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。

遠程測控終端（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)的遠程采集與控制命令的遠程發(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。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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 機作進一步處理或由PC 機實現(xiàn)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(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。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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(tài)及保護運行的開關(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。

圖3 信號測控模塊的結(jié)構(gòu)原理圖

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。

圖4 采樣128個點與示波器波形比較

表1 采樣運算得15 次諧波峰值

在此基礎(chǔ)之上， 進行了諧波分析。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） 進行試驗。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)符號擴展后直接進行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。