宋慶武，陳國(guó)琳

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102）

配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶的電力設(shè)備，其運(yùn)行數(shù)據(jù)是整個(gè)配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要組成部分。而配變監(jiān)測(cè)終端作為配電變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和變壓器狀態(tài)的監(jiān)控最直接而有效的載體，能夠全面提高配電系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量、運(yùn)行安全以及供電企業(yè)的管理水平，從而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。配變監(jiān)測(cè)終端可以全面監(jiān)測(cè)配變的運(yùn)行狀態(tài)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理能力，對(duì)電網(wǎng)的停電、缺相等各種異常事件進(jìn)行記錄并及時(shí)上傳。并可根據(jù)系統(tǒng)無功缺額等的變化，控制電容器組的投切，提高電能質(zhì)量。因此本文提出基于ARMLINUX的新型配變監(jiān)測(cè)終端的開發(fā)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 硬件系統(tǒng)概述

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）本地接口：終端提供一路紅外接口，一路RS232接口(RS485接口)，一路RS485接口，小無線通信接口（可選）。計(jì)量部分紅外接口可選擇遠(yuǎn)紅外或吸附式紅外；主控部分一路RS232接口可選RS485接口。

（2）遠(yuǎn)程接口：GPRS/CDMA通信接口，用來與主站系統(tǒng)進(jìn)行通信。

（3）計(jì)量CPU：它負(fù)責(zé)交流采樣中的計(jì)量與測(cè)量功能，主要向用戶（紅外抄表）。

（4）主控CPU：數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)，包括交流采樣中的負(fù)荷曲線功能、遙控跳合閘功能、中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能、事件記錄、電能質(zhì)量合格率統(tǒng)計(jì)、狀態(tài)量采集、遙信量采集、脈沖采樣、抄表等。

（5）按鍵及液晶顯示：用于本地配置終端，顯示終端系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

1.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)基于分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括外部計(jì)量單元、平臺(tái)層、應(yīng)用層。如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 平臺(tái)層

（1）接口驅(qū)動(dòng)：屏蔽操作系統(tǒng)/硬件接口差異，提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，給采集、控制提供統(tǒng)一的讀寫接口函數(shù)。

（2）前端處理：根據(jù)配變參數(shù)配置，盡可能多的配變信息，為存儲(chǔ)管理提供完整和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠按要求產(chǎn)生輸出控制的功能。

（3）任務(wù)調(diào)度：根據(jù)應(yīng)用層的配置參數(shù)，得到采集處理必要的采集條件，可按固定可選周期時(shí)間，協(xié)調(diào)和控制采集處理的時(shí)間準(zhǔn)確性，下達(dá)控制命令給前端處理。

（4）存儲(chǔ)管理：它是數(shù)據(jù)庫訪問的接口，所有其他任務(wù)想要訪問數(shù)據(jù)庫都要通過存儲(chǔ)管理所提供的接口來讀取、存儲(chǔ)、修改數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 應(yīng)用層

（1）參數(shù)整定與參數(shù)配置：通過主站，本地配置接口，完成各種功能所需要的運(yùn)行參數(shù)，形成配置參數(shù)區(qū)，并能夠讀取配變參數(shù)，根據(jù)讀到的配變信息，結(jié)合主站下發(fā)的命令，形成統(tǒng)計(jì)計(jì)算的先決條件。

（2）統(tǒng)計(jì)計(jì)算：根據(jù)配變參數(shù)區(qū)和配變管理得到的先決條件，主站需要的數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，通過存儲(chǔ)管理接口取得即時(shí)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，經(jīng)過加工處理后再返回給數(shù)據(jù)庫，得到主站應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)。

（3）主站服務(wù)：接收主站命令，給主站提供服務(wù)，完成對(duì)主站的規(guī)約處理，提供與主站的多種通信方式，并可以與多個(gè)主站同時(shí)通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 配變監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)流圖

配變監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3 配變監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)流

根據(jù)數(shù)據(jù)流圖可以把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的生命周期在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中是非常短暫的，在系統(tǒng)中只起到緩存的作用，存放在系統(tǒng)的內(nèi)存當(dāng)中。而歷史數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：它包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)。

（2）歷史數(shù)據(jù)庫：它包括計(jì)算數(shù)據(jù)，曲線數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)，定點(diǎn)數(shù)據(jù)等。

