專變采集終端的系統硬件實現方案

廣東省核工業華南高級技工學校 王章寬

專變采集終端的系統硬件實現方案

廣東省核工業華南高級技工學校 王章寬

文章根據專變采集終端的功能和抗干擾等相關技術指標要求，提出了一種專變采集終端的系統硬件實現方案。該實現方案應用了ARM處理器、UCLINUX嵌入式操作系統、智能三相電表芯片、GRPS通信、CPLD、紅外通信等技術，實現了專變用戶用電信息的采集、分析、存儲、傳輸、就地顯示以及對開關量的監控管理等功能。該方案硬件成本低廉，設計可靠，自動化成度高，適應于現場應用。

堅強智能電網；專變采集終端；ARM處理器；GRPS；CPLD

1 引言

能源是經濟發展和社會生活的重要物質基礎，保障能源的長期穩定可靠供應是世界各國共同追求的目標。進入21世紀以來，全球在能源安全、能源效率、能源環境等方面面臨重大挑戰。推動能源發展方式轉變，構建安全、穩定、經濟、清潔的能源供應體系，十分必要和緊迫。電網是集能源輸送、網絡市場、公共服務等功能于一體的基礎設施，在保障能源安全、促進節能減排、推動經濟增長等方面的作用和價值越來越突出。為應對全球能源發展的新挑戰，迫切需要加快建設適應經濟社會發展要求的現代電網。

2009年5月，中國國家電網公司在特高壓輸電國際會議上首次提出了建設“堅強智能電網”的戰略目標和發展思路，并制定了完整的智能電網相關技術標準。堅強智能電網包含發電、輸電、變電、配電、用電、調度等各個環節，覆蓋所有電壓等級。各環節的發展緊密銜接、相互協同，整體功能和優勢充分發揮。

專變采集終端是按照堅強智能電網建設要實現電力用戶用電信息采集系統建設“全覆蓋、全采集、全預付費”的總體目標要求而開發的采集終端裝置，是對專變用戶用電信息進行采集的設備，可以實現電能表數據的采集、電能計量設備工況和供電電能質量監測，以及客戶用電負荷和電能量的監控，并對采集數據進行管理和雙向傳輸等功能。[1]

專變采集終端在系統硬件方案上要實現：1)數據采集（包括狀態量、脈沖量、交流模擬量、電能表數據等）；2)數據顯示、參數的設置和查詢；3)控制；4)事件的記錄和存儲；5)數據傳輸（串口通信、GPRS通信，紅外通信等）；6)時鐘和終端維護；7)抗干擾等技術指標。[2]

2 系統硬件功能框圖

整個系統硬件框圖如圖1所示，系統硬件按各部份所實現的功能可大致分為四部分：1)由NUC710ADN ARM7為內核的CPU部分主要實現數據通信、事件的記錄和存儲、系統的維護和參數設置等功能。該CPU運行uclinux操作系統，可實現串口通信、GPRS通信，紅外通信，網絡通信，USB存儲等功能；2)由M0516 ARM? Cortex?-M0為內核的CPU主要處理數據采集、參數的設置和查詢、控制、原始數據的存儲、時鐘維護、LCD液晶的顯示管理、按鍵的管理、備用電池的充電管理等功能，該CPU作單片機用，與ARM7相互由串口連接交換數據；3)由三相電度表芯片ATT7022D組成的電路，主要實現電能參數的采集、電度脈沖的產生等功能，ATT7022D與M0516用SPI口連接。4)由專變采集終端專用電源模塊組成的電路，提供系統電源和隔離側的電源。備用電池的充電和用電切換。

圖1 系統硬件功能框圖

3 主要元器件的選型

主要元器件的選型遵照器件性能和降低成本兩大原則；主要元器件的性能介紹：NUC710ADN是新唐科技(由華邦電子分割,為華邦電子之關系企業)采用32位的ARM7TDMI微處理器核生產的一款CPU，標準工作頻率可達80MHz，具有省電與低成本的優勢。NUC710集成了一個USB1.1主控制器，4個串口，一個10M/100M以太網口，實時時鐘，最大可支持32MBYTE的FALSH和128MBYTE的SDRAM,并可外擴SRAM設備[3]。在本方案中，以上設備都有用到，并且還通過器件的EBI外部總線接口接SC16C2550B芯片擴充了兩個串口供紅外通信和GRPS模塊通信用。軟件上華邦科技已移植了uclinux操作系統,并有充分的示例程序,可節省項目開發時間。

