（电气工程专业论文）基于arm平台的电力负荷管理终端设计.pdf

山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s o c i a ld e m a n df o r e l e c t r i c i t yi si n c r e a s i n gw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i ce c o n o m y h o w e v e r , t h ep r o b l e mo fs h o r t a g eo fe l e c t r i c p o w e rh a sb e c o m em o r es e r i o u sf o rt h el a go fp o w e rs u p p l yc o n s t r u c t i o nb e h i n dt h e d e v e l o p m e n to fp o w e rg n d sw o r ka n de c o n o m i co v e ral o n gp e r i o do ft i m e t h e r e f o r e ， t h ep o w e rc o m p a n yh a ss t a r t e dt op a ya t t e n t i o nt ot h el o a dm a n a g e m e n ts y s t e mi nt h e c a s eo ft h et r u c ho fe l e c t r i cs c a r c e i d e a sf r o m ”p o w e rc u t o f f ”t o ”o r d e r l yp o w e r , t r a d e o f fp o w e r ”，f r o m ”l o a dc o n t r o l ”t o ”r e m o t em e t e rr e a d i n g ，a b n o r r n i t y - m o n i t o r i n ga n d e l e c t r i c i t ys e r v i c e s ” e l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y e t e mi sac o m p l e t em u l t i f u n c t i o n a ls y s t e m w h i c hi n t e g r a t e si n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n dr e a l t i m em o n i t o r i n ga n d w h i c hb a s e do nt e c h n o l o g yo fc o m p u t e r , m o d e mc o m m u n i c a t i o n sa n da u t o m a t i c c o n t r 0 1 i ti s c o m p o s e d o f e s m a s t e r , c l i e n t - s i d el o a d m a n a g e m e n t t e r m i n a l ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt o a st e r m i n a l ) a n dc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb e t w e e n m a s t e ra n dt e r m i n a l t h r o u g he f f e c t i v el o a dm a n a g e m e n tn o to n l ye f f e c t i v e l yc o n t r o l p e a kl o a d ，b u ta l s oi m p r o v et h eo p e r a t i o no fe l e c t r i cl o a d ，r e d u c et h eo p e r a t i o nc o s t s o ft h ep o w e rs u p p l y , a n ds o l v et h el o n g - t e r mp r o b l e mo ft h ep o w e r s h o r t a g e i no t h e r w o r d s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e ta n dc o n t r a d i