1 引言
根據資料統計，輸電線路、高壓配電網、低壓用戶三個部分的線損中，低壓用戶線損最大，因此，降損節能應主要圍繞低壓380V用戶進行。長期以來，我國低壓配電網網架薄弱，自然功率因數低，而且結構復雜，降低了電網的經濟效益。目前，電力部門一般采用就地無功補償的方法解決這一問題。目前市場上所投入使用的低壓無功補償裝置有很多種，但大部分補償單元基本上都是由主控制器的CPU直接驅動的，系統有多少組電容器，就會從CPU引出相應路數的線，從無功補償器引出的線路很多，同時傳輸距離也很有限。這給安裝、檢修、維護和擴展帶來了極大的不方便。
CAN(Controller Area Network)總線屬于現場總線的范疇，它是德國Bosch公司從20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議。CAN總線標準支持全雙工通信，傳輸介質采用雙絞線和光纖，傳輸速率可達1Mbps，節點數可達110個。其最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。其容錯能力和抗干擾能力強，傳輸安全性高、通訊速率快、傳輸距離可達10KM、同時還具有良好的抗電磁干擾能力，因而在實際應用中具有極高的應用價值。我們將CAN總線技術應用低壓無功補償裝置上，可以取得較好的無功補償效果。
2 系統硬件設計
2.1 系統硬件總體結構設計
系統硬件總體結構設計原理框圖如圖1所示。控制系統由數據采集單元、中心微處理控制器、CAN總線通信和驅動執行單元、輸入鍵盤、顯示單元等部分組成。
圖1 硬件總體結構框圖
控制器的工作原理是：從控制現場傳感器CT、PT送來的電流、電壓信號，經過二次變換，轉換成0~2V，0~5A信號。這些信號再經過處理，使輸入的電壓、電流信號滿足數據采集測量芯片SA9904B的輸入要求。SA9904B把測得的三相電力參數相關值如電壓、有功能量、無功能量、頻率等存在其內部暫存器里。微處理控制器采用的是AT89C52型單片機，通過SPI接口訪問SA9904B內部的24位暫存器，把暫存器的數據根據相應的公式計算就可以得到各相有功功率和無功功率，以及各分相有效電壓和頻率。根據預設的控制策略就可以決定要動作的開關模塊，然后主控制器把要動作的智能投切模塊以及要進行的投切動作以幀的形式送到CAN總線上，相應的智能開關模塊控制電容器的投切。
2.2 CAN總線節點的硬件設計
節點是組成CAN總線網絡的基本單位，在本系統中，主控制器和智能投切模塊都可以看作是CAN總線的一個節點，每一個總線節點都由微處理器、CAN控制器、CAN驅動器組成，各節點之間通過總線連接起來。接線示意圖如圖2：
圖2 CAN節點硬件結構圖
CAN通信接口采用PHILIPS公司生產的SJA1000通信控制器和82C250總線驅動器。82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，速率高，并且有過熱保護，它可以提供對總線的差動發送和接受功能。
2.3通信電路設計
CAN智能節點結構由3部分組成:微控制器、CAN控制器、CAN收發器。CAN收發器負責建立CAN控制器和物理總線之間的連接,控制邏輯電平信號從CAN控制器到達物理總線的物理層,反之亦然。CAN控制器和收發器分別采用的是PHILIPS公司的SJA1000和PCA82C250。微控制器負責從CAN控制器接受數據,然后進行數據處理,將處理結果通過CAN控制器和CAN收發器發送給網絡中其他的節點。為了增強CAN總線節點的抗干擾能力,SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連,而是通過高速光耦6N137后與82C250相連,從而實現了總線上各個CAN節點間的電氣隔離。
2.4 安全保護電路設計
