基于ARM9的電力負(fù)控終端系統(tǒng)的設(shè)計

馬曉莉，南 權(quán)

(1.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與電氣技術(shù)系，寧夏銀川 750002;2.寧夏隆基寧光儀表有限公司新品部，寧夏銀川 750011)

隨著客戶對電能質(zhì)量要求的逐步提高，傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)難以滿足發(fā)展要求。為此，提出發(fā)展“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費”智能電網(wǎng)的設(shè)想，以實現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級。電力用戶用電信息采集系統(tǒng)——智能電網(wǎng)管理終端，是一種集計算機、通信、用電及計量技術(shù)于一體的智能抄表設(shè)備，它具有抄收速度快、計算精度高、抄表實時性好、集成度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡潔、安裝使用方便等突出的優(yōu)點，可直接與營業(yè)計算機聯(lián)網(wǎng)，對電力用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集計算及控制管理。電能計量自動抄表系統(tǒng)實現(xiàn)了從電能數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)教幚淼淖詣踊捎米詣映砜梢跃徑獬砣藛T的勞動強度，降低人為因素造成的抄表誤差，并能迅速統(tǒng)計低壓時線損，降低用電成本，同時對加強用電管理，防止國家電力資源流失，對推進(jìn)電能管理現(xiàn)代化具有積極意義[1-2]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

基于GPRS的負(fù)荷控制管理系統(tǒng)，以公共GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)為載體，輔以現(xiàn)場RS485總線等通訊方式，將變電站、大用戶、公用配變、居民戶等為主要控制管理對象，實現(xiàn)從變電站到供電線路再到電力用戶的綜合供用電監(jiān)測、控制和管理。其工作流程如圖1所示。

圖1 電力負(fù)荷控制管理系統(tǒng)框圖

1.1 電力負(fù)荷管理終端系統(tǒng)組成

終端主要由5部分組成:電源單元、處理單元、通信單元和GPRS單元，其系統(tǒng)組成原理框圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

采用美國 Atmel公司生產(chǎn)的 AT91SAM9260CU ARM9 CPU芯片為核心硬件架構(gòu)搭建系統(tǒng)硬件電路。

圖2 項目設(shè)計的原理圖

傳統(tǒng)的低端嵌入式單片機或多片單片機聯(lián)合控制(MCU)作為核心控制器件，實現(xiàn)對智能化、多任務(wù)的管理終端控制已不能滿足需要。特別在實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、電表數(shù)據(jù)抄錄、GPRS通信控制、485通信控制、負(fù)載控制、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲等多任務(wù)并行方面，傳統(tǒng)的單片機已不適用。原因是:(1)采用低端嵌入式單片機ARM7為采集終端的核心控制器件，可以實現(xiàn)程序的實時性，但其資源相對有限，在數(shù)據(jù)存儲和管理、實現(xiàn)USB控制和以太網(wǎng)控制等方面不理想。(2)采用多片單片機聯(lián)合形式實現(xiàn)如上要求的控制，其性能比采用低端嵌入式計算機ARM7還差，僅將多個任務(wù)分解，每單個任務(wù)由相應(yīng)的一塊單片機完成，這給每塊單片機間的協(xié)調(diào)性帶來壓力，處理不好時程序運行很不穩(wěn)定，難以實現(xiàn)程序的實時性。

ARM9系列微處理器在高性能和低功耗方面提供最佳性能。具有以下特點:(1)5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。(2)提供1.1 MIPS/MHz的哈弗結(jié)構(gòu)。(3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。(4)支持32位的高速AMBA總線接口。(5)全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。(6)MPU支持實時操作系統(tǒng)。(7)支持?jǐn)?shù)據(jù)Csche，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

采用美國Enfora公司的ENFORA0306-GPRS模塊作為數(shù)據(jù)上傳核心部件，完成主站軟件的各項操作。與傳統(tǒng)通信方式相比，基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸有如下優(yōu)點:(1)成本低廉。(2)建設(shè)工程周期短。(3)適應(yīng)性強。(4)擴展性好。(5)設(shè)備維護方便。采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶以及同樣的TDMA(時分多址)幀結(jié)構(gòu)。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)(BSS)可以提供全面的GPRS覆蓋。GPRS引入的分組交換傳輸模式，使原來采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本變化，這在無線資源稀缺的情況下顯得尤為重要。按電路交換模式而言，在整個連接期內(nèi)，用戶無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨占無線信道。而對分組交換模式，用戶只有在發(fā)送或接收期內(nèi)才占用資源，這意味著多個用戶可以高效共享同一無線信道，提高了資源利用率。GPRS用戶計費以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，其連接時間可能長達(dá)數(shù)小時，卻只需支付相對低廉的連接費用，從而提供一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。因此這種數(shù)據(jù)傳輸方式特別適用于簡短的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾大量的數(shù)據(jù)傳輸方式[2]。

采用RS485實現(xiàn)電表的數(shù)據(jù)抄錄、電表的用電信息、實時監(jiān)測電表的瞬時參數(shù)以及校時、結(jié)算日設(shè)置功能等。RS-485支持一點對多點的通信，允許在電路中有多個發(fā)送器，且允許一個發(fā)送器驅(qū)動多個負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器的組合單元便于組網(wǎng);通信距離能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。所以系統(tǒng)選擇半雙工的RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)。終端機與集中器之間通過RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集器通過屏蔽雙絞線采集用戶各種遠(yuǎn)傳能耗基表的信息，并進(jìn)行換算和存儲;采集器對電量的采集可以直接通過電表上的RS-485接口接收用戶的電量信息，也可以通過采集器上的紅外接口，利用專用的紅外抄表器對采集器進(jìn)行各種能耗信息的讀取。