c t i o nr e m i s s i o n b e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n d ，e l e c t r i cp o w e rc o n t r o ls y s t e me v o l o v e st oe l e c t r i cp o w e r m a n a g e m e n ts y s t e m t h et h e s i s b r i e f l y i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n t h i s t o r yo fp o w e r l o a d m a n a g e m e n ts y s t e ma sw e l la st h ec u r r e n tt e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fp o w e rl o a d m a n a g e m e n tt e r m i n a l ，c o m i n gu pw i t ht h ec o n c e p td e s i g na n dd e t a i l e dc i r c u i td e s i g n o f p o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l f i n a l l yt h et h e s i s ，b o n d i n gn e t w o r kt e s to ft h ec u r r e n td o m e s t i ce l e c t r i c i t y l o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l ，a n a l y z et h ep o i n ti nt e s t sa n di n t r o d u c ef e a s i b l em e a s u r e s a sf a ra ss o m ec u s t o m e r s sp a r t i c u l a rr e q u i r e 1 1 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n t ；a r m ；g p r s ；r e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ( r t o s ) ；e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ； i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨逆壹 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：理逛壹导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 近几年来，随着国内经济的迅速发展，社会用电需求不断扩大。但由于电网 建设长期滞后于市场和经济的发展，电力短缺的问题日益严重。因此，在电力紧 缺已成事实的情况下，电力公司开始重视起负荷管理系统。思想观念也从“拉闸 限电”转变为“有序用电、错峰用电”，从“负荷控制”转变为“远方抄表、异常监测 和用电服务”。 电力负荷管理系统是以计算机应用技术、现代通信技术、电力自动控制技术 为基础的信息采集、处理和实时监控系统。由系统主站、客户端负荷管理终端和 主站与终端间的通信信道组成。通过有效的负荷管理，可以有效控制高峰负荷、 移峰填谷、缓解日益扩大的“峰谷差”所带来的低用电效率，也对提高电力负荷的 经济运行、减少电力供应侧的运行成本、解决大面积的电荒问题都具有现实和长 远的好处。 1 2电力负荷管理系统的发展史 电力负荷管理系统在我国创建于2 0 世纪8 0 年代当时由于电力供需矛盾突 出所以要求各地建立电力负荷控制系统。并规定监控负荷必须达到当地总负荷 的7 0 ，紧急情况下一次遥控命令可控下1 0 的负荷。当时在国家无线电管理 委员会( 简称无委会) 支持下，在2 3 0 m h z 频率内特批1 5 个双工频点、1 0 个单 工频点作为无线电力负荷控制系统专用频率分配到各地区直至县电力局，并规 定各地频率的使用必须报请省电力局无委会审批，并报地方政府无委会备案。 自2 0 世纪9 0 年代以来，中国开始引入需求侧管理，电力负荷管理做为需求 侧管理的一个重要组成部分也得到了大力发展，从最初的单向控制到双向采控， 从单纯的遥控功能发展到集遥控、遥信、遥测等多项功能于一体的较为完善的用 户侧网络，它为推动d s m ( 需求侧管理) 迈向现代高效提供了强大的技术支持。 