范 羽

（肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東肇慶526020）

2010年初，國家電網(wǎng)公司制定了《關(guān)于加快推進堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的意見》，確定了建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的基本原則和總體目標(biāo)，目的就是建設(shè)一個強大、堅固、有力、互動、高效、靈便的智能電網(wǎng)（Smart Power Grids）。在這樣的大背景下，再加上近年來國內(nèi)電子行業(yè)發(fā)展迅速，各種有線通訊、無線通訊、工業(yè)控制技術(shù)都得到有效的利用和推廣，為國家發(fā)展智能電網(wǎng)奠定了牢固的基礎(chǔ)。在本文中介紹的的低壓集中器系統(tǒng)，就是建設(shè)智能電網(wǎng)的一個重要組成部分。

低壓集中器是指收集各采集終端或電能表的數(shù)據(jù)，并進行處理儲存，同時能和主站或手持設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備，簡稱為集中器。以本文的設(shè)計為例，通俗地說，集中器就是利用低壓電力線載波通訊、RS485通訊收集此系統(tǒng)管理下的各用戶用電的數(shù)據(jù)信息，再通過相關(guān)的運算存儲，定時地通過GPRS無線通訊向主站系統(tǒng)發(fā)送需要的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，使相關(guān)的物業(yè)管理機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對用戶用電進行實時監(jiān)控及遠程自動抄表，使整個管理機構(gòu)運作更加方便、高效。

1 系統(tǒng)組成框架

在智能電網(wǎng)中，集中器的主要功能，主要體現(xiàn)在遠程自動抄表方面。集中器利用載波通訊和RS485通訊連接所要管理的電表，利用GPRS通訊，連接主站系統(tǒng)，構(gòu)成整個自動抄表系統(tǒng)。抄表系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

主站系統(tǒng)是中心控制環(huán)節(jié)，管理人員可以通過主站系統(tǒng)的人機界面，向集中器發(fā)送操作指令，管理人員想要獲取的各種信息，也是通過主站系統(tǒng)接收集中器發(fā)送上來的數(shù)據(jù)信息。一個主站系統(tǒng)下面可以掛載多個集中器，實現(xiàn)一對多的區(qū)域分布式管理。

采集器的作用，相當(dāng)于擴展口，由于RS485通訊線連接節(jié)點最多大概在200個左右，而集中器設(shè)計的時候，要求能夠聯(lián)接的電能表往往大于200臺。先接一個采集器，再在采集器下面聯(lián)接電能表，一個采集器能夠聯(lián)接的電能表大概在30臺左右，利用這種聯(lián)接方式，達到集中器管理電能表的數(shù)目增加的目的。采集器也能夠把從電能表采集到的數(shù)據(jù)，做一些相應(yīng)的處理，再上傳到集中器中。

圖1 抄表系統(tǒng)框架圖

各種電能表作為系統(tǒng)的執(zhí)行終端，負責(zé)采集單一用戶的各種信息，包括當(dāng)前電能表的電能數(shù)據(jù)、交直流模擬量、狀態(tài)量、電能質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的直接數(shù)據(jù)來源。

集中器是把主站系統(tǒng)和各種電能表聯(lián)接起來的紐帶，是整個系統(tǒng)不可或缺的中心環(huán)節(jié)。首先，集中器會負責(zé)采集電能表的各種數(shù)據(jù)信息，進行綜合處理并存儲；另一方面，需要接收來自主站系統(tǒng)的指令，并返回相應(yīng)操作信息，或者是轉(zhuǎn)發(fā)主站系統(tǒng)直接下達給電能表的指令。一臺集中器最多可以管理1 024臺電能表，需要采集處理的數(shù)據(jù)信息比較多，所以集中器的設(shè)計，無論是硬件平臺還是軟件平臺，都要求能夠保證數(shù)據(jù)信息的安全性和可靠性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖2所示，主要構(gòu)成由RAM7微控制器LPC2468為系統(tǒng)核心控制單元，以電源電路、上行通道GPRS電路和紅外通訊電路、下行通道RS485電路和載波通訊電路、外部擴展數(shù)字存儲電路、時鐘電路、LED顯示電路組成。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2.1 電路的基本結(jié)構(gòu)

集中器使用交流三相四線供電，在斷一相或兩相電壓的條件下，交流電源也能維持集中器正常工作和通信。分別接在A、B、C三相的3個變壓器，次級輸出通過濾波整流之后，分成三路直流電源：

