基于CAN总线的智能馈线终端的研究

1 前言
随着国民经济的发展，电力用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，实现配电自动化是配电系统提高供电可靠性的最有效手段。在配电自动化系统中，馈线自动化是配电自动化系统的基础。而作为馈线自动化系统中核心设备的馈线终端则成为配电自动化系统成功实施的关键。
馈线终端简称FTU(Feeder Terminal Unit)，它主要用来监控柱上负荷开关，重合器等一次设备。向配电主站/子站提供配电系统运行工况和提供各种参数：包括开关状态，电能参数，相间和接地故障及故障时的参数信息，并执行配电主站/子站对配电设备的控制及调节指令。
CAN总线作为具有国际标准，主要为工业现场设计的开放式总线，具有可靠性高，实时性强，组网灵活，成本低廉等优点。在馈线自动化系统中采用CAN总线通信方式，有着广阔的前景。之所以采用CAN总线，这主要是由馈电自动化通信特点和性能要求所决定的。在馈线自动化系统中，馈线终端节点数量大，通信节点分散，通信距离短和数据量小，且工作环境比较恶劣；这就要求通信网络拓扑灵活，变更方便，能容纳各种不同的通信介质，易于构成大型网络，从而便于网络管理；同时要求网络通信具有较高的可靠性与实时性。主要用于低层设备通信的CAN总线完全可以适用于这一场合。
本文所介绍的馈线终端主要用于铁路道口，完成对用于给铁路道口信号灯供电的馈电线路的监控。整个系统的结构如图1所示。依照CAN总线的特点，我们将配电子站和各个FTU均作为总线上的一个节点通过屏蔽双绞线连接成一个总线型的局域网。馈线终端的工作原理是在正常运行状态下，FTU监测馈电线路的运行参数，通过CAN总线向配电子站上传各种运行参数；接收配电子站的命令，实现线路开关的远方合闸和分闸操作以优化配网。而当线路发生故障时，FTU及时向配电子站发送报警信号。配电子站在接收报警信号后，对相应故障现象进行判断，隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域的供电，从而达到减小停电面积和缩短停电时间的目的。馈线终端可依照配电子站的请求，工作在实时检测和监控两种工

作状态：在实时检测的工作状态下馈线终端实时向配电子站发送馈电线路的运行参数；而工作在监控状态下的馈线终端定时向配电子站发送相关参数。该FTU除了具有传统的三遥功能外，还具有故障录波、越限主动报警、SOE（事件顺序记录）等功能。
2 智能馈线终端的硬件结构设计
本文所介绍的FTU是一个基于SOC型单片机设计的全数字控制单元。整个装置分为主控部分，模拟电信号量采集和调理部分，开关量输入输出控制部分，CAN总线通信部分，液晶显示人机接口部分等模块。其原理框图如图2所示。

图2
主控部分[2]
主控部分采用C8051F040（以下简称F040）单片机，F040单片机是CYGNAL公司推出的完全集成的混合信号片上系统型微控制器。它在一块芯片上集成了构成一个单片机数据采集所需的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件，同时，它的运行速度也较普通的单片机有了极大的提高，由于采用了流水线技术，它的速度可达到普通单片机的10倍,用户可根据实际的需要通过对片内相应寄存器及交叉开关的简单配置即可构建出一个完整的测控系统，为设计小体积、低功耗、低成本、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了很大的方便。

模拟信号采集与调理部分
电网中的电网电压和负载电流首先经过现场一次PT和CT变换成为0-100V和0-5A的交流电量，然后再经过特制的二次PT和CT变换成为0-5V的电压信号，接着通过调理电路调理成ADC可接受的测量范围，调理后的交流信号通过一级电压跟随和二阶有源低通滤波器，以消除高次谐波和噪声信号送入ADC进行测量。铁路应用的场合需要对两回线（贯通和自闭）的三相电压和三相电流进行同时进行测量，共需12路交流通道，为保证交流电压电流信号的同时采样，提高采样精度，我们选用MAXIAM(美信)公司生产的两片MAX125来完成此项工作。