特别是在2 0 世纪9 0 年代中期的初始阶段，为合理安排负荷、平滑负荷曲线、催 山东大学硕士学位论文 收电费( 许多地方当时把这当作最主要的功能来使用) 起到了较好的作用。但在 随后几年电力供需短暂平衡的大环境下，当初投资少则几百万，多则几千万搭建 起来的地区负荷管理系统在很多地方被压缩甚至撤消。 实际上它做为实现d s m 现代化的重要技术手段，无论对电力企业本身，还 是对整个社会而言，都具有明显的经济效益和社会效益：通过有效的负荷管理， 可以有效控制高峰负荷、移峰填谷、缓解日益扩大的“峰谷差”所带来的低用电效 率，也对提高电力负荷的经济运行、减少电力供应侧的运行成本、解决大面积的 电荒问题都具有现实和长远的好处。 近几年来，随着国内经济的迅速发展，社会用电需求不断扩大。但由于电网 建设长期滞后于市场和经济的发展，电力短缺的问题日益严重。在此背景下，电 力负荷管理系统有得到了长足的发展。 由于电力负荷管理系统的管理对象为使用电能的用户端，这些管理对象的突 出特点是数量大、分布范围广、受地形地貌等影响较大，如何解决电力数据采集 后进行通讯的问题就成为了系统的关键，随着通信技术的发展，无线公用通讯网 凭借着网覆盖面广、运行可靠、抗干扰能力强等优点在电力负荷管理系统中占有 越来越大的比重。 利用无线公用网组成的电力负荷管理系统和现有的其它类似系统相比，在系 统可靠性、抗干忧性、稳定性、组网便捷性，可维护性，功能扩展性等方面均具 备明显的优越性，并可降低运营成本和劳动强度，实现电力系统的多级联网。当 然采用无线公网必须特别注意的是系统数据的安全性，在这方面采取多级防护措 施，设计合理的层次网络，加强系统的管理，可以有效的解决这个问题。 1 3电力负荷管理系统的结构及要求 目前电力负荷管理系统的现场终端设备一般要求采用3 2 位处理器、实时操 作系统、可插拔的通讯模块，通过r s 4 8 5 线连接客户多功能电子表或与主进线 电流、电压互感器连接，直接采集客户各相功率、电流、电压等实时数据资料， 再通过g p r s c d m a 局域网等多种传输通道，与后台主站进行通讯。客户数据 资料可集中后台主站进行维护，系统使用者采用w e b 进行数据提取和实现各管 理功能。整个系统的结构示意框图如图1 1 所示。 2 山东大学硕士学位论文 图1 - l电力负荷管理系统结构示意图 1 主站要求： 主站硬件设各采用标准化设备；操作系统和数据库等采用技术成熟的主流软 件；应用软件满足规范要求，保证稳定性、安全性、开发性，满足系统应用、维 护及不断优化、升级的需要。 主站面向终端设各提供可靠的开放性接入标准，充分考虑资源利用和运行性 能的优化。 主站采用先进和安全的数据处理软件技术，满足并方便营销管理所需要的各 种应用。 2 终端要求： 终端能完成对客户端实时用电数据、计量工况和事件的采集，并及时向主站 传送采集的数据和信息。用于结算电费的相关数据直接从计费电能表读取，符合 国标计量认证要求。 终端能对客户端的配电开关实施控制，实现用电负荷就地闭环控制，接受主 站的遥控命令完成遥控操作等功能。 擘黔罪鲈翼轳 山东大学硕士学位论文 终端能为客户提供电网供应、电能使用、负荷管理等信息服务。 终端具有海量数据存储容量和信息处理能力，确保满足数据采集的完整性、 控制功能的实时响应及高可靠性要求。 3 通信信道要求： 系统主站通过通信信道与终端实现数据交换。通信信道的选择必须保证系统 运行的安全性、可靠性、实时性等技术和管理要求。 通信信道必须具有可靠的抗干扰特性及有效的差错控制技术和数据保密措 施，保证数据通信质量。 实施负荷控制功能的，应使用专用通信信道，以保证控制操作命令的传输符 合可靠性、安全性和实时性的要求。 1 4电力负荷管理终端的发展趋势 电力负荷管理终端作为系统中的重要组成部分，可利用和发展的新功能：除 了最基础的功能：遥控、遥信、遥测之外，现在又增加了一些新功能、新模块。 1 远方自动抄表 以前电力负管系统的主要功能是负荷控制和数据采集，随着电力体制改革的 不断深入，传统的人工抄表已远远不能满足现代化营销工作的需要。负管系统现 有的无线通道资源和终端设备已经具备的功能，可以完全实现全部大用户的远方 自动抄表，这解决了人工抄表所带来的错抄、估抄、漏抄等问题，提高了劳动生 产率，节约了大量的抄表人工成本，带来直接的经济效益。 2 负荷电量分析和预测 电力负荷预测的准确性主要取决于基础资料、预测方法、预测手段等，这其 中基础资料的正确、丰富尤其重要。而电力负荷管理系统的基本功能就是数据采 集，它所采集的用户侧数据是必不可少的一手基础资料，而且及时准确。它不但 能够采集用户的负荷、电量、电压、电流等各类用电数据，而且通过远方抄表功 能可实现每天各用户2 4 个( 有的甚至可以达到9 6 个) 点的采集值。系统丰富的 数据资源可以对不同类型用户的历史数据分别建立各自的负荷结构类型，实现对 每个用户进行单独分析预测，并单独控制预测误差，然后根据总加的方法很容易 得出供区的预测负荷。