單片機微處理器CPU在運行過程中，很可能因受到外界干擾而出現程序“跑飛”或死機。當CPU在掃描工作時間超過正常周期時，需要監視控制定時器發出強行復位信號，將CPU重新拉回初始狀態，使系統恢復正常。本設計中采用美國XICOR公司的新型產品X5045可編程看門狗，當系統出現故障時，只要其計時的掃描周期達到編程設定的超時極限，或者當電源電壓降到最低轉換點以下時，芯片RESET引腳就會立即輸出高電平復位信號，從而避免了因系統故障、電源通斷、瞬時電壓不穩等因素系統安全性能的影響。
2.5 人機接口設計
本裝置通過4個按鍵組合可用來設定控制參數，如電壓上下限，功率因數上下限，電流互感器變比等，還可用來選擇手動運行方式還是自動運行方式。液晶顯示器選用RT12864，可顯示4排漢字，小巧精致、美觀。液晶顯示模塊在工作時顯示三相實時功率因數，通過按鍵翻閱還可以顯示三相實時電壓，有功功率，無功功率等參數。
3 軟件設計
采用模塊化的軟件設計,將軟件分成若干相對的獨立的功能模塊,并為各模塊安排適當的入口和出口參數,使得模塊之間的相互連接,組合靈活方便。智能傳感器的的軟件由數據采集模塊、輸出控制模塊、CAN總線通信模塊等組成,各模塊在監控系統的程序調度下協調工作。CAN總線通信模塊由3部分組成:初始化程序、發送數據程序和接受終端程序3部分組成。由于系統中任意時刻均可主動與其他節點通信,所以,各節點的通信程序相同。基于AT89C52和SJA1000的CAN接口模塊通過CAN總線建立通信。SJA1000的應用程序可以被分為初始化程序、報文發送程序和報文接收程序。
3.1 CAN控制器SJA1000初始化設計
節點的初始化主要是指系統上電后對微處理器AT89C52和CAN控制器SJA1000進行的初始化,以確定工作主頻、波特率和輸出特性等。對AT89C52的初始化可結合其監控任務進行,主要是對中斷允許與屏蔽、中斷優先級、定時器的使用與設置等,由于SJA1000內部無微處理器,故其初始化仍要通過AT89C52對其進行編程實現。初始化程序流程如圖3所示。
圖3 初始化程序流程圖
SJA1000的初始化應在復位模式下進行,所以在SJA1000初始化程序中首先要將工作方式置為復位模式,之后要設置驗收濾波方式、驗收屏蔽寄存器(AMR)和驗收代碼寄存器(ACR)、波特率參數和中斷允許寄存器(IER)等。CAN協議物理層中的同步跳轉寬度和通信波特率的大小由定時寄存器BTR0、BTR1的內容決定。需要指出的是:對于一個系統中的所有節點,這兩個寄存器的內容必須相同,否則將無法進行通信。初始化設置完成后,將復位請求位置“0”,SJA1000就可以進入工作狀態,執行正常的通信任務。
3.2 CAN總線發送和接受數據程序設計
對SJA1000進行初始化建立CAN總線通信后，模塊就可以通過CAN總線發送和接收CAN數據包。消息的發送由CAN控制器SJA1000根據CAN規則自動完成，主控制器必須把要發送的信息送到SJA1000的發送緩沖器中，并設置“發送請求標識位”于命令寄存器中。模塊向總線上發送數據包是主動的，如果一次發送不成功，可以再次發送。
CAN控制器SJA1000根據規則自動接收消息，接收到的消息放入接收緩沖器，此時接收緩沖器狀態標識RBS置為1，此時表示接收緩沖器中有接收到的消息。主控制器必須將消息保存到程序設置的消息緩沖器中，同時釋放接收緩沖器并對消息內容做出反應。接收過程可以通過SJA1000的中斷請求或查詢SJA1000的標志位來進行。
4 結束語
本文介紹的通信設計方法應用于電網在線無功補償控制系統中，其采用的短幀結構，數據傳輸速度快,受干擾概率低；不同的檢測設備節點同時傳輸數據時，優先級高的節點先傳輸；采用多主式的數據傳輸方式，網絡上任何一個節點出錯都不會影響其它節點的正常運行的特性，從總體設計上可以看出，基于CAN總線無功補償裝置突出的優點是使整個系統減少了引出線，使設備簡潔，易于擴展，同時也便于安裝、檢修和維護。
本文德主要創新點：將CAN現場總線技術用于低壓電網無功動態補償，使用標準協議的通訊方式擴展了系統的通訊結構。采用先進的總線技術使系統結構簡潔，效率高，網絡上任何一個節點出錯都不會影響，大大提高了系統的可靠性和適應能力。