一種新型配變監測終端的設計和開發

宋慶武，陳國琳

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶的電力設備，其運行數據是整個配電網基礎數據的重要組成部分。而配變監測終端作為配電變壓器運行數據的采集和變壓器狀態的監控最直接而有效的載體，能夠全面提高配電系統的服務質量、運行安全以及供電企業的管理水平，從而產生良好的經濟效益和社會效益。配變監測終端可以全面監測配變的運行狀態，具有數據存儲及處理能力，對電網的停電、缺相等各種異常事件進行記錄并及時上傳。并可根據系統無功缺額等的變化，控制電容器組的投切，提高電能質量。因此本文提出基于ARMLINUX的新型配變監測終端的開發設計。

1 系統概述

1.1 硬件系統概述

硬件系統結構如圖1所示。

圖1 硬件系統結構

（1）本地接口：終端提供一路紅外接口，一路RS232接口(RS485接口)，一路RS485接口，小無線通信接口（可選）。計量部分紅外接口可選擇遠紅外或吸附式紅外；主控部分一路RS232接口可選RS485接口。

（2）遠程接口：GPRS/CDMA通信接口，用來與主站系統進行通信。

（3）計量CPU：它負責交流采樣中的計量與測量功能，主要向用戶（紅外抄表）。

（4）主控CPU：數據的采集、處理、存儲，包括交流采樣中的負荷曲線功能、遙控跳合閘功能、中繼轉發功能、事件記錄、電能質量合格率統計、狀態量采集、遙信量采集、脈沖采樣、抄表等。

（5）按鍵及液晶顯示：用于本地配置終端，顯示終端系統狀態和數據。

1.2 軟件系統

軟件系統基于分層結構設計，主要包括外部計量單元、平臺層、應用層。如圖2所示。

圖2 軟件系統結構

1.2.1 平臺層

（1）接口驅動：屏蔽操作系統/硬件接口差異，提供穩定的驅動，給采集、控制提供統一的讀寫接口函數。

（2）前端處理：根據配變參數配置，盡可能多的配變信息，為存儲管理提供完整和準確的數據，同時能夠按要求產生輸出控制的功能。

（3）任務調度：根據應用層的配置參數，得到采集處理必要的采集條件，可按固定可選周期時間，協調和控制采集處理的時間準確性，下達控制命令給前端處理。

（4）存儲管理：它是數據庫訪問的接口，所有其他任務想要訪問數據庫都要通過存儲管理所提供的接口來讀取、存儲、修改數據庫。

1.2.2 應用層

（1）參數整定與參數配置：通過主站，本地配置接口，完成各種功能所需要的運行參數，形成配置參數區，并能夠讀取配變參數，根據讀到的配變信息，結合主站下發的命令，形成統計計算的先決條件。

（2）統計計算：根據配變參數區和配變管理得到的先決條件，主站需要的數據的計算方法，通過存儲管理接口取得即時數據庫的內容，經過加工處理后再返回給數據庫，得到主站應用需要的數據。

（3）主站服務：接收主站命令，給主站提供服務，完成對主站的規約處理，提供與主站的多種通信方式，并可以與多個主站同時通信。

2 系統軟件設計實現

2.1 配變監測終端的數據流圖

配變監測終端的數據流如圖3所示。

圖3 配變監測終端數據流

根據數據流圖可以把數據結構簡單分為實時數據、歷史數據、參數數據，其中實時數據的生命周期在整個系統運行中是非常短暫的，在系統中只起到緩存的作用，存放在系統的內存當中。而歷史數據和參數數據放入數據庫中。

（1）實時數據：它包括實時數據、采集數據等原始數據。

（2）歷史數據庫：它包括計算數據，曲線數據，記錄數據，定點數據等。

（3）參數數據庫：它包括測量點參數，表記參數，數據配置參數等數據規模較大的參數數據。

（4）參數文件：它是用來記錄終端本身的物理參數、系統運行參數等規模較少的參數數據。

2.2 軟件邏輯設計

軟件邏輯設計主要包括數據的存儲和訪問、存儲空間的分配以及數據的標識與數據項。

（1）數據的存儲和訪問。這是此系統設計的最重要環節，它包括終端中各個模塊要使用的參數，數據的空間分配管理、數據存儲、訪問等。存儲功能提供參數和數據的讀寫，私有數據區的申請和讀寫。訪問以接口函數形式提供，分為參數讀寫接口、私有數據區注冊和讀寫接口、業務數據讀寫接口、歷史數據讀寫接口、邏輯計量點映射配置接口。所有對數據的訪問和存儲均通過存儲子系統實現。

（2）存儲空間分配。根據外部存儲介質的特點，采用不同的文件系統，不同的數據特點，將數據字典的參數和數據采用自定義二進制方式，合理安排目錄結構和文件存放方法，能快速訪問并高效利用存儲空間。

（3）數據標識與數據項。該定義主要針對的是《DL/T645—1997多功能電能表通信規約》、《江蘇電網配變監測計量終端數據傳輸規約》、《Q/GDW 130—2005電力負荷管理系統數據傳輸規約》這些規約來定義。為了能屏蔽各規約之間的差異，形成統一的數據采集、抄讀、存儲模型，各模塊采用統一的數據標識來操作數據庫。規約解釋模塊將各規約不同的數據標識映射成內部統一的數據標識，數據標識采用BCD碼。