一路供給LPC2468及其外圍電路、GPRS電路、紅外通訊電路、外部擴展數(shù)字存儲電路、時鐘電路、LED顯示電路；

第二路直流電源直接給載波模塊電路供電，這一路直流電源可以與第一路直流電源共地，中間加一磁珠隔離；

第三路直流電源只給下行RS485電路發(fā)送差分信號部分電路供電，要求與第一、第二路電源隔離。

2.2 微控制器的選擇

微控制器選擇的是PHILIPS公司的LPC2468，LPC2468微控制器是NXP圍繞32位的ARM7TDMI-S CPU內(nèi)核設(shè)計的，ARM7TDMI-S處理器運行頻率可高達72 MHz，內(nèi)部有98 kB片內(nèi)SRAM和512 kB片內(nèi)Flash程序存儲器，F(xiàn)lash程序存儲器具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）的功能，F(xiàn)lash程序存儲器在ARM局部總線上，可供高性能的CPU訪問。

LPC2468微控制器同時具有多種通訊硬件端口，十分適用于多種用途的通信應(yīng)用。在此設(shè)計中，用到的資源包括：UART串行接口、SPI控制器、I2C總線接口、AHB總線，還有其他的用于程序運行的內(nèi)部時鐘、定時器、ADC、看門狗等。

2.3 上行通道電路

上行通道電路，包括GPRS電路和紅外通訊電路。

GPRS電路部分，采用了西門子公司的EM310模塊，主要用到該模塊的短信息和GPRS上網(wǎng)業(yè)務(wù)。該模塊與LPC2468的數(shù)據(jù)通訊主要通過UART串行接口完成的，再配合LPC2468的I/O口連接到模塊的開關(guān)機控制腳、復(fù)位腳和整個模塊的電源開關(guān)控制電路，來控制整個GPRS電路的運行。由于該模塊的供電電源是4 V，與LPC2468供電3.3 V有電平差異，兩部分電路連接時，中間加了SN74LVC4245，用于電平轉(zhuǎn)換。

紅外通訊部分，紅外接收管用的型號為KSN1838，紅外發(fā)射管用的型號為KSN803，信號數(shù)據(jù)線分別連接到LPC2468的UART串行接口的接收端口和發(fā)送端口。其中發(fā)射管部分，還需要一個38 k的調(diào)制信號，由LPC2468的一個能輸出PWM波形的I/O口產(chǎn)生。調(diào)制信號與串口的發(fā)送端口信號，作為74HC02或非門的兩路輸入信號，輸出信號則連接到發(fā)射管控制電路。

2.4 下行載波通訊電路

下行載波通訊電路，采用的是由青島鼎信通訊有限公司開發(fā)的載波通訊模塊。該公司設(shè)計的載波模塊，算是一個比較成熟的方案，已應(yīng)用在某些地區(qū)的電網(wǎng)中。模塊內(nèi)置的自動中繼協(xié)議，可以完成12級中繼功能，使模塊的通訊距離達到2 km，完全可以滿足集中器抄表的要求。載波模塊對外使用標(biāo)準(zhǔn)異步通訊協(xié)議，連接到LPC2468的UART串行端口。

RS485電路中，用于轉(zhuǎn)換TTL電平和RS485通訊的差分信號的芯片是MAX485，從LPC2468的UART串行端口連接到MAX485的線，都通過光耦PS2501隔離，對應(yīng)硬件的設(shè)計中光耦速率的限制，RS485電路通訊的波特率選用2400 bps。

2.5 其他電路部分

外部擴展數(shù)字存儲電路中擴展的存儲空間類型，包括Flash、SRAM、FRAM。Flash擴展選用的是 ATMEL公司的AT26DF321，數(shù)據(jù)通訊口采用串行SPI接口，容量為32 Mbit，在此集中器設(shè)計中，3片AT26DF321并在一起用，才能滿足數(shù)據(jù)存儲的空間。SRAM擴展選用的是ISSI公司的IS61LV2568L，容量256 k×8bit，接在LPC2468的AHB總線上。FRAM擴展選用的是RAMTRON公司的FM25CL64，容量為64 kbit，數(shù)據(jù)通訊口也是串行SPI接口。以上的Flash和FRAM并聯(lián)在一起，接到LPC2468的硬件串行SPI端口。

外部時鐘電路，選用的是RX8025。此款芯片，在電子設(shè)計中應(yīng)用非常廣泛，可靠性比較高。RX8025與LPC2468數(shù)據(jù)通訊采用串行I2C總線的方式。LPC2468同時會啟動內(nèi)部時鐘電路，只會定時與外部時鐘對時，以確保時鐘的準(zhǔn)確性。

