基于SCM701的電力數據采集終端設計

張小龍，程 鑫，王 勇

（安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

按國家發展和改革委員會、國家能源局、工業和信息化部聯合發布的《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》相關要求，結合采集系統的建設現狀，采集系統將向云計算、大數據+計量、清潔能源互動化、采集系統共享復用等方向發展，為此要求電力數據采集終端（以下簡稱“采集終端”）應滿足相應系統發展要求，適應“大云物移”的發展方向。現有的采集終端設備結構單一、功能配置固定、資源配置偏低，難以滿足各種采集現場的個性化安裝及使用要求，采集終端設備面臨著升級換代的問題。

1 需求分析

通過總結當前采集終端功能應用情況和應用經驗，分析應用中的不足，制定新一代采集終端需求如下：

（1）硬件功能可擴展：根據不同的應用需求，設計各類應用模塊，不同規格的模塊以統一接口方式連接，形成適應不同業務需求的終端，實現采集功能；

（2）管理統一化：采用統一操作系統為平臺，方便管理采集終端文件系統及各應用接口，實現統一管控；

（3）業務軟件可升級：充分利用面向對象的抽象性、封裝性、繼承性和多態性等特性，使系統易于維護、便于擴展、可升級。

2 硬件設計

針對以上需求，面向未來應用，融合業界成熟的新技術，提出新型用電信息采集終端“模塊化、平臺化”設計思路，包含主控、加密、時鐘、藍牙通信、電源控制、交流采樣、以太網、USB、按鍵、LED指示、液晶顯示，支持熱插拔更換的模塊有HPLC模塊、4G模塊、控制模塊、485模塊和備用模塊，其中備用模塊可以根據用戶自身需求靈活配置，以實現個性化功能。硬件架構如圖1所示。

圖1 硬件架構

2.1 主控單元

主控單元是采集終端的“大腦”，負責系統的邏輯運算、數據分析存儲及控制指令。處理器采用國產芯片SCM701，該芯片是以ARM Cortex-A7為內核的4核工業級處理器，主頻最高可達1.2 GHz，外設接口支持SATA2.0、8路UART、4路SPI/5通道IC接口；網絡接口支持接入WiFi/3G/4G網絡，支持千兆+百兆雙網口同時工作，支持兩路USB 2.0 Host、1路OTG，豐富的設備接口與模塊化設計要求吻合。

2.2 控制模塊

控制模塊接收主控單元的控制命令，對外部設備進行拉合閘操作。控制單元采用國產32位MCU，這款MCU的內核是ARM公司出品的Cortex-M0，具有較強的運算處理能力和豐富的片上外設。控制模塊的運行可靠性要求很高，為確保拉合閘操作準確，控制單元對合閘進行完備的閉環檢測，并使用邏輯方式，結合軟件算法防止電磁干擾帶來的誤動。圖2為控制模塊拉合閘閉環檢測電路。

圖2 拉合閘閉環檢測電路

2.3 4G模塊

為確保在寒冷地區SIM卡可以正常通信，4G模塊增加SIM卡預熱電路，通過讀取運行環境溫度采取相應措施。當環境溫度低于-20 ℃時，開啟SIM卡預熱電路，當環境溫度達到-20 ℃以上時，關閉加熱電路，此舉可有效保證采集終端在極寒條件下的4G通信穩定性。圖3為4G模塊SIM卡預熱電路，通過三極管Q完成加熱電路的開啟和關閉，實現方式簡單，成本低，性能可靠。

圖3 SIM卡預熱電路

2.4 交流采樣電路

采集終端不是法定計量器具，其交采采樣數據不用于電費結算，但在實際應用中，其采樣數據對臺區線損治理、計量參考等具有重要意義，因此對終端的計量精度也提出較高要求。本設計方案中采用珠海炬泉出品的三相計量芯片ATT7022E，該芯片是三相多功能防竊電電能專業計量芯片，集成了七路二階sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數的采樣；輸出采樣數據和有效值，芯片本身特性配合合適的外圍電路，可以實現0.5級精度的電能計量，滿足實際應用需求。在設計中，為避免電壓采樣電阻網絡發熱引起計量誤差，電阻網絡的電阻封裝選擇1206，大焊盤利于散熱，阻值選型經過計算留有充足的余量，并在PCB LAYOUT時合理布局，避免密度過大引起局部熱量聚集，造成電阻阻值漂移。交流采樣電阻網絡如圖4所示。

