基于ARM9和嵌入式Linux的电力负荷终端系统设计

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 随着客户对电能质量要求的逐步提高,传统的电力网络难以满足发展要求。为此,提出发展“全覆盖、全采集、全预付费”智能电网的设想,以实现传统电网的升级。电力用户用电信息采集系统——智能电网管理终端,是一种集计算机、通信、用电及计量技术于一体的智能抄表设备,它具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、集成度高、可靠性好、结构简洁、安装使用方便等突出的优点,可直接与营业计算机联网,对电力用户进行数据采集计算及控制管理。电能计量自动抄表系统实现了从电能数据采集、传输到处理的自动化,采用自动抄表可以缓解抄表人员的劳动强度,降低人为因素造成的抄表误差,并能迅速统计低压时线损,降低用电成本,同时对加强用电管理,防止国家电力资源流失,对推进电能管理现代化具有积极意义。

1 系统组成及工作原理

基于GPRS的负荷控制管理系统,以公共GPRS移动通信网络为载体,辅以现场RS485总线等通讯方式,将变电站、大用户、公用配变、居民户等为主要控制管理对象,实现从变电站到供电线路再到电力用户的综合供用电监测、控制和管理。其工作流程如图1所示。


1.1 电力负荷管理终端系统组成

终端主要由5部分组成:电源单元、处理单元、通信单元和GPRS单元,其系统组成原理框图如图2所示。


1.2 系统设计方案

采用美国Atmel公司生产的AT91SAM9260CUARM9 CPU芯片为核心硬件架构搭建系统硬件电路。
传统的低端嵌入式单片机或多片单片机联合控制(MCU)作为核心控制器件,实现对智能化、多任务的管理终端控制已不能满足需要。特别在实现数据上传、电表数据抄录、GPRS通信控制、485通信控制、负载控制、大规模数据存储等多任务并行方面,传统的单片机已不适用。原因是:(1)采用低端嵌入式单片机ARM7为采集终端的核心控制器件,可以实现程序的实时性,但其资源相对有限,在数据存储和管理、实现USB控制和以太网控制等方面不理想。(2)采用多片单片机联合形式实现如上要求的控制,其性能比采用低端嵌入式计算机ARM7还差,仅将多个任务分解,每单个任务由相应的一块单片机完成,这给每块单片机间的协调性带来压力,处理不好时程序运行很不稳定,难以实现程序的实时性。

ARM9系列微处理器在高性能和低功耗方面提供最佳性能。具有以下特点:(1)5级整数流水线,指令执行效率更高。(2)提供1.1MIPS/M Hz 的哈弗结构。(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总线接口。(5)全性能的MMU,支持WindowsCE、Lin ux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。(6)MPU支持实时操作系统。(7)支持数据Csche,具有更高的指令和数据处理能力。

采用美国Enfora公司的ENFORA0306-GPRS模块作为数据上传核心部件,完成主站软件的各项操作。与传统通信方式相比,基于GPRS的无线数据传输有如下优点:(1)成本低廉。(2)建设工程周期短。(3)适应性强。(4)扩展性好。(5)设备维护方便。采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带以及同样的TDMA(时分多址)帧结构。因此,现有的基站子系统(BSS)可以提供全面的GPRS覆盖。GPRS引入的分组交换传输模式,使原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本变化,这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式而言,在整个连接期内,用户无论是否传送数据都将独占无线信道。而对分组交换模式,用户只有在发送或接收期内才占用资源,这意味着多个用户可以高效共享同一无线信道,提高了资源利用率。GPRS用户计费以通信的数据量为主要依据,其连接时间可能长达数小时,却只需支付相对低廉的连接费用,从而提供一种高效、低成本的无线分组数据业务。因此这种数据传输方式特别适用于简短的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔大量的数据传输方式。

采用RS485实现电表的数据抄录、电表的用电信息、实时监测电表的瞬时参数以及校时、结算日设置功能等。RS-485支持一点对多点的通信,允许在电路中有多个发送器,且允许一个发送器驱动多个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元便于组网;通信距离能够满足系统的设计要求。所以系统选择半双工的RS-485通信标准。终端机与集中器之间通过RS-485总线进行数据传输,采集器通过屏蔽双绞线采集用户各种远传能耗基表的信息,并进行换算和存储;采集器对电量的采集可以直接通过电表上的RS-485接口接收用户的电量信息,也可以通过采集器上的红外接口,利用专用的红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读取。

软件环境采用2.6.20版本的嵌入式Linux操作系统,为系统应用软件提供良好的运行空间。Linux2.6内核中,引入很多有利于嵌入式应用的功能。这些新功能包括实时性能的增强、方便的移植性、支持高档电源管理和I/O系统的改进等。这些改进使2.6的性能在对比2.4内核有着相当大的优势,尤其是对嵌入式设备而言,无论从运行效率还是设备管理都有较大提升,能更好地处理多任务满足终端的控制要求。

智能电网管理终端从硬件和软件两方面做防干扰可靠性设计,在保证功能的同时,尽可能地降低终端的故障率。

2 终端具备的基本功能

(1)计量数据采集功能。

1)交流采样功能,测控管理终端具备交流采样模块,可以采集并计算三相电压、电流、功率、需量、有无功电量等。

2)抄表功能,抄读电能表的正反有功电量、四象限无功电量、电压、电流、有功功率及无功功率,冻结电量等。

(2)控制功能。

1)电力负荷控制功能,强大的负荷控制功能,可对用户进行功控、电控等多种超预定负荷及避峰等拉闸控制,终端提供四轮控制,有四路遥信接口。

2)数据抄读及存储功能,终端可以抄读和存储不同的数据。

3)用电异常检测及报警功能,终端实时对电力测控进行监测,支持对电表状态、终端状态、计量回路状态以及各种处理分析的异常报警。

4)通信功能,终端与主站的通信支持《电力负荷管理系统数据传输规约-2004》,支持GPRS/CDMA,并且有本地维护接口。

时钟管理:时钟误差≤0.12 s·h-1,时钟保持>10年。

5)远程升级,终端支持远程在线升级功能。

(3)其他功能。

1)软件远程下载,终端软件可通过远程通信信道实现在线软件下载。
2)断点续传,终端进行远程软件下载时,终端软件具有断点续传能力。
3)终端版本信息,终端能通过本地显示或远程召测查询终端版本信息。
4)通信流量统计,终端能统计与主站的通信流量。

3 软件设计


4 结束语


电力负荷控制终端是利用当代计算机技术,数字通讯技术与计量技术的完美结合,集能耗计量、数据采集、数据处理于一体。数据传输方面采用GPRS无线数字通信技术,远程抄表与监控系统在抗干扰性和避免死机方面采用看门狗电路技术保证了数据传输的稳定性、准确性和实时性。

该系统的运用是电力办公自动化的发展趋势,借助RS-485串口通信,建立了智能远程抄表系统,实现远程自动抄表,可减少抄表和相关员工数及开支,降低员工劳动强度,提高工作效率。该系统的计量准确无误,实时监测可减少由于用户违章用电等造成的电量损失,故该系统的应用将有效地降低供电网络运行成本。
 

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