摘  要： 介紹了基于DSP和CAN現場總線的分布式新型變電站RTU的設計方案。該RTU分為通信主控模塊和信號測控模塊，介紹了這兩個模塊的設計方法及CPLD技術在這兩個模塊設計中的應用。在設計RTU軟件時，采用了模塊化的程序設計方法。
關鍵詞： RTU； 電力自動化； CAN通信； CPLD

    遠程測控終端（RTU）作為體現“測控分散、管理集中”思路的產品從20世紀80年代起介紹到中國并迅速得到廣泛應用,應用在變電站上的RTU主要是實現現場電力參數的遠程采集與控制命令的遠程發布，并將信息或結果組裝成報文，上送到控制中心或調度端。縱觀國內外的RTU產品，逐步從集中式控制結構向模塊化、分散式、開放性的系統控制結構發展。由于變電站的數據量和信息量大, 實時性要求高, 因此將具有強大、高效的運算能力和豐富外圍接口電路的DSP 應用于RTU的設計方案；同時引入了開放性結構的CAN現場總線引入，運用于變電站現場數據的通信并由它組成了一個開放、可靠和實時的監控系統。
1系統總體結構設計
    RTU系統采用以DSP為微處理器、CAN為現場通信總線的分布式模塊化結構。由于分布式模塊化結構易于實現功能分解,能根據需要進行集中組拼和分散安裝，因而系統具有很好的靈活性。系統結構如圖1所示。

    RTU可以分為通信主控模塊和信號測控模塊。CAN總線實現現場數據的通信。信號測控模塊一方面監測遠方變電站斷路器（開關）位置、刀閘位置、有載調壓變壓器分接頭的位置、事故變位信號、告警信號等（遙信），同時監測主變、線路的有功功率、無功功率、電壓、電流、功率因數、有功電度、無功電度、主頻等（遙測）并轉換成相應的電參量;另一方面把上位機或調度中心下達的命令通過信號測控模塊的控制信號輸出端口用以控制斷路器的分、合位置，有載調壓變壓器的分接頭位置（遙控和遙調）。
    考慮到RTU的通用性和靈活性，通信主控模塊設有多種通信端口模式：
    (1)CAN總線，與下位信號測控模塊相連實現數據的請求與命令發布；
　 (2)RS232端口，實現與PC的通信，將RTU處理后的數據交與PC機作進一步處理或由PC機實現遠程操作與控制；
　 (3)遠方通信端口，用來與遠程控制中心進行通信；
　 (4)RS485端口，用來實現與傳統的RTU設備或其他下位智能儀表接口相兼容。
2  通信主控模塊的硬件電路設計
    采用內置CAN控制器的TMS320LF2407A(簡稱LF2407A)作為通信主控模塊的處理核心，用ALTERA公司的MAX7000S系列的EPM7128STC100-7 CPLD集成了處理器外圍數字電路,系統結構圖如圖2所示。從功能上通信主控模塊分為三個部分：CAN總線接口部分；并串轉換部分；鍵盤顯示部分和掉電數據保存部分。

    由于LF2407A內部集成CAN總線控制器，因此不必外加CAN控制器來實現CAN總線的底層協議，只需在CAN輸出端子和物理通道之間加上抗干擾的光隔和CAN總線收發器即可。光隔采用TI的8腳雙通道高速光隔HCPL2631，CAN收發器選用PHILIPS公司的具有多種保護和抗干擾能力的PCA82C250差動驅動器作為總線接口，為了更好的解決射頻干擾問題，通信介質采用屏蔽電纜，為了克服長線效應，減小通信介質中信號的反射，在傳輸線兩端并聯2個120 Ω的匹配電阻。
    該通信主控模塊系統有多個串行口與外界進行數據通信，通信實時性要求也較高，利用通用的I/O口線來構成串口在這里不適用，選用具有四個異步通信單元的TL16C554A芯片實現并-串轉換。由于PC、遠方通信端口都是RS232端口，同時為了能夠與傳統的485設備兼容,因此采用MAX232芯片，MAX 1482芯片將TL16C554A串口輸出信號的TTL電平轉化成RS232、RS485電平。
    為了保持通信主控模塊在功能上具有一定的獨立性，選擇自帶T6963C控制器漢字液晶顯示器模塊和4個按鍵一起構成人機接口界面。顯示器對系統的通信狀態進行顯示，4個按鍵完成用戶功能的設定，包括模塊的地址、各種通信端口的波特率等。X5045是為了在系統掉電時將一些系統參數保存起來，當系統再次起動時就可以重新調入這些數據。擴展的高速靜態RAM作為外部數據存儲空間和調試程序存儲空間。
3 信號測控模塊的電路設計
    信號測控模塊的主要采集對象有：經過外部電壓和電流互感器轉化后的0~100 V標準三相交流電壓和0~5 A三相相電流；反映變電站線路狀態及保護運行的開關量；功率表脈沖量。按照信號的分類，分別對應于模擬量、開關量和脈沖量。信號測控模塊的結構原理如圖3所示。