圖4 交流采樣電阻網絡

3 操作系統及固件設計

3.1 操作系統移植

操作系統性能指標：

（1）進程創建平均時長小于1 ms；

（2）進程刪除平均時長小于1 ms；

（3）從上電到進入登錄界面的平均時長小于 1 min；

（4）本地管道通信平均延時應小于80 ms；

（5）信號量平均延時應小于300 μs；

（6）內存連續讀寫平均時延應小于300 ns；

（7）內存隨機訪問平均時延應小于500 ns；

（8）安裝容器平均時長應小于30 s；

（9）卸載容器平均時長應小于10 s；

（10）安裝應用軟件平均時長應小于30 s。

3.2 HAL層設計

為降低開發復雜度與移植難度，本設計采用層次化設計方法，引入HAL層（硬件抽象層），將操作系統劃分出一個可直接與硬件通信的層次，隱藏不同硬件設備的具體實現細節，為各類應用軟件提供標準化硬件驅動接口。然后為其上層提供抽象支持，下層通過API的形式向上層提供服務。上層在進行硬件操作時，無需了解設備的具體細節，層次化設計大大降低了系統理解和開發復雜度。

以LED模塊為例，給出了HAL 模塊代碼示例和HAL接口調用示例。

HAL模塊部分代碼：

4 應用設計

應用基于嵌入式操作系統，采集終端的功能應用劃分為基礎APP、高級業務APP、邊緣計算APP。

（1）基礎APP是高級業務APP的共用部分，包括系統管理、數據中心、無線遠程撥號管理、本地抄表模塊管理、模組管理器等。

（2）高級業務APP，基于基礎APP結合業務自身邏輯實現，包括居民家庭用能管理、大用戶用能管理、電動汽車有序充電、分布式能源管理、企業能效管理、臺區智能監測等。

（3）邊緣計算APP，基于業務APP實現，是對業務APP的擴展應用。

5 實驗驗證

為全面驗證該型采集終端的性能，針對該設計開展了兩個階段的驗證：實驗室驗證和現場試運行驗證，現場試運行驗證在實驗室驗證滿足要求后開展，通過兩個階段實驗的驗證結果表明，該型終端在功能和性能上完全滿足標準要求，部分性能超出標準要求。

5.1 實驗室驗證

依據國家標準和國家電網企業標準共開展各類檢測項目共計40余項，試驗項目涵蓋電氣性能、電磁兼容、環境影響、機械性能和功能，我們從中抽取功率消耗試驗和數據傳輸試驗的結果向大家展示。表1所列為功率消耗實驗結果，可以看出，該型采集終端的有功功率消耗相當于技術要求的1/4，遠遠高于標準的技術要求，這也符合我國低碳發展的要求。

表1 功率消耗試驗

該型采集終端數據傳輸信道的各項性能指標測試結果如圖5所示，發現采集終端的該項指標高于標準的技術要求，尤其是終端帶載能力中的紋波電壓遠遠高于指標要求，也從另一方面說明終端供電電源的質量較高，為終端未來現場持續穩定運行提供了有力保障。

圖5 數據傳輸信道試驗

5.2 現場試運行

選取××城市的5個小區10個臺區作為試點，經過長達3個月的運行，整機運行穩定，產品在通信速度、通信穩定性等方面表現出良好性能，具有較好的推廣價值。

6 結 語

通過大量驗證結果表明，基于SCM701的采集終端采用軟件APP化、硬件模組化的設計思路，使得該產品具有極大的靈活性，能夠適應不同的應用場景，用戶可以根據自身需求靈活選擇硬件模塊和安裝相應功能APP，提升產品的通用性。該型采集終端在現場經過長期運行，各方面展現出的性能指標相比之前的終端有較大提升，具有較好的推廣價值，為用電信息采集設備的發展提供了一種思路，但對一些具體的算法研究還需進一步優化。