LED顯示電路，與LPC2468相應(yīng)的I/O口連接，顯示相應(yīng)信道的通訊狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

微控制器LPC2468作為本系統(tǒng)的核心控制單元，需要處理任務(wù)是比較多的，包括所有信道的通訊控制、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、數(shù)據(jù)的處理和存儲、系統(tǒng)的故障檢測和反饋等，往往很多任務(wù)的操作，是需要并行處理的，甚至有些任務(wù)要求實時性比較強。在這樣的前提下，提出該系統(tǒng)的軟件在Linux嵌入式操作系統(tǒng)的平臺上構(gòu)建，是必要的，也是提高系統(tǒng)可靠性的保證。系統(tǒng)的軟件設(shè)計框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計框架圖

在Linux操作系統(tǒng)的平臺上，把軟件所要完成的任務(wù)，按功能和邏輯，分成圖3所示的8個任務(wù)：

（1）顯示任務(wù)。完成的就是控制LED顯示電路按系統(tǒng)的運行狀態(tài)正確、實時地把所需要顯示的狀態(tài)量顯示出來。

（2）定時處理任務(wù)。完成集中器設(shè)計中所要求系統(tǒng)在某時間段要完成的操作任務(wù)，例如定時給主站系統(tǒng)上傳凍結(jié)電量、定時抄讀所管理電能表的某些電能參數(shù)等。

（3）抄表任務(wù)。通過下行通道載波方式或者RS485方式，向所管理的電能表依次發(fā)送抄表指令，并依次接收電能表返回的參數(shù)。

（4）數(shù)據(jù)處理任務(wù)。對集中器采集的某些數(shù)據(jù)按設(shè)計要求做相應(yīng)的處理，例如對每日或每月的電量進行凍結(jié)、重點用戶用電數(shù)據(jù)進行曲線處理等。

（5）協(xié)議解析任務(wù)。集中器系統(tǒng)與主站或者電能表通訊，都是使用相對應(yīng)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，與主站通訊用的是的DL/T 698.41-200X協(xié)議，與電能表通訊用的是 DL/T 645-2007協(xié)議。因此，主站與兩者通訊時，所用到的數(shù)據(jù)時，都要調(diào)用此任務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)指令與相應(yīng)數(shù)據(jù)幀之間的格式轉(zhuǎn)換。

（6）存儲器管理任務(wù)。這里描述的存儲器包括Flash、SRAM、FRAM。Flash所存儲的有數(shù)據(jù)量比較大且不常調(diào)用的數(shù)據(jù)，例如日凍結(jié)電量、月凍結(jié)電量等，存儲時候需要給所有的存儲信息分配好存儲空間，以便日后調(diào)用或更新。SRAM作為系統(tǒng)運行時候的內(nèi)存緩沖，由于SRAM掉電會丟失數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求記錄下來且不可丟失的數(shù)據(jù)不可存放于SRAM中。FRAM是用于存放系統(tǒng)運行時經(jīng)常要調(diào)用但不可丟失的數(shù)據(jù)信息的。

（7）GPRS通訊管理任務(wù)。檢測GPRS模塊的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，控制GPRS模塊開關(guān)機、復(fù)位，并處理通過GPRS通訊發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)。

（8）紅外通訊管理任務(wù)。管理人員有時會用手抄器PDA把集中器的數(shù)據(jù)通過紅外通訊的方式抄入PDA中，再帶回主站系統(tǒng)錄入。此任務(wù)就是完成集中器把數(shù)據(jù)上傳到PDA的操作。

4 結(jié)束語

智能電網(wǎng)的目標(biāo)，是實現(xiàn)電網(wǎng)運行的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全。電網(wǎng)能實現(xiàn)這些目標(biāo)，就可以稱其為智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)必須更加可靠，智能電網(wǎng)不管用記在何時何地，都能提供可靠的電力供應(yīng)。

本文介紹了基于LPC2468的低壓集中器系統(tǒng)的設(shè)計，是按照國家電網(wǎng)公司最新發(fā)布的《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)集中器型式規(guī)范》的要求設(shè)計的，通訊協(xié)議也是按照國家電網(wǎng)公司發(fā)布的最新規(guī)約。集中器的樣機初步測試已通過，現(xiàn)正在掛網(wǎng)進行長期運行測試。

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