基于CAN总线的智能变电站变送器

吴战伟，翟亚芳，程　浩

(1．许继电气股份有限公司，河南许昌　461000；2．安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南安阳　455000)

0　引言

智能电网是电力系统的发展方向，而智能变电站是构建智能电网的基础，建设安全可靠的智能变电站对智能电网的发展至关重要。智能变电站的建设要求采用先进的智能设备，实现全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化的基本要求[1]。智能变电站变送器的主要功能就是同步接收多路互感器的输出信号和采集开关量输入/输出信号，并对变电站运行过程中出现的过流、过压、过负荷等情况进行正确的处理，将变电站的运行参数按照规定的数据格式传送给监控主机，实现对变电站的智能控制。

1　变送器的基本结构

变送器主要用于电网中箱式变电站或分布式变电站控制系统中，通过同步接收变电站二次侧电压互感器(TV)及电流互感器(TA)的输出值、采集变电站开关量信号的状态，计算各相电压/电流有效值、功率、功率因数等参数，并对变电站运行情况进行判断，通过CAN总线或其他通信网络将变电站运行参数传送给监控主机。变送器主要由交流数据采集模块、开关量输入/输出模块、微控制器模块、网络通信模块和GPS对时模块组成[2]，其结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

交流数据采集模块由电压互感器、电流互感器、A/D转换电路构成，其主要作用是同步采集变电站二次侧电压互感器和电流互感器的输出值，并将其转换为数字信号。开关量输入模块用于采集负荷开关位置、低压断路器位置、熔断器熔断状态等普通开关量信号；开关量输出模块主要用于跳闸信号和报警信号的输出，也可以实现对有电操作功能的开关执行远程控制。微控制器模块主要由ARM处理器、数据存储器、晶振电路和复位电路、按键电路和液晶显示电路等构成，主要起数据处理、逻辑控制、状态和数据显示等作用。网络通信模块包括CAN总线通信接口、RS485通信接口和以太网通信接口，主要用于将变送器采集到的数据信息和变电站的运行状态参数按照规定的格式发送给监控主机。GPS对时模块的作用是为变送器提供精确的时钟同步信号，保证电压、电流采样数据的一致性。

2　主要硬件电路设计

2．1微控制器选型

近年来，嵌入式应用领域以ARM处理器的发展最突出，ARM系列微处理器以其高性能、低功耗、高性价比等优点在嵌入式应用领域得到了广泛的应用。文中选用Cortex-M3系列的32位处理器MB9BF518作为控制核心。MB9BF518具有如下特点：时钟频率最高可达144 MHz；片内集成有1 024 KB的FLASH ROM和128 KB的SRAM；含有8个多功能串行口，每个通道支持UATR、I2C、SPI和LIN功能配置；含有16个基本定时器和3个多功能定时器，并且内部集成有CAN控制器，支持CAN协议ver2．0A/B．MB9BF518具有足够多的I/O接口和快速数据处理能力，能够满足系统对多参数实时测量和监控的要求。

2．2交流数据采集模块

交流数据采集模块采集的数据一般包括三相测量电流、三相保护电流、三相电压、中性点电流、中性点电压和母线电压等12个数据量[3]。设计时，对测量电流使用5 A/3．53 V的线性电流互感器进行采样；对保护电流使用100 A/7．07 V的电流互感器进行采样；对三相电压、中性点电压和母线电压使用100 V/7．07 V电压互感器进行采样；中性点电流使用20 A/7．07 V的电流互感器进行采样。

A/D转换电路利用AD7606实现。AD7606是一款集成式16位、8通道同步数据采集系统，片内集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位ADC内核、数字滤波器、2．5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。AD7606的每个通道均能以高达200 kSPS 的速率进行采样，同时输入端箝位保护电路可以承受最高达±16．5 V 的电压[4]。由于AD7606 内部已经包含了低噪声、高输入阻抗的信号调理电路，其等效输入阻抗完全独立于采样率且固定为1 MΩ，同时输入端集成了具有40 dB抗混叠抑制特性的滤波器，使得二次互感器的输出信号可以不经过运放缓冲就能够直接接入AD7606，其接口电路如图2所示。

图2　AD7606接口电路

2．3开关量输入/输出模块

开关量输入模块电路采用强电开入，输入信号经整流、滤波、光电耦合器后变成数字信号输出，主要用于采集负荷开关位置信号、低压断路器位置信号、熔断器熔断信号等开关量信号，还可以采集变压器的重瓦斯跳闸、轻瓦斯告警、超高温跳闸、高温告警等非电量信号。