（3）參數(shù)數(shù)據(jù)庫：它包括測(cè)量點(diǎn)參數(shù)，表記參數(shù)，數(shù)據(jù)配置參數(shù)等數(shù)據(jù)規(guī)模較大的參數(shù)數(shù)據(jù)。

（4）參數(shù)文件：它是用來記錄終端本身的物理參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等規(guī)模較少的參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 軟件邏輯設(shè)計(jì)

軟件邏輯設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問、存儲(chǔ)空間的分配以及數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)與數(shù)據(jù)項(xiàng)。

（1）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問。這是此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要環(huán)節(jié)，它包括終端中各個(gè)模塊要使用的參數(shù)，數(shù)據(jù)的空間分配管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、訪問等。存儲(chǔ)功能提供參數(shù)和數(shù)據(jù)的讀寫，私有數(shù)據(jù)區(qū)的申請(qǐng)和讀寫。訪問以接口函數(shù)形式提供，分為參數(shù)讀寫接口、私有數(shù)據(jù)區(qū)注冊(cè)和讀寫接口、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)讀寫接口、歷史數(shù)據(jù)讀寫接口、邏輯計(jì)量點(diǎn)映射配置接口。所有對(duì)數(shù)據(jù)的訪問和存儲(chǔ)均通過存儲(chǔ)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

（2）存儲(chǔ)空間分配。根據(jù)外部存儲(chǔ)介質(zhì)的特點(diǎn)，采用不同的文件系統(tǒng)，不同的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)字典的參數(shù)和數(shù)據(jù)采用自定義二進(jìn)制方式，合理安排目錄結(jié)構(gòu)和文件存放方法，能快速訪問并高效利用存儲(chǔ)空間。

（3）數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)與數(shù)據(jù)項(xiàng)。該定義主要針對(duì)的是《DL/T645—1997多功能電能表通信規(guī)約》、《江蘇電網(wǎng)配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》、《Q/GDW 130—2005電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》這些規(guī)約來定義。為了能屏蔽各規(guī)約之間的差異，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、抄讀、存儲(chǔ)模型，各模塊采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)來操作數(shù)據(jù)庫。規(guī)約解釋模塊將各規(guī)約不同的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)映射成內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)采用BCD碼。

2.3 軟件功能簡(jiǎn)介

（1）采集數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)采集源主要有電能表脈沖輸出、RS485輸出（計(jì)量表計(jì)、交流采樣裝置或其他智能裝置）、開關(guān)輔助觸點(diǎn)、門接點(diǎn)。它包括3種采集量，即4路開關(guān)量輸入，RS485接口的智能裝置輸入（1塊），1組交流采樣（三相電壓、三相電流）。脈沖采集計(jì)算周期為1 min，終端讀取交流采樣裝置，周期默認(rèn)為15 min（周期可按要求在1～60 min設(shè)定），跳閘開關(guān)輔助觸點(diǎn)采樣周期為1s，終端對(duì)計(jì)量表計(jì)數(shù)據(jù)采樣周期為15 min。脈沖功率計(jì)算方式采用近似1 min計(jì)算平均功率，同時(shí)刷新顯示。

(2)參數(shù)整定和查詢。終端能夠接收并保存主站設(shè)置的參數(shù)命令，如終端運(yùn)行和測(cè)量點(diǎn)參數(shù)，能夠通過終端提供的按鍵和顯示屏查詢終端的參數(shù)和部分重要的參數(shù)（如通信參數(shù)），這些都需要通過本地按鍵設(shè)置。

（3）終端的遙控。終端按照主控站下發(fā)的控制命令對(duì)終端進(jìn)行控制，主臺(tái)下發(fā)的遙控命令包括控制輪次、告警時(shí)間、控制（限電）時(shí)間。

（4）數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)。針對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)至少能夠存儲(chǔ)3個(gè)月以上，且存儲(chǔ)的保存周期可以設(shè)定和修改；針對(duì)計(jì)算的數(shù)據(jù)（分為日數(shù)據(jù)和月數(shù)據(jù)）可以保存一年以上。

（5）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。終端具有將主站命令轉(zhuǎn)發(fā)給下屬智能裝置（如電表、交流采集裝置）并將智能裝置的返回?cái)?shù)據(jù)信息傳送給主站的功能。進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，需要對(duì)下屬智能裝置的通信報(bào)文進(jìn)行必要的約定。終端信息轉(zhuǎn)發(fā)功能主要有終端能將主站下發(fā)的各種轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)傳送給下屬智能裝置，并將下屬智能裝置回發(fā)的數(shù)據(jù)直接傳回主站，如果電表、交流采集等下屬智能裝置轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)不成功，終端就回否認(rèn)幀。

