摘  要： 介紹了基于DSP和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式新型變電站RTU的設(shè)計(jì)方案。該RTU分為通信主控模塊和信號(hào)測(cè)控模塊，介紹了這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法及CPLD技術(shù)在這兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)RTU軟件時(shí)，采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞： RTU； 電力自動(dòng)化； CAN通信； CPLD

    遠(yuǎn)程測(cè)控終端（RTU）作為體現(xiàn)“測(cè)控分散、管理集中”思路的產(chǎn)品從20世紀(jì)80年代起介紹到中國(guó)并迅速得到廣泛應(yīng)用,應(yīng)用在變電站上的RTU主要是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電力參數(shù)的遠(yuǎn)程采集與控制命令的遠(yuǎn)程發(fā)布，并將信息或結(jié)果組裝成報(bào)文，上送到控制中心或調(diào)度端?？v觀國(guó)內(nèi)外的RTU產(chǎn)品，逐步從集中式控制結(jié)構(gòu)向模塊化、分散式、開(kāi)放性的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)發(fā)展。由于變電站的數(shù)據(jù)量和信息量大, 實(shí)時(shí)性要求高, 因此將具有強(qiáng)大、高效的運(yùn)算能力和豐富外圍接口電路的DSP 應(yīng)用于RTU的設(shè)計(jì)方案；同時(shí)引入了開(kāi)放性結(jié)構(gòu)的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線引入，運(yùn)用于變電站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的通信并由它組成了一個(gè)開(kāi)放、可靠和實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)。
1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    RTU系統(tǒng)采用以DSP為微處理器、CAN為現(xiàn)場(chǎng)通信總線的分布式模塊化結(jié)構(gòu)。由于分布式模塊化結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)功能分解,能根據(jù)需要進(jìn)行集中組拼和分散安裝，因而系統(tǒng)具有很好的靈活性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    RTU可以分為通信主控模塊和信號(hào)測(cè)控模塊。CAN總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的通信。信號(hào)測(cè)控模塊一方面監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)方變電站斷路器（開(kāi)關(guān)）位置、刀閘位置、有載調(diào)壓變壓器分接頭的位置、事故變位信號(hào)、告警信號(hào)等（遙信），同時(shí)監(jiān)測(cè)主變、線路的有功功率、無(wú)功功率、電壓、電流、功率因數(shù)、有功電度、無(wú)功電度、主頻等（遙測(cè)）并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電參量;另一方面把上位機(jī)或調(diào)度中心下達(dá)的命令通過(guò)信號(hào)測(cè)控模塊的控制信號(hào)輸出端口用以控制斷路器的分、合位置，有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置（遙控和遙調(diào)）。
    考慮到RTU的通用性和靈活性，通信主控模塊設(shè)有多種通信端口模式：
    (1)CAN總線，與下位信號(hào)測(cè)控模塊相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求與命令發(fā)布；
　 (2)RS232端口，實(shí)現(xiàn)與PC的通信，將RTU處理后的數(shù)據(jù)交與PC機(jī)作進(jìn)一步處理或由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與控制；
　 (3)遠(yuǎn)方通信端口，用來(lái)與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行通信；
　 (4)RS485端口，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的RTU設(shè)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(shè)計(jì)
    采用內(nèi)置CAN控制器的TMS320LF2407A(簡(jiǎn)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(shù)字電路,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。從功能上通信主控模塊分為三個(gè)部分：CAN總線接口部分；并串轉(zhuǎn)換部分；鍵盤(pán)顯示部分和掉電數(shù)據(jù)保存部分。

    由于LF2407A內(nèi)部集成CAN總線控制器，因此不必外加CAN控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線的底層協(xié)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(fā)器即可。光隔采用TI的8腳雙通道高速光隔HCPL2631，CAN收發(fā)器選用PHILIPS公司的具有多種保護(hù)和抗干擾能力的PCA82C250差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器作為總線接口，為了更好的解決射頻干擾問(wèn)題，通信介質(zhì)采用屏蔽電纜，為了克服長(zhǎng)線效應(yīng)，減小通信介質(zhì)中信號(hào)的反射，在傳輸線兩端并聯(lián)2個(gè)120 Ω的匹配電阻。
    該通信主控模塊系統(tǒng)有多個(gè)串行口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信實(shí)時(shí)性要求也較高，利用通用的I/O口線來(lái)構(gòu)成串口在這里不適用，選用具有四個(gè)異步通信單元的TL16C554A芯片實(shí)現(xiàn)并-串轉(zhuǎn)換。由于PC、遠(yuǎn)方通信端口都是RS232端口，同時(shí)為了能夠與傳統(tǒng)的485設(shè)備兼容,因此采用MAX232芯片，MAX 1482芯片將TL16C554A串口輸出信號(hào)的TTL電平轉(zhuǎn)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(dú)立性，選擇自帶T6963C控制器漢字液晶顯示器模塊和4個(gè)按鍵一起構(gòu)成人機(jī)接口界面。顯示器對(duì)系統(tǒng)的通信狀態(tài)進(jìn)行顯示，4個(gè)按鍵完成用戶功能的設(shè)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(tǒng)掉電時(shí)將一些系統(tǒng)參數(shù)保存起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)再次起動(dòng)時(shí)就可以重新調(diào)入這些數(shù)據(jù)。擴(kuò)展的高速靜態(tài)RAM作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和調(diào)試程序存儲(chǔ)空間。
3 信號(hào)測(cè)控模塊的電路設(shè)計(jì)
    信號(hào)測(cè)控模塊的主要采集對(duì)象有：經(jīng)過(guò)外部電壓和電流互感器轉(zhuǎn)化后的0~100 V標(biāo)準(zhǔn)三相交流電壓和0~5 A三相相電流；反映變電站線路狀態(tài)及保護(hù)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)量；功率表脈沖量。按照信號(hào)的分類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)于模擬量、開(kāi)關(guān)量和脈沖量。信號(hào)測(cè)控模塊的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