M0516是新唐科技采用32位的ARM? Cortex?-M0微處理器核生產的一款優質低價的單片機，主頻高至50MHz（45DMIPS），支持32個外設中斷及4個優先級，寬工作電壓范圍（2.5V-5.5V ) ，支持在系統編程功能ICP、在線編程功能ISP，可以很方便的編程調試和在系統升級，Flash程序存儲器64K;SRAM存儲器4K，獨立4K ISP空間，獨立4K Data flash空間可用于存儲配置參數，支持外擴總線EBI功能，高速GPIO可設置成上拉、推挽、輸入、開漏四種模式，每個IO都有寫保護，防抖動，端口中斷等功能，內置高速I2C總線，內置8信道12bit ADC，速度可達600KSPS，并支持單次、單信道循環、多信道掃描三種模式，芯片還集成了IIC、SPI、2個UART，工業級工作溫度-40℃～85℃，強抗噪干擾，高ESD、EFT等性能。價位低廉，很適合工業應用[4]。

ATT7022D是由珠海炬力集成電路公司生產的一款高精度的多功能防竊電基波、諧波三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。ATT7022集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路。ATT7022能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。ATT7022支持全數字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。ATT7022提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。所有計量參數都可以通過SPI接口讀出。[5]

電源選用上海博湃電子科技專為國網專變采集III型終端設計的開關電源BPD15-KD05P12U，可在65～500Vac或80～700Vdc超寬輸入電壓下工作，兩路隔離電壓輸出，隔離電壓可達4KVac。內設輸入側過電壓停機保護功能,當輸入電壓超過設定值時，電源自動停止工作，從而減小開關MOSFET所受應力，降低在高壓輸入下電源損壞的幾率，提高電源了的可靠性。該電源還具有較高的隔離和抗干擾指標，能較好的滿足國標安規和抗干擾技術要求。

電壓變送器型號TV31B 2MA/2MA 0.1，電流變送器型號TA36C11 1.5（10）A/5MA 0.1。高精度時鐘芯片型號SD2404FLPI（芯片可保證時鐘精度為±5ppm(在-40～85°C下）即年誤差小于2.5分鐘）[6]，SPI FLASH存儲器型號AT45DB642D（具有8MBYTE的存儲容量，用于存儲電量和事件記錄），遙控繼電器型號G6B2114P_1_US，電源充電芯片IC CN3062，電源與電池切換芯片IC LTC4413。LCD液晶模塊AM160160_34U57。GRPS模塊選用友方的M590。

在元器件選型中還要充分考慮元件的隔離、工作溫度范圍和在強干擾下的可靠性等技術指標。

4 電路設計

NUC710ADN和M0516系統外圍設計可參看新唐科技的相關資料，已很詳盡，這里不再重復。這里只給出了幾個特定電路的設計和說明。

4.1 三相整流和電源電路設計

圖2是三相整流和電源電路圖，D2-D5、D8-D11共同構成三相整流電路，開關電源U9有兩路隔離的輸出，一路5V給ARM和單片機系統供電，另一路12V做遙信和通信隔離電源。注意工藝上在三相電壓輸入端串磁環。

圖2 三相整流和電源電路圖

4.2 計量芯片ATT7022D電路

圖3是上半部是A相的電流的輸入電路，下半部A相的電壓輸入電路。其它兩相輸入同。

圖3 A相電流、電壓輸入圖

圖4是ATT7022D電路，它與M0516單片機通過SPI口連接，CF1、CF2是有功無功電度脈沖輸出信號，JP1用于三相三線和三相四線輸入方式選擇。

圖4 ATT7022D電路

4.3 紅外維護口電路

圖5為維護口的紅外收發電路，通過R210的阻值調整，使U41的12腳輸出振蕩波形頻率在37.9KHZ。HYFSO1是紅外發射管，KS1838L是紅外接收模塊。

圖5 維護口紅外收發電路

4.4 遙控電路

遙控電路如圖6，CPLDOUT6為高時，Q13導通，這時如CPLDOUT1為高，則繼電器RL1動作。在自檢時，CPLDOUT6為低，Q3截止，CPLDOUT1的高脈沖經D29使DOFH變高，DOFH為單片機的輸入。用以檢測硬件電路是否正常。這里只畫出了一路遙控，其它同。

4.5 遙信電路

遙信電路如圖7，DCDC模塊H1224S的輸入來自開關電源的12V輸出，隔離輸出24V供遙信做輸入側的電源。PS2501AL有5000Vrms的隔離能力。