基于雙核嵌入式微處理器的智能配變終端研制

李玉凌，徐斌，孫軍平，許保平

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192;2.陜西省渭南市供電局，陜西省渭南市，714000)

0 引言

配電變壓器監(jiān)測終端(簡稱配變終端)是一種對變壓器進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集與控制的自動化終端設(shè)備，它可以通過通信網(wǎng)絡(luò)與配網(wǎng)自動化系統(tǒng)相連，并上報監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)［1-2］。傳統(tǒng)配變終端的主要功能包括三相電壓及電流測量、數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計(jì)分析、通信、電容器投切控制以及保護(hù)等功能［3-5］。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)及發(fā)展，配電臺區(qū)已向信息化、自動化和互動化發(fā)展，傳統(tǒng)的配變監(jiān)控終端已不能滿足用戶的需求。因此，國家電網(wǎng)公司依據(jù)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)總體部署，為適應(yīng)農(nóng)網(wǎng)智能化發(fā)展需要，滿足客戶對供電能力、供電質(zhì)量和供電服務(wù)的新要求，提出了農(nóng)網(wǎng)智能配變終端(簡稱智能配變終端)的概念。

智能配變終端是對配電變壓器、進(jìn)出線開關(guān)、剩余電流動作保護(hù)器、智能電能表等運(yùn)行信息進(jìn)行采集和用戶用電信息收集的設(shè)備，完成配變計(jì)量總表監(jiān)測、剩余電流動作保護(hù)器監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、負(fù)荷管理、動態(tài)無功補(bǔ)償、三相不平衡治理、諧波治理、安全防護(hù)、互動化管理、資產(chǎn)管理、視頻監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測和分布式電源接入管理等功能［6］，適應(yīng)了農(nóng)網(wǎng)智能化的發(fā)展趨勢，是實(shí)現(xiàn)智能配電臺區(qū)的關(guān)鍵設(shè)備。

本文依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)理念，采用TI公司生產(chǎn)的雙核嵌入式微處理器OMAP-L138為核心芯片，研制了基于分立板卡式結(jié)構(gòu)的智能配變終端。

1 智能配變終端的功能簡介

智能配變終端對傳統(tǒng)的配變監(jiān)測、控制、保護(hù)、通信以及電能質(zhì)量管理等操作進(jìn)行了深化和拓展，同時增加了適應(yīng)配電臺區(qū)智能化發(fā)展的功能。

(1)狀態(tài)監(jiān)測。實(shí)時監(jiān)測配電變壓器油溫和瓦斯?jié)舛龋_區(qū)出線開關(guān)狀態(tài)等，具備異常報警功能。

(2)電能質(zhì)量管理。具備快速無功補(bǔ)償及有源電力濾波功能，并可對臺區(qū)負(fù)荷三相不平衡問題進(jìn)行治理。

(3)安全防護(hù)。具備防盜、防竊電功能，同時通過硬件安全模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

(4)互動化管理。提供無線連接等接入方式，與運(yùn)行維護(hù)人員和用戶完成雙向數(shù)據(jù)交互。通過電價策略引導(dǎo)用戶采取合理的用電結(jié)構(gòu)和方式，提高電力資源利用效率。

(5)分布式電源接入管理。對接入公用電網(wǎng)的用戶側(cè)分布式電源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測與控制。

(6)資產(chǎn)管理。利用射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電臺區(qū)主要設(shè)備的“身份”管理。

(7)視頻監(jiān)視。通過圖像傳感器監(jiān)視配電臺區(qū)安全運(yùn)行情況，隨時發(fā)送警情圖片。

(8)環(huán)境監(jiān)測。通過溫、濕度傳感器實(shí)時對戶外配電箱、配電站和箱變的溫、濕度信息進(jìn)行監(jiān)測。

2 模塊化的功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能配變終端按功能分成的獨(dú)立模塊(板卡)，通過背板(總線插槽)進(jìn)行連接，主要包括主板、電源板、數(shù)據(jù)采集板、通用輸入/輸出板、通信板和電能質(zhì)量管理模塊等，如圖1所示。

圖1 智能配變終端板卡結(jié)構(gòu)Fig.1 Board structure of the terminal

圖1中的各功能板卡均可方便地插拔和更換，且均通過總線接口與中央處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。模塊化和總線技術(shù)使終端具備良好的擴(kuò)展性，便于實(shí)現(xiàn)局部或整體的升級，從而保證終端功能的先進(jìn)性，以適應(yīng)智能電網(wǎng)各種新技術(shù)、應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展。