开关量输出模块主要用于跳闸、告警等保护动作与外电路连接，也可以实现对有电操作功能的开关实现远程控制。开关量输出接口电路采用启动继电器闭锁形式，只有启动继电器动作后，输出继电器才能够动作，从而实现开关量输出控制的部分解耦，避免由于器件损坏而引起保护误动作。

2．4网络通信模块

网络通信模块由CAN总线通信接口、RS485通信接口和以太网通信接口构成，其中CAN总线主要用于向监控主机或其他智能设备实时传送变送器输出的数字信号，以实现信息共享[5]。RS485接口主要用于变送器的调试与维护，也可以用于与其他智能设备进行数据通信。以太网作为备用通信网络，在不用CAN总线通信的情况下，可以使用以太网作为主要通信网络。

由于MB9BF518内部集成有CAN控制器，只要配以CAN总线收发器就可以构成CAN总线通信网络，设计时利用CTM1050T实现，其接口电路如图3所示。CTM1050T是高速CAN隔离收发器，其内部集成了所有必需的CAN隔离及收发器件，能够将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC2500V隔离功能和ESD保护作用。图3中的CTXD和CRXD分别接CAN控制器的发送端和接收端；CAN_L和CAN_H分别接CAN总线的信号连接端。

图3　CAN总线接口电路

此外，RS485通信接口利用ISO3082实现，以太网通信接口电路利用RTL8019AS实现。

3　交流数据采样算法

为了满足变送器对测量精度和测量速度的要求，对交流数据采样采用能消除衰减直流分量的傅氏算法。设被采样的交流数据的形式如下：

(1)

式中：A0为衰减直流分量的初始值；τ为衰减直流分量的衰减时间常数；Am(n)为n次谐波的幅值；φn为n次谐波的初相角。

利用全波傅氏算法求n次谐波的实部和虚部，分别为：

=σa+Am(n)cosφn

(2)

=σb+Am(n)sinφn

(3)

设计时采用数据窗移位、增加采样点数的方法来消除衰减直流分量引起的误差，即首先对t∈[0,T]上的[1，N]个采样点进行全波傅氏变换，然后对t∈[ΔT,T+ΔT]上的[2，N+1]个采样点进行全波傅氏变换，最后对t∈[2ΔT,T+Δ2T]上的[3，N+2]个采样点进行全波傅氏变换。对得到的3组全波傅氏变换结果，通过线性方程组联立消元，解出σa和σb，并代入到式(2)和式(3)中，就可以得到消除衰减直流分量后的各次谐波分量的实部和虚部[6]。

4　测量数据测试

按照GB/T7261-2008继电保护和安全自动装置基本试验方法对测控保护装置进行了检验测试，交流电流的测试范围为0～5 A，交流电压的测试范围为0～100 V，频率测试范围45～55 Hz，电流、电压、频率的部分测试结果如表1、表2、表3所示。从表1、表2、表3中可见，电流和电压测量结果的相对误差在±0．2％以内，频率测量的绝对误差不超过±0．02 Hz．

表1　交流电流的部分测试结果

表2　交流电压的部分测试结果

表3　频率的部分测试结果

5　结论

文中介绍了一种基于CAN总线的智能变电站变送器，该变送器可以对10 kV及其以下分布式变电站运行过程中的电压、电流和频率等电力参数进行检测和显示，对出现的过流、过压、过负荷等情况做出正确处理，并具有对变压器进行非电量保护的功能。变送器可以单独使用，也可以通过CAN总线与上位监控主机构成分布式监控系统，实现对变电站的分散控制和集中监管。

参考文献：

[1]王璐，王步华，宋丽君，等．基于IEC61850的数字化变电站的研究与应用．电力系统保护与控制，2008，36(24)：90-92．

[2]刘益青，高伟聪，魏鹏，等．基于MCU+DSP多处理器构架的微机保护硬件平台设计．电力系统保护与控制，2010，38(10)：89-91．

[3]李明勇，郑恩让，马令坤．基于FPGA的电力系统谐波分析仪．仪表技术与传感器，2013(2)：31-33．

[4]于克泳，孙建军．新一代16位8通道同步采样ADC-AD7606在智能电网中的应用．电子产品世界，2010(10)：63-65．

[5]翟亚芳，张天鹏，夏路甲，等．基于CAN总线的智能低压断路器控制器设计．郑州大学学报(理学版)，2013，45(1)：105-109．

[6]张秋丽，黄纯，贺建辉，等．一种消除衰减直流分量的改进DFT递推算法．电力系统保护与控制，2010，38(24)：1-5．