摘  要： 介紹了基于DSP和CAN現(xiàn)場總線的分布式新型變電站RTU的設(shè)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(shè)計方法及CPLD技術(shù)在這兩個模塊設(shè)計中的應(yīng)用,。在設(shè)計RTU軟件時,，采用了模塊化的程序設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞： RTU,； 電力自動化,； CAN通信； CPLD

    遠(yuǎn)程測控終端（RTU）作為體現(xiàn)“測控分散,、管理集中”思路的產(chǎn)品從20世紀(jì)80年代起介紹到中國并迅速得到廣泛應(yīng)用,應(yīng)用在變電站上的RTU主要是實現(xiàn)現(xiàn)場電力參數(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)果組裝成報文，上送到控制中心或調(diào)度端,?？v觀國內(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(yīng)用于RTU的設(shè)計方案,；同時引入了開放性結(jié)構(gòu)的CAN現(xiàn)場總線引入，運用于變電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信并由它組成了一個開放,、可靠和實時的監(jiān)控系統(tǒng),。
1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    RTU系統(tǒng)采用以DSP為微處理器、CAN為現(xiàn)場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測控模塊,。CAN總線實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信,。信號測控模塊一方面監(jiān)測遠(yuǎn)方變電站斷路器（開關(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、告警信號等（遙信）,，同時監(jiān)測主變,、線路的有功功率、無功功率,、電壓,、電流、功率因數(shù),、有功電度,、無功電度、主頻等（遙測）并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電參量;另一方面把上位機或調(diào)度中心下達(dá)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(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,，與下位信號測控模塊相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的請求與命令發(fā)布；
　 (2)RS232端口,，實現(xiàn)與PC的通信,，將RTU處理后的數(shù)據(jù)交與PC機作進(jìn)一步處理或由PC機實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與控制；
　 (3)遠(yuǎn)方通信端口,，用來與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行通信；
　 (4)RS485端口,，用來實現(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
    采用內(nèi)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(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部分：CAN總線接口部分,；并串轉(zhuǎn)換部分；鍵盤顯示部分和掉電數(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控制器來實現(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差動驅(qū)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(zhì)采用屏蔽電纜,，為了克服長線效應(yīng),，減小通信介質(zhì)中信號的反射，在傳輸線兩端并聯(lián)2個120 Ω的匹配電阻,。
    該通信主控模塊系統(tǒng)有多個串行口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，通信實時性要求也較高，利用通用的I/O口線來構(gòu)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(xiàn)并-串轉(zhuǎn)換,。由于PC、遠(yuǎn)方通信端口都是RS232端口,，同時為了能夠與傳統(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(gòu)成人機接口界面。顯示器對系統(tǒng)的通信狀態(tài)進(jìn)行顯示,，4個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)掉電時將一些系統(tǒng)參數(shù)保存起來,，當(dāng)系統(tǒng)再次起動時就可以重新調(diào)入這些數(shù)據(jù)。擴展的高速靜態(tài)RAM作為外部數(shù)據(jù)存儲空間和調(diào)試程序存儲空間,。
3 信號測控模塊的電路設(shè)計
    信號測控模塊的主要采集對象有：經(jīng)過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)運行的開關(guān)量；功率表脈沖量,。按照信號的分類,，分別對應(yīng)于模擬量、開關(guān)量和脈沖量,。信號測控模塊的結(jié)構(gòu)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?yōu)?~5 V的同頻率方波信號,，高速光耦6N137將模擬部分和數(shù)字部分電路隔離開，鎖相倍頻電路由鎖相環(huán)電路CD4046和三片可編程計數(shù)器芯片MC14522構(gòu)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(jīng)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(jīng)脈寬整形后得到合適的脈沖信號,，接A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864的/HOLDA、/HOLDB,、/HOLDC,選擇輸入的多路開關(guān)并且啟動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的采樣速率同時進(jìn)行6通道信號采樣，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,測量電力監(jiān)控應(yīng)用的三相,，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成LF2407A所需的數(shù)字信號，存放在片內(nèi)6個FIFO寄存器中,。為了提高系統(tǒng)的效率,，將ADS7864的//BUSY信號接至CPLD，由其判斷ADS7864產(chǎn)生三個/BUSY信號后產(chǎn)生一個中斷,通知LF2407A一次性讀走ADS7864的FIFO中6個轉(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為0~100 V,，電流信號為0~5 A,，因而需要加上信號調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換電路。
    開關(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,，實現(xiàn)電平匹配和隔離抗干擾，隔離后的開關(guān)量和脈沖量信號分別經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖單元即變?yōu)長F2407A外部I/O輸入端信號,，LF2407A通過定時訪問相應(yīng)的I/O端口來實現(xiàn)對開關(guān)量和脈沖量的采集,。當(dāng)信號測控模塊檢測到其中一個開關(guān)量的變位，產(chǎn)生相應(yīng)的一個事件順序記錄信息,。對于分析電網(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，實現(xiàn)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(tǒng)軟件介紹
    根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的特點，在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)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(jìn)行單獨的考慮和設(shè)計,。在這里，采用模塊化程序設(shè)計的方法來設(shè)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(shè)計,，信號測控模塊軟件部分則包括現(xiàn)場信號的采集和處理、各種電力參數(shù)的計算和分析以及與上位模塊的通信程序等,。在實際應(yīng)用中,，通信主控模塊和信號測控模塊多個任務(wù)之間往往是互相交叉的，因此通過硬件中斷來響應(yīng)不同任務(wù)請求,，提高處理器的實時響應(yīng)能力,。
5 實驗結(jié)果與分析
    利用實驗室的現(xiàn)有條件，為了驗證硬件A/D采樣系統(tǒng)的好壞,，對低壓380 V/220 V電網(wǎng)進(jìn)行測量,，采樣128個點與示波器波形相比如圖4所示?？梢钥闯?，對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(普通萬用表測)進(jìn)行試驗。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)符號擴展后直接進(jìn)行FFT變換,，對應(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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