軟件環(huán)境采用2.6.20版本的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，為系統(tǒng)應(yīng)用軟件提供良好的運行空間。Linux 2.6內(nèi)核中，引入很多有利于嵌入式應(yīng)用的功能。這些新功能包括實時性能的增強、方便的移植性、支持高檔電源管理和I/O系統(tǒng)的改進(jìn)等。這些改進(jìn)使2.6的性能在對比2.4內(nèi)核有著相當(dāng)大的優(yōu)勢，尤其是對嵌入式設(shè)備而言，無論從運行效率還是設(shè)備管理都有較大提升，能更好地處理多任務(wù)滿足終端的控制要求[3]。

智能電網(wǎng)管理終端從硬件和軟件兩方面做防干擾可靠性設(shè)計，在保證功能的同時，盡可能地降低終端的故障率。

2 終端具備的基本功能

(1)計量數(shù)據(jù)采集功能。

1)交流采樣功能，測控管理終端具備交流采樣模塊，可以采集并計算三相電壓、電流、功率、需量、有無功電量等。

2)抄表功能，抄讀電能表的正反有功電量、四象限無功電量、電壓、電流、有功功率及無功功率，凍結(jié)電量等。

(2)控制功能。

1)電力負(fù)荷控制功能，強大的負(fù)荷控制功能，可對用戶進(jìn)行功控、電控等多種超預(yù)定負(fù)荷及避峰等拉閘控制，終端提供四輪控制，有四路遙信接口。

2)數(shù)據(jù)抄讀及存儲功能，終端可以抄讀和存儲不同的數(shù)據(jù)。

3)用電異常檢測及報警功能，終端實時對電力測控進(jìn)行監(jiān)測，支持對電表狀態(tài)、終端狀態(tài)、計量回路狀態(tài)以及各種處理分析的異常報警。

4)通信功能，終端與主站的通信支持《電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約-2004》，支持GPRS/CDMA，并且有本地維護接口。

時鐘管理:時鐘誤差≤0.12 s·h-1，時鐘保持＞10年。

5)遠(yuǎn)程升級，終端支持遠(yuǎn)程在線升級功能。

(3)其他功能。

1)軟件遠(yuǎn)程下載，終端軟件可通過遠(yuǎn)程通信信道實現(xiàn)在線軟件下載。

2)斷點續(xù)傳，終端進(jìn)行遠(yuǎn)程軟件下載時，終端軟件具有斷點續(xù)傳能力。

3)終端版本信息，終端能通過本地顯示或遠(yuǎn)程召測查詢終端版本信息。

4)通信流量統(tǒng)計，終端能統(tǒng)計與主站的通信流量。

3 軟件設(shè)計

圖3 抄表系統(tǒng)流程圖

圖4 系統(tǒng)功能模塊框圖

4 結(jié)束語

電力負(fù)荷控制終端是利用當(dāng)代計算機技術(shù)，數(shù)字通訊技術(shù)與計量技術(shù)的完美結(jié)合，集能耗計量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理于一體。數(shù)據(jù)傳輸方面采用GPRS無線數(shù)字通信技術(shù)，遠(yuǎn)程抄表與監(jiān)控系統(tǒng)在抗干擾性和避免死機方面采用看門狗電路技術(shù)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、準(zhǔn)確性和實時性。

該系統(tǒng)的運用是電力辦公自動化的發(fā)展趨勢，借助RS-485串口通信，建立了智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動抄表，可減少抄表和相關(guān)員工數(shù)及開支，降低員工勞動強度，提高工作效率。該系統(tǒng)的計量準(zhǔn)確無誤，實時監(jiān)測可減少由于用戶違章用電等造成的電量損失，故該系統(tǒng)的應(yīng)用將有效地降低供電網(wǎng)絡(luò)運行成本[4]。

[1]宋蓉，周偉.電能計量自動抄表系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].山西科技，2007(4):120-121.

[2]陸永忠.電力技術(shù)控制在新形勢下的應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)，1999(1):26-30.

[3]馮婧，劉志華，李政，等.電力負(fù)荷控制系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)分析[J].電子測量技術(shù)，2009，32(10):60-65.

[4]王若.車載嵌入式Linux操作系統(tǒng)的研究[D].合肥:中國科技大學(xué)，2008.

[5]王黨席，苗新強，劉麗，等.基于GPRS與載波通信的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)研究[J].機械設(shè)計與制造，2009(12):68-72.

[6]黃磊，楊維翰，許昆.基于ARM9電能質(zhì)量監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集[J].電子科技，2009，22(12):27-29.

[7]趙寶瑋，唐小峰.基于ARM9的電力電纜局部放電檢測系統(tǒng)[J].電子科技，2009，22(8):39-41.

[8]柳林，傅豐林.基于EP9315-ARM9硬件開發(fā)平臺的Redboot移值[J].電子科技，2007，20(3):62-65.