    為了保證模擬量測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性，對(duì)于模擬量的測(cè)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(hào)變?yōu)?~5 V的同頻率方波信號(hào)，高速光耦6N137將模擬部分和數(shù)字部分電路隔離開(kāi)，鎖相倍頻電路由鎖相環(huán)電路CD4046和三片可編程計(jì)數(shù)器芯片MC14522構(gòu)成128倍頻器,使輸出信號(hào)頻率為正弦輸入信號(hào)頻率的128倍，并且跟隨輸入同步變化。MC14522輸出的同步信號(hào)經(jīng)分壓后，被送入TMS320LF2407A的捕獲模塊CAP1、 CAP2用于頻率的測(cè)量。CD4046輸出的同步倍頻信號(hào)經(jīng)脈寬整形后得到合適的脈沖信號(hào)，接A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864的/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC,選擇輸入的多路開(kāi)關(guān)并且啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。它能以500 kHz的采樣速率同時(shí)進(jìn)行6通道信號(hào)采樣，特別適用于電力監(jiān)控系統(tǒng)。ADS7864的6路輸入通道可分成3對(duì),測(cè)量電力監(jiān)控應(yīng)用的三相，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成LF2407A所需的數(shù)字信號(hào)，存放在片內(nèi)6個(gè)FIFO寄存器中。為了提高系統(tǒng)的效率，將ADS7864的//BUSY信號(hào)接至CPLD，由其判斷ADS7864產(chǎn)生三個(gè)/BUSY信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)中斷,通知LF2407A一次性讀走ADS7864的FIFO中6個(gè)轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)為0~100 V，電流信號(hào)為0~5 A，因而需要加上信號(hào)調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換電路。
    開(kāi)關(guān)量和脈沖量的輸入電平為12 V。采用HCPL2631高速光隔進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)電平匹配和隔離抗干擾，隔離后的開(kāi)關(guān)量和脈沖量信號(hào)分別經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖單元即變?yōu)長(zhǎng)F2407A外部I/O輸入端信號(hào)，LF2407A通過(guò)定時(shí)訪問(wèn)相應(yīng)的I/O端口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量和脈沖量的采集。當(dāng)信號(hào)測(cè)控模塊檢測(cè)到其中一個(gè)開(kāi)關(guān)量的變位，產(chǎn)生相應(yīng)的一個(gè)事件順序記錄信息。對(duì)于分析電網(wǎng)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(shù)字電路集成到一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他芯片、液晶顯示器和鍵盤(pán)等的地址譯碼、讀寫(xiě)、控制和信號(hào)緩沖功能。
4 系統(tǒng)軟件介紹
    根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)可將RTU分為通信主控和信號(hào)測(cè)控兩個(gè)獨(dú)立的模塊，對(duì)兩者進(jìn)行單獨(dú)的考慮和設(shè)計(jì)。在這里，采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)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(jī)接口程序設(shè)計(jì)，信號(hào)測(cè)控模塊軟件部分則包括現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和處理、各種電力參數(shù)的計(jì)算和分析以及與上位模塊的通信程序等。在實(shí)際應(yīng)用中，通信主控模塊和信號(hào)測(cè)控模塊多個(gè)任務(wù)之間往往是互相交叉的，因此通過(guò)硬件中斷來(lái)響應(yīng)不同任務(wù)請(qǐng)求，提高處理器的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，為了驗(yàn)證硬件A/D采樣系統(tǒng)的好壞，對(duì)低壓380 V/220 V電網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，采樣128個(gè)點(diǎn)與示波器波形相比如圖4所示?？梢钥闯?，對(duì)模擬量的采樣是精確可行的。
    在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了諧波分析。本次試驗(yàn)采用電網(wǎng)電壓經(jīng)分壓變換后電壓有效值在1.7 V左右(普通萬(wàn)用表測(cè))進(jìn)行試驗(yàn)。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)符號(hào)擴(kuò)展后直接進(jìn)行FFT變換，對(duì)應(yīng)得到15次諧波峰值如表1所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出偶次諧波很小,幾乎為零；而奇次諧波逐漸遞減。

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