3 智能配變終端的實(shí)現(xiàn)方案

智能配變終端采用雙核微處理器OMAP-L138作為核心芯片。OMAP-L138是TI公司推出的高性能、低功耗處理器芯片，采用 TMS320C6748浮點(diǎn)DSP內(nèi)核與ARM926EJ內(nèi)核的雙核結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)456 MHz的內(nèi)核頻率，同時含有豐富的外設(shè)資源［7］，適用于數(shù)據(jù)采集與處理、工業(yè)控制、人機(jī)交互等場合。DSP與ARM可以通過片內(nèi)的128 kB共享隨機(jī)存取存儲器(random access memory，RAM)方便地實(shí)現(xiàn)雙方之間的數(shù)據(jù)交互，同時可以利用切換式中心資源(switched central resource，SCR)訪問片內(nèi)外設(shè)，避免共享沖突，如圖2所示。

圖2 ARM與DSP之間的數(shù)據(jù)交互及外設(shè)的訪問Fig.2 Data exchange and peripheral accessing between ARM and DSP

其中，DSP核進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號處理及實(shí)時控制;ARM核則通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲、通信等功能。DSP與ARM分工明確，且雙方之間可以靈活地共享片內(nèi)外設(shè)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提高了系統(tǒng)的工作效率，同時也避免了采用分立芯片所帶來的印制電路板(printed circuit board，PCB)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與不可靠性。

智能配變終端的中央處理模塊由微處理器OMAP-L138、DDR2 SDRAM、NAND Flash、時鐘及復(fù)位電路構(gòu)成。中央處理模塊及其外圍電路、接口實(shí)現(xiàn)了終端的各項(xiàng)功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括交流模擬信號(采集電路如圖3所示。三相電壓、電流信號)、4～20 mA直流電流信號的采集(遙測)。

圖3 交流模擬信號采集電路Fig.3 Circuit of AC analog signal acquisition

圖3中，交流模擬信號的采集利用互感器、信號調(diào)理電路及AD7656實(shí)現(xiàn)。AD7656是美國ADI公司推出的6通道、16-bit高精度逐次逼近型ADC，采樣率可達(dá)250 kSPS。AD7656采用了ADI公司專利的工業(yè)CMOS工藝，能采集真正的雙極性信號，具備高性能、低功耗、小封裝等優(yōu)點(diǎn)［8］，適合電力行業(yè)的數(shù)據(jù)采集。

遙測電路用于采集溫、濕度變送器、瓦斯?jié)舛茸兯推鬏敵龅?～20 mA電流信號，并將其轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓信號，從而進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該部分電路實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測、變壓器油溫及瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的功能。

3.2 通用輸入/輸出模塊

通用輸入/輸出模塊包括遙信和遙控電路。其中遙控電路主要利用光耦和繼電器實(shí)現(xiàn)信號隔離及遠(yuǎn)程控制;遙信電路利用光耦、穩(wěn)壓二極管等器件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)信號的檢測。遙控接口實(shí)現(xiàn)臺區(qū)進(jìn)出線開關(guān)控制、配電柜內(nèi)風(fēng)機(jī)控制、發(fā)聲/光設(shè)備控制等功能;遙信接口可以監(jiān)測臺區(qū)出線開關(guān)狀態(tài)、柜門行程開關(guān)狀態(tài)、紅外探測器輸出的報警信號等。紅外探測器可對變壓器等關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行在線監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到異常信息時便發(fā)出報警信號，終端會及時將信息進(jìn)行上報，通知相關(guān)工作人員，保護(hù)電力設(shè)施不被偷盜。

3.3 電能質(zhì)量管理模塊

電能質(zhì)量管理主要包括基于晶閘管投切電容(thyristor switched capacitor，TSC)的無功補(bǔ)償和有源電力濾波2個部分。

其中TSC控制部分的電路如圖4所示。處理器通過采集的交流模擬信號進(jìn)行功率因數(shù)分析，依據(jù)無功補(bǔ)償算法利用總線接口控制復(fù)合開關(guān)投切電容器，從而實(shí)現(xiàn)對無功功率的補(bǔ)償。

圖4 基于TSC的無功功率補(bǔ)償原理圖Fig.4 Schematic of reactive power compensation based on TSC

有源電力濾波部分主要由光/電、電/光轉(zhuǎn)換電路、絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)驅(qū)動模塊以及IGBT管構(gòu)成，其工作原理如圖5所示。