（6）本地維護(hù)。終端具有本地維護(hù)接口，其通信規(guī)約與遠(yuǎn)程通信接口的通信規(guī)約相同，本地維護(hù)功能主要提供給用戶，滿足需求側(cè)管理要求，安裝維護(hù)人員也可通過本地維護(hù)接口實(shí)現(xiàn)終端與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備的通信，進(jìn)行終端參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)查詢，這些數(shù)據(jù)包括終端或測(cè)量點(diǎn)參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史日數(shù)據(jù)、歷史月數(shù)據(jù)等。

（7）事件記錄。終端根據(jù)主站設(shè)置的事件屬性按重要事件和一般事件分類記錄。重要事件與一般事件又按發(fā)生的時(shí)間順序分2個(gè)隊(duì)列記錄，每個(gè)隊(duì)列記錄長(zhǎng)度為100條，隊(duì)列按先進(jìn)先出方式刷新，每條記錄的內(nèi)容包括事件類型、發(fā)生時(shí)間及相關(guān)情況。

（8）終端自身的告警和狀態(tài)指示。在液晶顯示屏上顯示告警狀態(tài)，可以通過設(shè)定的菜單項(xiàng)進(jìn)行查詢，能夠在液晶屏顯示終端自身運(yùn)行狀況和重要數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

（9）升級(jí)。終端應(yīng)具有軟件升級(jí)功能，既可以本地升級(jí)，又支持遠(yuǎn)程升級(jí)。

3 終端設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）可靠性是本終端設(shè)計(jì)考慮的首要問題，相對(duì)于其他廠家類似的終端在這個(gè)方面有很大提高，而ARM-Linux操作系統(tǒng)[1]、工業(yè)級(jí)的芯片選型是本終端穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，同時(shí)在應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)采用C語言開發(fā)[2]，以及各個(gè)模塊的合理性設(shè)計(jì)，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）可擴(kuò)展性是本終端設(shè)計(jì)的先進(jìn)之處，在需求分析之初，就對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能模塊劃分，尤其在規(guī)約接口方面，核心采用規(guī)約插件管理器。當(dāng)需要擴(kuò)展規(guī)約時(shí)只需要按照一定的格式要求開發(fā)不同的規(guī)約插件，而接口驅(qū)動(dòng)部分的擴(kuò)展完全可以依賴ARM-LINUX系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。

（3）本終端設(shè)計(jì)的另外一個(gè)重要特色是有較高的運(yùn)行效率。ARM9的核心CPU，256 M的RAM、512 M的FLASH是保證終端裝置運(yùn)行快速的基礎(chǔ)。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是采用了多進(jìn)程設(shè)計(jì)，各進(jìn)程模塊并發(fā)運(yùn)行，所有這些設(shè)計(jì)都極大的提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

（4）本終端設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的可維護(hù)性（支持遠(yuǎn)程升級(jí)）及應(yīng)用程序開發(fā)的可移植性[3]。軟件程序在開發(fā)時(shí)可以在pc機(jī)上編寫調(diào)試程序，通過仿真下載到終端上運(yùn)行可以看到真實(shí)結(jié)果；應(yīng)用軟件的遠(yuǎn)程升級(jí)可以減少工程人員的維護(hù)工作量，大大方便了用戶。

4 結(jié)束語

基于以上設(shè)計(jì)的配變終端已經(jīng)處于生產(chǎn)階段，先期已經(jīng)投入到江蘇蘇南一帶的配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。一方面表現(xiàn)出該系統(tǒng)的強(qiáng)穩(wěn)定性，AT91RM9200芯片完全可以保證Linux操作系統(tǒng)[4]的高速性和系統(tǒng)需求的實(shí)時(shí)性；另一方面表現(xiàn)出該系統(tǒng)的高擴(kuò)展性，根據(jù)Linux內(nèi)核本身的可擴(kuò)展性，任何新的外設(shè)的加入只要完成驅(qū)動(dòng)部分的編寫即可。

[1] 李善平.嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] SIOSS A N著，沈建華譯.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3] 龍晉元.UNIX環(huán)境高級(jí)編程[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4] 陳莉君.深入理解Linux內(nèi)核(第三版)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.