基于双CAN总线的环网柜监控系统设计

梁佳昌 郭谋发 高 伟 杨耿杰

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

1 引言

随着城市用电负荷密度的增加，对 10kV供电配电网络的可靠性要求越来越高，电力供应系统已逐步向环网供电方式发展[1]。环网柜作为配电系统中的一个重要设备，起着监测、控制、保护电力设备安全运行的作用。

目前环网柜的监控需要更为可靠的设计，由于柜内监控设备之间的通信效率低，可靠性不高，所以常出现传输介质损坏且通信故障不能自动检测的情况，从而导致系统部分失去通信的能力。针对配电自动化对通信系统高可靠性的要求，本文提出了一种基于双CANbus的环网柜监控系统。这种监控系统对环网柜电压、电流、温度等实时数据进行采集，并通过双 CAN网络汇总给集中器后把数据发送至以太网上，主站设备通过TCP/IP网络接收数据并进行分析处理。该系统可实现线路运行参数的测量、设备状态的监视、开关设备的控制以及根据监测的电压和无功大小控制电容器的投切等功能，以确保环网柜的安全、稳定运行。

2 系统组成

该系统由终端设备和主站设备组成，其中终端设备包括采集终端和集中器，终端设备安装在环网柜每条分支线路，一个环网节点配置一台集中器，主站设备安装在监控中心，其监控系统示意图如图1所示。本文将着重介绍终端设备的软、硬件设计。

采集终端在监控点完成模拟量（如三相电压、电流、温度等）的采集和开关量状态的监测，将得到的模拟电信号进行计算，得出有功功率、无功功率和功率因数，通过通信线路将数据传送给集中器，集中器对数据汇总整理后按照《电力负荷管理系统数据传输规约》通过TCP/IP网络与远方监控中心进行数据交换。终端设备也可接收由监控中心传送下来的命令，根据命令执行参数设置或进行开关遥控。

图1 监控系统示意图

目前，配电自动化现场设备通信方式已经由RS232、RS485通信向工业现场总线、以太网发展。采集终端与集中器的通信采用 CAN总线传输，CANbus采用短帧结构，受干扰概率低，采用冗余校验CRC，保证极低的信息出错率[2-3]。集中器与远方监控中心的数据交换采用以太网传输，具有通信效率高、速度快、交互性强等特点[4]。在现场应用中，以太网的通信需要采用以太网光纤收发器作为转换设备，以光纤作为远距离通信的传输介质。

为了提高系统通信的可靠性，加强对通信质量的监测，本文设计的双CAN冗余网络，当总线出现故障时能自动切换，使系统的数据传输更可靠。

3 硬件设计

图2给出了为实现上述功能的硬件结构图。采集终端由MCU、测温电路、A/D采样电路、CAN通信电路、开关量检测电路、继电器输出电路及电源供电电路等组成。集中器除了具备采集终端的数据采集功能之外，还需与监控中心通信，比采集终端多了以太网接口。本文主要介绍 MCU、测温元件、A/D采样电路、CAN接口电路和以太网接口电路的选择与设计。

3.1 MCU的选择

监控系统的设计要求MCU能处理大量数据，运算速度快，具有较强的抗干扰能力。Infineon公司XE164xM单片机将MCU实时功能与DSP计算性能和数据吞吐量融合，系统工作频率可达 80MHz，单时钟指令周期为12.5ns，具有可同时处理4个CAN节点和 128个报文对象的 MultiCAN接口，高达576KB的Flash存储器[5]，满足系统的设计要求。

图2 硬件结构图

3.2 测温元件的选择

测温元件的选取要求能将温度检测、转换和处理集成于一体，且温度数据的输出受电磁场干扰小。另外考虑了实际工程中的安装情况，需选用可长距离通信的测温元件。DALLAS半导体公司的数字化温度传感器 DS18B20采用单总线方式与微控制器连接，具有传输距离远，抗干扰能力强等特点。该温度传感器测量范围为-55℃～+125℃，其测温分辨率可达0.0625℃[6]，适用于电缆接头温度的测量。

3.3 A/D采样电路

XE164xM集成了两个10位、带有11+5路复用通道和采样保持电路的ADC，考虑到信号测量精度的不足及单极性采样无法满足电参数交流采样的要求，需要选择具有高速、高分辨率的A/D转换器。美国ADI公司的AD7656是一种逐次逼近型的双极性、16位6通道自同步模数转换器，+5V供电，采样率为250ksps时的最大功耗为160mW，可选电压输入范围为±10V或 ±5V，具有精度高、能耗低、转换速度快、信噪比高等优点，并且只需较少的外接元件，适合于电力系统中的模拟量测量[7]。图 3为AD7656与XE164xM的接口设计。