2.3 軟件功能簡介

（1）采集數據終端的數據采集源主要有電能表脈沖輸出、RS485輸出（計量表計、交流采樣裝置或其他智能裝置）、開關輔助觸點、門接點。它包括3種采集量，即4路開關量輸入，RS485接口的智能裝置輸入（1塊），1組交流采樣（三相電壓、三相電流）。脈沖采集計算周期為1 min，終端讀取交流采樣裝置，周期默認為15 min（周期可按要求在1～60 min設定），跳閘開關輔助觸點采樣周期為1s，終端對計量表計數據采樣周期為15 min。脈沖功率計算方式采用近似1 min計算平均功率，同時刷新顯示。

(2)參數整定和查詢。終端能夠接收并保存主站設置的參數命令，如終端運行和測量點參數，能夠通過終端提供的按鍵和顯示屏查詢終端的參數和部分重要的參數（如通信參數），這些都需要通過本地按鍵設置。

（3）終端的遙控。終端按照主控站下發的控制命令對終端進行控制，主臺下發的遙控命令包括控制輪次、告警時間、控制（限電）時間。

（4）數據本地存儲。針對采集的原始數據至少能夠存儲3個月以上，且存儲的保存周期可以設定和修改；針對計算的數據（分為日數據和月數據）可以保存一年以上。

（5）數據轉發。終端具有將主站命令轉發給下屬智能裝置（如電表、交流采集裝置）并將智能裝置的返回數據信息傳送給主站的功能。進行信息轉發時，需要對下屬智能裝置的通信報文進行必要的約定。終端信息轉發功能主要有終端能將主站下發的各種轉發數據傳送給下屬智能裝置，并將下屬智能裝置回發的數據直接傳回主站，如果電表、交流采集等下屬智能裝置轉發數據不成功，終端就回否認幀。

（6）本地維護。終端具有本地維護接口，其通信規約與遠程通信接口的通信規約相同，本地維護功能主要提供給用戶，滿足需求側管理要求，安裝維護人員也可通過本地維護接口實現終端與現場調試設備的通信，進行終端參數和運行數據的現場查詢，這些數據包括終端或測量點參數、實時數據、歷史日數據、歷史月數據等。

（7）事件記錄。終端根據主站設置的事件屬性按重要事件和一般事件分類記錄。重要事件與一般事件又按發生的時間順序分2個隊列記錄，每個隊列記錄長度為100條，隊列按先進先出方式刷新，每條記錄的內容包括事件類型、發生時間及相關情況。

（8）終端自身的告警和狀態指示。在液晶顯示屏上顯示告警狀態，可以通過設定的菜單項進行查詢，能夠在液晶屏顯示終端自身運行狀況和重要數據進行查詢。

（9）升級。終端應具有軟件升級功能，既可以本地升級，又支持遠程升級。

3 終端設計特點

（1）可靠性是本終端設計考慮的首要問題，相對于其他廠家類似的終端在這個方面有很大提高，而ARM-Linux操作系統[1]、工業級的芯片選型是本終端穩定性設計的基礎，同時在應用軟件的設計采用C語言開發[2]，以及各個模塊的合理性設計，經過較長時間的測試，系統運行穩定。

（2）可擴展性是本終端設計的先進之處，在需求分析之初，就對軟件設計進行了功能模塊劃分，尤其在規約接口方面，核心采用規約插件管理器。當需要擴展規約時只需要按照一定的格式要求開發不同的規約插件，而接口驅動部分的擴展完全可以依賴ARM-LINUX系統的擴展功能。

（3）本終端設計的另外一個重要特色是有較高的運行效率。ARM9的核心CPU，256 M的RAM、512 M的FLASH是保證終端裝置運行快速的基礎。應用程序設計是采用了多進程設計，各進程模塊并發運行，所有這些設計都極大的提高了系統運行效率。

（4）本終端設計的特點是系統的可維護性（支持遠程升級）及應用程序開發的可移植性[3]。軟件程序在開發時可以在pc機上編寫調試程序，通過仿真下載到終端上運行可以看到真實結果；應用軟件的遠程升級可以減少工程人員的維護工作量，大大方便了用戶。

4 結束語

基于以上設計的配變終端已經處于生產階段，先期已經投入到江蘇蘇南一帶的配變監測系統中。一方面表現出該系統的強穩定性，AT91RM9200芯片完全可以保證Linux操作系統[4]的高速性和系統需求的實時性；另一方面表現出該系統的高擴展性，根據Linux內核本身的可擴展性，任何新的外設的加入只要完成驅動部分的編寫即可。

[1] 李善平.嵌入式Linux設計與應用[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2] SIOSS A N著，沈建華譯.ARM嵌入式系統開發：軟件設計與優化[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3] 龍晉元.UNIX環境高級編程[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4] 陳莉君.深入理解Linux內核(第三版)[M].北京：中國電力出版社，2007.