量分析儀內短路，影響到外電網正常運行。采集的電壓、電流信號經過隔離防護后接入CPU模塊，不會因為在線電能質量分析儀采集外電網信號，對外電網的正常運行造成影響。

2.2 CPU板設計

核心CPU模塊的中央處理器采用DSP芯片TMS320F2812[3]，外圍電路包括電源電路、晶振、外擴RAM，電源采用DSP專用電源芯片PS73HD301，為TMS320F2812提供所需工作電源；晶振采用30M有源晶振和中央處理器的時鐘端口連接，在TMS320F2812系統初始化時，將主頻倍頻為150M。外擴RAM選用CY7C1041V33芯片，作為高分辨率數據的暫存空間。

2.3 Can總線接口設計

Can總線接口設計采用TMS320F2812自帶的Can接口，在外圍增加高速光耦6N137、Can收發器82C250以及Can防護電路。Can收發器82C250和核心CPU模塊的中央處理器自帶的Can接口通訊連接，在Can收發器82C250的串行輸入和輸出端口設有光耦隔離電路及Can防護電路；從所述Can收發器82C250引出與外部Can總線連接的Can總線接口。Can通訊線需采用雙絞屏蔽線，且屏蔽層接地。

因在線式電能綜合質量分析儀具有高分辨率數據采樣，且具有較高的實時性，所以在TMS320F2812滿足高分辨率數據采樣的前提下，必須具有足夠高帶寬的通訊總線將數據及時地傳送出去，且具有足夠長的通訊距離。Can總線具有1M帶寬，且在速率500k時，通訊最大距離可達130m，可以滿足高分辨率數據的傳輸帶寬以及現場通訊距離的實際需求。

3 軟件設計

在線式電能綜合質量分析儀，實時監測鐵路信號機械室兩路三相電的相電壓（基波、諧波）、線電壓、電流（基波、諧波）、頻率、相位角、功率、功率因數等信息，并將實時采集的高分辨率實時電壓/電流波形、瞬間波形突變等信息通過CAN總線上送給站機；同時，對采集的原始數據進行運算，計算出每相電壓電流的有效值（基波、諧波），定時上送給站機。根據計算出的有效值，作為判斷外電網斷電/瞬間斷電的依據。并根據采集的高分辨率原始數據，判斷是否有瞬間突變（突變時間≥2ms），如果有瞬間突變波形，則截取突變前后幾個周期的高分辨率數據進行存儲，并記錄突變時間、置位突變開關量，將突變時間、突變開關量、突變波形，依次上送給站機。

站機軟件對每秒定時上送的數據進行顯示、存儲，并形成日報表、日曲線、月曲線、年曲線，對突變波形進行存儲，可通過菜單查看，并根據突變開關量和突變時間，在報警窗口中提示用戶本次的報警信息，用戶可根據報警的時間和類型，到相應的菜單下查看本次報警的突變曲線。

站機通過具有2M帶寬的專網，與遠程服務器進行連接，可以設置多個終端與服務器相連，通過終端程序，遠程查看各個車站外電網的實時高分辨率錄波數據、實時數據（電壓、電流、功率、功率因數等）、歷史數據、報警記錄、瞬間突變波形等信息。

4 結束語

文章設計的在線式電能綜合質量分析儀，設計科學，電路結構簡單，實用性強。采用DSP芯片的高速采樣、高速處理數據功能，利用Can總線強大的數據傳輸能力，實現了高分辨率、高實時性的外電網突變波形監測。

參考文獻

[1]姚士謀，程紹鉑，吳建楠.高鐵時代我國三大都市圈發展路徑探索[J].蘇州大學學報（哲學社會科學版），2011（4）.

[2]賈慶東，王劍，祝陶美，上官偉.高速鐵路列控系統CTC子系統仿真換線技術研究[J].鐵道通信號，2011（9）.

[3]高利鑫，唐飛，王曉浩.基于TMS320F2812與LabVIEW的FAIMS信號采集處理系統[J].測控技術，2012（12）.

作者簡介：解豪杰（1981-），男，碩士研究生，研究方向為電氣測量與故障診斷技。

劉霞麗（1982-），女，碩士研究生，研究方向為計算機通信與工業控制。