陳水明 郭銀山 朱云飛 楊建東 吳云佳

（浙江涵普電力科技有限公司，浙江 海鹽 314300）

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司“十一五”電力營銷發(fā)展規(guī)劃》總體目標(biāo)，營銷現(xiàn)代化和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)水平得到了快速提高，為提升市場響應(yīng)快速化的水平，提高客戶服務(wù)的質(zhì)量，落實(shí)“精益化管理”的要求，逐步建立適應(yīng)市場變化、快速反映客戶需求的營銷機(jī)制，必須實(shí)現(xiàn)電力用戶用電信息的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，切實(shí)服務(wù)于營銷管理和各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求。用電信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量裝置在線監(jiān)測和用戶負(fù)荷、電量、電壓等重要信息的實(shí)時(shí)采集，及時(shí)、完整、準(zhǔn)確地為“SG186”信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

大型專變用戶和城鄉(xiāng)居民用戶都基本實(shí)現(xiàn)了用電信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。大型專變客戶負(fù)荷管理功能的專變采集終端通過與電表間的實(shí)時(shí)抄表通信、實(shí)時(shí)采集電表輸出脈沖，獲取并存貯電表的計(jì)量數(shù)據(jù)和信息；對現(xiàn)場計(jì)量裝置進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測；通過對用戶用電開關(guān)的直接監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電量控制和負(fù)荷控制功能；通過遠(yuǎn)程通信與系統(tǒng)主站建立直接數(shù)據(jù)通信，接收執(zhí)行系統(tǒng)主站的集中管理，向系統(tǒng)主站傳送現(xiàn)場采集的用戶用電信息；為用戶提供本地信息服務(wù)等。城鄉(xiāng)居民用戶具有用戶數(shù)量巨大，單個(gè)用戶采集的電能信息較少，故采用集中抄表模式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表和監(jiān)控，先由集中器將該臺區(qū)的全部居民電表通過本地抄表通信，集中采集各電表的計(jì)量數(shù)據(jù)。

作為用電信息采集的終端設(shè)備能否可靠運(yùn)行直接決定了用電信息能否，及時(shí)、完整、準(zhǔn)確地為“SG186”信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本裝置就是針對專變采集終端和集中器的專用檢測設(shè)備。

1 硬件設(shè)計(jì)原理

1.1 原理框圖

用電信息采集終端檢測裝置主要有功率源，標(biāo)準(zhǔn)表，信號源、檢測單元，載波通信系統(tǒng)組成。其中功率源，標(biāo)準(zhǔn)表，信號源 ，采用了與常規(guī)電能表校驗(yàn)裝置相同的部件。檢測單元每表位一個(gè)，其主要功能有測試終端的跳閘信號，測試終端的脈沖采集功能，測試終端的遙信信號和通信擴(kuò)展功能。載波通信系統(tǒng)主要用來測試集中器和采集器的載波通信功能。其原理框如圖1所示。

圖1

信號源，標(biāo)準(zhǔn)表，A 相功放，B 相功放，C 相功放組成了程控功率電源，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的用電現(xiàn)場的環(huán)境模擬，檢測單元用于測試專變終端的電能誤差，日計(jì)時(shí)誤差以及輸入輸出信號，載波通信系統(tǒng)用于集中器采集器的載波通信測試。這套檢測裝置可兼容國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的專變采集終端Ⅲ型、集中抄表終端，其對三種產(chǎn)品的檢測方法均依據(jù)Q/GDW 1373—2013《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范》

1.2 程控功率源

采集終端主要的功能之一就是對現(xiàn)場的用電環(huán)境進(jìn)行正確的監(jiān)控。所以測試裝置要依照千變?nèi)f化的現(xiàn)場用電環(huán)境為測試終端提供正確的現(xiàn)場用電環(huán)境。要正確的模擬這樣的用電環(huán)境，需要測試裝置提供獨(dú)立可調(diào)節(jié)的電壓電流及相位。測試裝置通過采用DSP 信號控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的六路可獨(dú)立調(diào)節(jié)的三相信號源，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓、電流及相位量值的獨(dú)立調(diào)節(jié)，采用了數(shù)字調(diào)制功放實(shí)現(xiàn)了高效率低功耗功率輸出，滿足了測試終端所需要的環(huán)境,程控功率電源的工作原理如圖2。

為了防止放大器工作過程中出現(xiàn)的振蕩，放大器另加有高頻反饋電路。同時(shí)對可能出現(xiàn)的高頻振蕩，放大器內(nèi)部加有高頻保護(hù)電路。當(dāng)輸出出現(xiàn)過流現(xiàn)象時(shí)，裝置會自動將輸出限流，當(dāng)輸出級幅值異常時(shí)（短路、開路）裝置有開（短）路保護(hù)。裝置采用D 類放大器對正弦波的調(diào)制采用三角波調(diào)制技術(shù)對正弦波進(jìn)行調(diào)制。即用一個(gè)與放大信號幅度近似的三角波，共同作為變換器輸入，當(dāng)三角波波幅大于正弦波幅，變換器輸出“0“，當(dāng)三角波波幅小于正弦波幅，變換器輸出“1“，這樣輸入的正弦信號變換為寬度隨正弦信號幅度變化的PWM 波。調(diào)制后的脈沖波必須經(jīng)過LPF 低通濾波器濾去高頻諧波而得到正弦基波。

