1 概述

本文提出了一種基于CANbus的環(huán)網柜監(jiān)測系統(tǒng)，對環(huán)網柜內各個分支線路的電參數(shù)信息采集和對一些電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測，通過CAN總線將信息經數(shù)據集中器匯總后，通過GPRS網絡上傳給監(jiān)控中心，為故障判斷和故障定位提供基礎數(shù)據。監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)組成

系統(tǒng)由數(shù)據采集終端（以下簡稱“數(shù)采終端”）和數(shù)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(shù)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(shù)，并據此分析線路的當前工作狀態(tài)；通過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，也可對某一條支路或母排進行監(jiān)測，將信息匯總整理后，通過GPRS網絡傳輸給遠方監(jiān)控中心；根據需要，轉發(fā)監(jiān)控中心傳送下來的遙控命令。與監(jiān)控中心的通信協(xié)議遵循《電力負荷管理系統(tǒng)數(shù)據傳輸規(guī)約》。

在正常工況下，集中器通過輪詢向終端召測信息；當發(fā)生上電、停電、接地、短路或開關變位時，終端需自動將狀態(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)據傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r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，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(yōu)先權的仲裁機制，有效地解決了數(shù)據沖突問題。

圖1 環(huán)網柜監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構圖

3 硬件設計

數(shù)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(tài)量監(jiān)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(shù)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(yōu)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(tǒng)需快速檢測出故障時的暫態(tài)過程，無論從分辨率還是實時處理角度出發(fā)，都需要獨立的ADC芯片進行交流采樣。因此，系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(xù)施加讀脈沖，可以依次讀取6個通道的數(shù)據。MAX125 的片選信號通過譯碼器實現(xiàn)。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(shù)據傳輸率達到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)，具有過溫和短路保護功能，電路圖如圖4所示。

由于現(xiàn)場干擾較大，通過6N137和DC/DC組成的隔離電路實現(xiàn)收發(fā)器和控制器間的電氣隔離，抑制電磁干擾，保護系統(tǒng)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(fā)器有三種工作模式：正常、只讀、停止。正常模式時收發(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(tǒng)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(huán)節(jié)，繼電器在電平穩(wěn)定后才能動作。

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(fā)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(xù)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(xù)時間超過1500ms時模塊開啟，低脈沖持續(xù)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(wěn)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(fā)。包括數(shù)采終端軟件和集中器軟件，下面進行簡要介紹。

4.1 數(shù)采終端軟件設計（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(xiàn)數(shù)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(huán)網柜中有設備狀態(tài)發(fā)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(zhí)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(fā)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(shù)據連接，建立TCP服務器鏈接、數(shù)據收發(fā)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(tài)、網絡注冊信息、當前 TCP 連接狀態(tài)。

如發(fā)現(xiàn)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(xù)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(huán)網柜的在線監(jiān)控解決方案，根據采集的信息來判斷當前設備的運行狀態(tài)，并實時上報給監(jiān)控中心。CAN網絡和GPRS網絡的融合應用，保證突發(fā)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(shù)據。所設計的系統(tǒng)具有使用簡單、擴展性好、可靠性高等優(yōu)點。

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