    為了保證模擬量測量的精度和實時性，對于模擬量的測量采用交流采樣和硬件電路同步的方法。硬件同步和頻率采樣電路主要由遲滯電壓比較電路、高速光藕、鎖相倍頻電路和脈沖整形電路組成。遲滯比較電路將交流正弦波輸入信號變為0~5 V的同頻率方波信號，高速光耦6N137將模擬部分和數字部分電路隔離開，鎖相倍頻電路由鎖相環電路CD4046和三片可編程計數器芯片MC14522構成128倍頻器,使輸出信號頻率為正弦輸入信號頻率的128倍，并且跟隨輸入同步變化。MC14522輸出的同步信號經分壓后，被送入TMS320LF2407A的捕獲模塊CAP1、 CAP2用于頻率的測量。CD4046輸出的同步倍頻信號經脈寬整形后得到合適的脈沖信號，接A/D轉換器ADS7864的/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC,選擇輸入的多路開關并且啟動A/D轉換。ADS7864是一塊高速(2 μs)、低功耗(50 mW)、單電源(+5 V)工作的雙12位A/D轉換器。它能以500 kHz的采樣速率同時進行6通道信號采樣，特別適用于電力監控系統。ADS7864的6路輸入通道可分成3對,測量電力監控應用的三相，并將模擬信號轉換成LF2407A所需的數字信號，存放在片內6個FIFO寄存器中。為了提高系統的效率，將ADS7864的//BUSY信號接至CPLD，由其判斷ADS7864產生三個/BUSY信號后產生一個中斷,通知LF2407A一次性讀走ADS7864的FIFO中6個轉換好的數據進行處理。另外，ADS7864采用雙極性(±5 V)的輸入，由于輸入的交流電壓信號為0~100 V，電流信號為0~5 A，因而需要加上信號調理和電平轉換電路。
    開關量和脈沖量的輸入電平為12 V。采用HCPL2631高速光隔進行隔離，實現電平匹配和隔離抗干擾，隔離后的開關量和脈沖量信號分別經過相應的數據緩沖單元即變為LF2407A外部I/O輸入端信號，LF2407A通過定時訪問相應的I/O端口來實現對開關量和脈沖量的采集。當信號測控模塊檢測到其中一個開關量的變位，產生相應的一個事件順序記錄信息。對于分析電網故障原因具有重要作用。
    利用了CPLD的集成性和可編程性將處理外圍數字電路集成到一塊芯片上，實現對其他芯片、液晶顯示器和鍵盤等的地址譯碼、讀寫、控制和信號緩沖功能。
4 系統軟件介紹
    根據硬件結構的特點，在進行系統軟件設計時可將RTU分為通信主控和信號測控兩個獨立的模塊，對兩者進行單獨的考慮和設計。在這里，采用模塊化程序設計的方法來設計模塊的整體軟件。從軟件的功能上講，通信主控模塊主要包括各種通信端口的通信程序和人機接口程序設計，信號測控模塊軟件部分則包括現場信號的采集和處理、各種電力參數的計算和分析以及與上位模塊的通信程序等。在實際應用中，通信主控模塊和信號測控模塊多個任務之間往往是互相交叉的，因此通過硬件中斷來響應不同任務請求，提高處理器的實時響應能力。
5 實驗結果與分析
    利用實驗室的現有條件，為了驗證硬件A/D采樣系統的好壞，對低壓380 V/220 V電網進行測量，采樣128個點與示波器波形相比如圖4所示。可以看出，對模擬量的采樣是精確可行的。
    在此基礎之上，進行了諧波分析。本次試驗采用電網電壓經分壓變換后電壓有效值在1.7 V左右(普通萬用表測)進行試驗。采樣數據經符號擴展后直接進行FFT變換，對應得到15次諧波峰值如表1所示，從表中數據可以看出偶次諧波很小,幾乎為零；而奇次諧波逐漸遞減。

參考文獻
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