圖2

1.3 檢測單元

由于采集終端測試裝置需要大量的通信串口，現(xiàn)在常見的采集終端測試裝置一般都采用串口服務(wù)器模式或者串口擴(kuò)展卡模式進(jìn)行串口擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)多串口通信，這種方案的缺點(diǎn)是成本高，接線復(fù)雜，可靠性比較差經(jīng)常會出現(xiàn)通信部件的損壞或者接線松動，造成測試失敗。本裝置采用了全新的通信擴(kuò)展模式，整機(jī)原理圖如圖3所示。

圖3

每個(gè)測試表位配置了一個(gè)檢測單元，檢測單元采用具有互聯(lián)型通信接口的ARM 芯片，它與測試計(jì)算機(jī)之間組成了100 兆的網(wǎng)絡(luò)通信。整體上具有良好的擴(kuò)展性能。通信速度也完全能夠滿足采集終端的通信測試。每個(gè)檢測單元具有兩路485 通信接口，對應(yīng)檢測采集終端的兩路485 通信。一路RS232通信口，可以完成對采集終端本地維護(hù)串口的通信。

檢測單元的功能主要有下行485 通信、下行232通信、上行以太網(wǎng)通信，開關(guān)量檢測及輸出、脈沖計(jì)數(shù)，脈沖輸出，以及直流電壓檢測，直流量測量等功能，檢測單元通信原理圖如圖4所示。

圖4

因此在檢測單元設(shè)計(jì)上我們采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。uCOS II 是一個(gè)占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級任務(wù)的CPU 使用權(quán)。這個(gè)特點(diǎn)使得它的實(shí)時(shí)性比非占先式的內(nèi)核要好，在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入uCOS II將增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，并使得調(diào)試程序變得簡單。以往傳統(tǒng)的單片機(jī)開發(fā)工作中經(jīng)常遇到程序跑飛或是陷入死循環(huán)?？梢杂每撮T狗解決程序跑飛問題，而對于后一種情況，尤其是其中牽扯到復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的話，只有設(shè)置斷點(diǎn)，耗費(fèi)大量時(shí)間來慢慢分析。如果在系統(tǒng)中嵌入uCOS II 的話，事情就簡單多了?？梢园颜麄€(gè)程序分成許多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對獨(dú)立，然后在每個(gè)任務(wù)中設(shè)置超時(shí)函數(shù)，時(shí)間用完以后，任務(wù)必須交出 CPU 的使用權(quán)。即使一個(gè)任務(wù)發(fā)生問題，也不會影響其他任務(wù)的運(yùn)行。這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也使得調(diào)試程序變得容易。在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方面我們將LWIP 協(xié)議移植在COS II 的平臺。LwIP 是Light Weight（輕型）IP 協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行。LwIP 實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP 協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM 的占用，它只需十幾kB 的RAM 和40K 左右的ROM就可以運(yùn)行，這使LwIP 協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。

本次設(shè)計(jì)中將兩個(gè)下行485 的通信、下行RS 232 的通信、開關(guān)量檢測及輸出、直流電壓檢測和直流量測量分別作為獨(dú)立任務(wù)來進(jìn)行處理，并且對其進(jìn)行了任務(wù)優(yōu)先級別的設(shè)置，幾個(gè)通信任務(wù)的優(yōu)先級別設(shè)置較高，開關(guān)量檢測及輸出、直流電壓檢測和直流量測量任務(wù)級別則較低。

2 結(jié)論

本裝置充分利用了互聯(lián)型ARM 處理器，并實(shí)現(xiàn)了uC/OS-II 和LWIP 協(xié)議的移植開發(fā)，從而使測試裝置的生產(chǎn)工藝得到了簡化，運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性得到了大幅度提高，檢測單元取得了使用新型專利，專利號為：ZL 2012 2 0533576.0，測試裝置取得了使用新型專利，專利號為：ZL 2010 2 0528416.8。測試裝置軟件取得了軟件著作權(quán)登記證書，證書編號為：2012SR017014。目前該類產(chǎn)品已在多個(gè)廠家和省計(jì)量中心的終端測試生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

[1] 邵貝貝.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UC/OS-II[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[2] 陳瑤,李佳,宋寶華.Cortex-M3+uC/OS-II 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)入門與應(yīng)用[M].北京: 人民郵電出版社.2010.

[3] 英 Josehp Yin 著,宋巖譯.ARM Cortex-M3 權(quán)威指南[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[4] 彭剛,秦志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3 的STM32 系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2011.

[5] 劉軍.例說STM32[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[6] 張永輝.ARM Cortex-M3 微控制器原理與應(yīng)用[M].北京: 出版社: 電子工業(yè)出版社,2013.

[7] 拉伯羅斯(Jean J.Labrosse)(作者),何小慶 (Allan He)(譯者),張愛華(譯者).嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-3 應(yīng)用開發(fā): 基于STM32 微控制器[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[8] 李寧.ARM MCU 開發(fā)工具M(jìn)DK 使用入門[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[9] 勒加雷(作者),鄺堅(jiān)(譯者)《嵌入式協(xié)議棧CTCP-IP——基于STM32 微控制器[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2013.

[10] 朱升林.嵌入式網(wǎng)絡(luò)那些事: LwIP 協(xié)議深度剖析與實(shí)戰(zhàn)演練[M].北京: 中國水利水電出版社,2012.

[11] 廖義奎.STM32F207 高性能網(wǎng)絡(luò)型MCU 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2012.