图3 AD7656与XE164xM的接口设计

在AD7656进行模数转换之前，需要对模拟信号进行信号调理，系统对微弱模拟信号的放大采用OP1177运算放大器，OP1177具有低噪声和低失调电压等优点。AD7656采用并行接口16位传送方式，将3个CONVST引脚连接到一起，如图3中的转换信号CONVSTA/B/C，对6个ADC同时采样。通过MCU控制CONVST引脚启动转换，CONVST上升沿过后，BUSY信号变为高电平，等待转换时间3μs后，BUSY信号返回低电平，则6通道转换结束。数据可通过16位并行接口读出，先将CS置低电平，每读1路数据需将RD置低电平，依次读出6个通道AD转换值，读取完成后，改变CONVST为低电平、CS为高电平，等待下次转换。需要注意的是，XE164xM未提供专用的中断输入引脚，可将特定引脚P2.1配置为中断输入与BUSY引脚连接，AD转换结束后，BUSY信号变低向XE164xM申请中断。XE164xM的P4.0与RESET信号相连，可控制AD7656复位。

3.4 CAN接口电路

XE164xM单片机内部集成了CAN总线通信控制器，可支持高速串行通信协议CAN2.0B，而外围电路只需要考虑CAN收发器的设计[8]。由于现场干扰较大，所以CAN接口电路需具有良好的收发能力及较高的抗电磁干扰能力。以往的设计需要光耦、DC/DC隔离、CAN收发器等器件才能实现带隔离的CAN收发电路，而本系统采用CTM8251接口芯片，其内部集成了PCA82C251收发器和6N137的光耦隔离器件等，具有DC2500V隔离、热保护、抗干扰性强等特点，可与任何一款CAN协议控制器连接，简化电路设计。CAN接口电路图如图4所示。

图4 CAN接口电路

系统双CAN网络的设计需要双驱动器CTM8251，图4中CAN1_RXD、CAN1_TXD的连接与CAN0_ RXD、CAN0_TXD连接电路设计一致，不再重复画出。

3.5 以太网接口电路

以太网通信接口采用W5300芯片。W5300内部集成TCP/IP协议栈、以太网MAC层及PHY层。利用硬件协议栈芯片可实现所有的网络传输协议，对 MCU的资源要求低且开发周期短，其接口设计如图5所示。将BIT16EN信号与地连接选择8位数据总线，访问方式为直接访问，地址总线ADDR[9:0]有效；信号引脚TEST_MODE[3:0]悬空选择使用内部集成的 PHY模式，这样两路差分信号 TXOP、TXON和RXIP、RXIN与网络隔离变压器连接，系统设计选用了 13F-60FGYDPNW2NL—内部集成10/100M网络变压器和 RJ-45座，差分信号引脚需要接一个50Ω电阻和一个0.1μF的电容，以达到良好的阻抗匹配效果[9]。

图5 W5300与XE164xM的接口设计

W5300内部物理（PHY）层工作模式由 CPU通过信号引脚OP_MODE[2:0]来配置。W5300不支持上电复位，需由单片机控制，/RESET是该模块复位引脚，低电平有效，/RESET信号低电平至少持续2μs，为了使锁相环逻辑稳定，复位信号恢复高电平后至少需等待10ms，/WR、/RD分别为模块的写使能信号和读使能信号。当W5300产生中断请求（TCP连接/断开、数据收/发、超时等）时，输出低电平给XE164xM的P2.2，在CPU完成中断服务处理后，需要清除W5300的中断相关寄存器，否则外部中断会一直存在。

4 软件设计

软件设计采用英飞凌开发工具：DAVE，Tasking XE166编译器等。以下主要介绍模拟信号的采集设计、系统通信任务设计及双CAN冗余通信设计。

4.1 模拟信号的采集设计

数据采集部分是系统实现线路运行分析的关键依据，系统的模拟量采集主要是电缆接头温度以及三相电压、电流数据。温度数据通过 CPU控制DS18B20的单总线时序来获取，程序实现较简单。三相交流电的数据采集和处理的过程如图6所示。

以 XE164xM为处理器设计，首先初始化定时器GPT1和使能外部中断，CPU每个周期(20ms)采样64个点，即312.5μs采样一次，用定时器GPT1定时，启动 A/D转换，待 6通道数据转换结束后BUSY信号变低使CPU产生中断，依次将6路电量数据读完，等待定时器启动下次采样，在计数器满足64个数据点后，进行FFT变换，计算U、I、P、Q和θcos，根据计算的参数信息分析环网柜线路的运行状态，如线路失压、过流等故障。