圖5 有源電力濾波工作原理圖Fig.5 Schematic of active power filter

處理器通過脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號和允許信號控制IGBT驅(qū)動模塊2SD315A，從而驅(qū)動IGBT產(chǎn)生補(bǔ)償電流，達(dá)到有源濾波的效果。CONCEPT公司推出的2SD315A是一種集成度很高的驅(qū)動模塊，內(nèi)部包含2路IGBT驅(qū)動電路，可以用于驅(qū)動1.7 kV的IGBT，它具有安全性、智能性與易用性的特點(diǎn)［9-10］。由于IGBT驅(qū)動模塊與終端距離通常較遠(yuǎn)，因此控制信號必須通過光纖進(jìn)線傳輸。

3.4 通信模塊

通信信息平臺是智能電網(wǎng)的支撐點(diǎn)［10］，為了滿足日益發(fā)展的通信技術(shù)的需求，智能配變終端具備多樣、可靠、標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。

智能配變終端的通信模塊分為遠(yuǎn)程通信模塊和本地通信模塊。其中遠(yuǎn)程通信模塊用于終端與主站之間的數(shù)據(jù)傳輸，支持GPRS無線公網(wǎng)、230 M無線專網(wǎng)及光纖以太網(wǎng)等通信方式;本地通信模塊支持低壓電力線載波、微功率無線、RS485、以太網(wǎng)等通信方式。通信方式的多樣化可以滿足不同地區(qū)和環(huán)境的需求。

3.5 人機(jī)交互及互動化

人機(jī)交互部分包括帶觸摸屏的薄膜場效應(yīng)晶體管(thin film transistor，TFT)彩色 LCD 屏、按鍵、指示燈，如圖6所示。OMAP-L138利用芯片內(nèi)部集成的LCD控制接口實(shí)現(xiàn)對液晶屏的圖形操作，通過SPI接口和觸摸屏控制器實(shí)現(xiàn)對觸摸點(diǎn)位置信息的獲取。在Linux環(huán)境下，利用圖形界面開發(fā)套件QT實(shí)現(xiàn)了基于LCD屏美觀而友好的人機(jī)界面，使得人機(jī)交互更簡潔、方便。

圖6 人機(jī)交互模塊Fig.6 Human-machine interaction module

在互動化管理方面，智能配變終端提供無線Web Service服務(wù)，配電臺區(qū)運(yùn)行維護(hù)人員可以利用無線手持儀實(shí)時查詢設(shè)備工作情況和現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，并可配置終端的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。圖7中，終端利用內(nèi)置的WIFI模塊及嵌入式數(shù)據(jù)庫，提供加密的無線Web Service服務(wù)(加密用于增強(qiáng)信息安全，防止非法訪問)，維護(hù)人員可使用無線手持設(shè)備以瀏覽網(wǎng)頁的方式與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，避免登桿等繁瑣操作。

圖7 智能配變終端與無線手持儀的交互Fig.7 Interaction between the terminal and wireless handhelds

終端可以通過外置式LED顯示屏向用戶實(shí)時發(fā)布綜合電價管理、用電量、催費(fèi)停送電、用電檢查、故障搶修等信息，同時通過電價策略引導(dǎo)用戶采取合理的用電結(jié)構(gòu)和用電方式，全面提高配電臺區(qū)信息化及互動化管理水平。當(dāng)配電箱距離居民區(qū)較近時，LED屏可嵌在配電箱上，通過RS485總線與終端通信;如果配電箱位置偏僻，LED屏可安裝在居民區(qū)公共場所，利用無線通信的方式與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)論

(1)利用高性能雙核嵌入式微處理器OMAPL138設(shè)計(jì)了智能配變終端的實(shí)現(xiàn)方案，滿足了智能配電臺區(qū)的功能需求。DSP與ARM獨(dú)立運(yùn)行，且具有良好的數(shù)據(jù)交互及外設(shè)訪問機(jī)制，提高了系統(tǒng)的整體性能。

(2)終端的設(shè)計(jì)采用了模塊化和總線技術(shù)，具備功能的擴(kuò)展性，可方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級，縮短開發(fā)周期。

(3)為了使終端具備良好開放性及柔性特征，后續(xù)工作中應(yīng)考慮采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的總線接口進(jìn)行設(shè)計(jì);同時充分考慮現(xiàn)場應(yīng)用時的電磁兼容性問題，提高系統(tǒng)的可靠性。

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