图6 电量信号的采集流程图

4.2 系统通信任务设计

图7给出了监控系统的任务设计，集中器同样具有数据采集的功能。监控中心的上位机接收集中器上传的所有线路运行信息，其中包括集中器与采集终端通信的CAN总线状态信息，通过上位机的显示分析，根据需要可对终端设备进行开关遥控。在正常情况下，集中器采用定时轮询方式召测数据，由于数据信息多，所以采集终端通过CAN总线发送多个报文信息，集中器在中断服务程序中收到多个报文后进行帧合并处理，并最终将信息通过以太网上传给上位机，同时可向采集终端通过CANbus转发上位机的命令，如时间对时或开关遥控等。

采集终端对线路运行参数进行分析，将电缆接头温度越限、开关位置改变或线路故障定义为突发事件，当突发事件发生时，采集终端自动通过CANbus向集中器发送当前线路的运行信息。

图7 系统的通信任务流图

4.3 双CAN冗余通信设计

系统设计的两路CAN总线为CAN0和CAN1,分别作为主通道和从通道，正常情况下，CAN0主通道作为信息共享，CAN1从通道作为备用[10-11]。集中器定时轮询向采集终端召测数据并同时监测CAN总线状态，召测数据时，均尝试先使用CAN0通信，在CAN0通信失败时，才进入CAN1通信。采用这种设计方法可以定时对主通道通信质量进行监测，若主通道故障，则通过从通道重发数据，而在主通道故障修复后仍可自动切换。图8为双CAN冗余通信设计流程。本文考虑到两种故障情况，一是传输介质总线的故障，二是由于CAN接口电路故障，如驱动器损坏导致CAN通信失败。

图8 双CAN冗余通信流程图

集中器轮询召测数据需要与柜内每个采集终端通信，假定有N个采集终端并从1到N依次编号，集中器编号为0。设计思路为集中器定时发送报文对象召测数据，集中器的 CAN0节点分配报文对象 0（Message Object 0），CAN1节点分配报文对象 1（Message Object 1），采集终端的两个CAN节点上报文对象的分配与集中器一样，如图9所示。集中器向N个采集终端发送报文对象召测数据，若在报文接收中断程序中收到第K个采集终端回复的数据信息则置接收成功标志位f0K。当 CAN总线发生故障时，报文对象将发送失败，且所有采集终端的数据信息未能成功接收，记SN为集中器成功接收到采集终端回复数据的N个接收标志位累加和。如果：①SN=N，总线上所有节点都在线，总线处于正常状态；②SN= 0，表明CAN总线故障或集中器在该总线上的CAN接口故障，需要转入总线故障类型判断，并切换到备用总线重发召测命令；③0 ＜SN＜N，表明个别采集终端CAN接口故障，此时同样需要通过备用总线发送报文对象1。这种个别CAN接口故障的情况较复杂，需要考虑到未发生故障的采集终端是否重复接收了集中器的召测命令，若重复接收了需要进行闭锁处理，避免相同的数据信息重复发送，造成总线任务负荷大。若采集终端在报文对象0的中断接收程序中收到召测命令则置标志位rec0f，并记录下CAN0为信息传输通道，否则rec00f= ；当0NSN＜ ＜情况发生时，采集终端在报文对象1的中断接收程序中收到召测命令置标志位rec1f，只有当rec11f= 且rec00f= 时，采集终端才将线路的运行参数通过备用总线上传，并记录下CAN1为信息传输通道。

集中器将 CAN总线的通道信息上报给监控中心并告知采集终端，集中器和采集终端均记录了总线的通道信息，当集中器需要转达监控中心的命令或者采集终端要主动上报信息时，根据记录的通道信息来选择可行的总线通道。

图9 冗余CAN的报文对象分配

软件设计时需要注意：①当集中器发送报文对象召测数据时，采集终端的接收和回复数据都需要一定的通信时间，此时集中器需要通过软件延时后才能进行总线状态的监测，这就要求采集终端收到召测命令后应立即发送信息响应；②当集中器查询到报文发送失败，未召测到所有采集终端数据，即NSN＜ ，必须关闭集中器在该总线上的CAN节点，等待下次召测数据时再开启，否则有可能会造成系统死机；③CAN总线的故障类型判断（CANL与CANH短路、CANL或CANH断线等）较简单，采用CPU提供的CAN节点状态寄存器 NSR0进行判断，NSR0为XE164xM内CAN节点0的状态寄存器，当出现CAN协议错误时，NSR0的LEC位域值大于0，通过查询LEC的不同值来判断总线的故障类型。

5 结论

本文从硬件和软件两方面详细介绍了环网柜监控系统的设计，硬件部分在满足功能、性能要求的同时设计了冗余通信线路，软件部分侧重介绍系统数据采集、通信任务结构、双CAN冗余机制。系统可对环网柜线路运行状态实时监测，能自动完成总线的冗余切换和故障自动检测，运用以太网通信将数据上传给监控中心及时分析处理，为实现故障定位、故障隔离及恢复供电提供数据依据。本系统具有使用简单、开放性好、通信可靠性高等优点，目前已在现场稳定运行。

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