当然，为提高预测的准确性，要解决系统覆盖面过低的问 4 山东大学硕士学位论文 题，在系统达到了验收标准中“监控本地区7 0 8 0 的负荷”的要求后，再结 合调度s c a nd a 系统的地区数据，计算出的分类用户预测值还是比较准确的。 要实现这一覆盖要求，需要在现有基础上将公用配变电能数据和居民集抄系统的 数据利用同一信道加入到电力负荷管理系统中来。而且还可以利用这些丰富的基 础数据，对各类用电进行典型性分析、趋势性分析，对提高中长期负荷预测的准 确性也大有好处 3 反窃电 随着技术的进步，窃电行为也从常规窃电发展到有组织的企业经营窃电、技 术窃电，甚至出现职业窃电者，专门传播窃电技术、安装窃电技术装置。据估算， 2 0 0 3 年全国仅因窃电造成的损失就高达3 0 多亿k w h ，而被发现抓获的不到2 0 ，传统的人工巡视检查的反窃电方法既费时也很盲目，已不能适应新形式发展 的要求。电力负荷管理系统的在线监视功能可以及时发现窃电行为，其基本原理 就是在同一回路的不同点分别采集电量信息并传回主站，主台软件对2 个不同采 集点的电量值相比较，结合该用户实时数据和历史数据进行分析，如果两个点的 采集误差超出正常范围时，很容易判断有窃电行为发生，这时有的放矢地出动抓 窃，往往一抓就准，比起传统查窃方法既省力又更具威慑力。 4 谐波监测 工业用电中的大量非线性设备如电力机车、炼钢电弧炉、高频炉等在使用电 力系统的基波能量的同时，也在向系统倒送大量的高次谐波，使得基波波形畸变， 电力质量下降、严重时还会导致继保误动、发电机过热等事故。并联电容器能为 减少这种谐波危害起到一定的抑制作用，但过强的高次谐波也会导致电容器过 热、过压甚至损坏，一旦电容器损坏将危及其它电力设备的正常运行甚至造成系 统故障。因此加强对用户谐波的监测显得很有必要。利用现有的电力负荷管理系 统将用户侧的高次谐波信息传回主站，这些有较高危害的谐波就始终处于监控之 下，一旦有异常，可以及时准确知道，得到及时处理，减少可能带来的危害和损 失。 5 配变综合监测和集抄转发功能 为了实现电力营销的现代化，必须掌握配电网的运行状况。公用配变综合监 测系统可以实现1 0k v 线路上公用配变的监测。对监控供区内的用户变压器，可 山东大学硕士学位论文 以通过现有的电力负荷管理终端采集其数据并用现有的无线通道传回主站进行 统一分析、处理。而且配变监测终端可直接做为附近区域集中抄表系统的集中转 发器，节省大量的单建用户集抄系统所花费的重复投资。 1 5 论文的主要工作 论文基于目前和未来几年电力系统的需求，参照国内外先进的电力负荷管理 终端的设计思想，遵循相关标准、规范，同时结合我国电力工业用户的实际运行 情况展开研究和开发工作。主要完成了以下几方面的研发工作： 针对国内电力市场的需求，详细介绍了电力负荷管理终端的总体设计方案和 详细的电路设计。 结合目前国内电力负荷管理终端的入网测试检验，对各种试验的难点进行了 分析并介绍了针对性采取地解决措施，而且还对部分用户提出的特殊技术指标提 出了解决方案。 6 山东大学硕士学位论文 第二章电力负荷管理终端结构设计 2 1 终端外形尺寸 根据实际的需要，公司研制出了新型的电力负荷管理终端( 型号是 d f 6 2 0 3 以下简称终端) ，其设计的外形尺寸为：2 9 0 m m x l 7 6 m m x l 0 2 m m ， 外形结构图如图2 1 所示。 终端上部有挂钩螺钉孔，下部有两个安装孔，可用螺钉将终端固定安装 在屏体等处，具体的安装开孔尺寸如图2 - 2 所示。 瓜 r o o l _ 。| | i ：；钏 o _ l 兰：0 1 回甲剧 目兰 p ? 图2 - 1 2 2 外壳与端子 图2 - 2 终端外壳紧封，能保护终端内部各部件不受脏物等侵害和不受机械损伤，其 外壳密封防护等级满足g b 4 2 0 8 中i p 5 1 防护等级要求。 上盖与底座能各自封印，只有在拆开封印后，才能打开上盖，触及内部器件。 上盖有透明窗口，可以通过液晶观察终端工作状态和读取显示数据。 终端外壳选用阻燃a b s ( 丙烯晴一丁二烯一苯乙烯共聚物) 材料。 山东大学硕士学位论文 端子排列遵循强电、弱电左右分开或上下分开的原则，整体排列顺序为交流 采样端子、控制输出端子、弱电端子排和扩展端子排。 交流采样回路：电流和电压端子组成交流采样端子排。 控制输出端子：分为两轮次控制与报警输出各一组。 状态输入端子、脉冲输入端子、有功无功脉冲输出测试端子、r s 4 8 5 通信 端子与门接点端子，组成弱电端子排。 端子座采用绝缘、阻燃、防紫外线的注射型酚醛树脂制成，具有足够的绝缘 性能和机械强度。 2 3 终端面板 终端主面板如图2 3 所示，由液晶、按键、状态指示灯、红外通讯口、标牌 等组成。 西喇嘲峨。 苫琴琴笞 o o 功控毫拉i 撞控 状oo0 o i 棺2 转3 靶艳 毒oo o o 厂、 、，、 d f 6 2 0 3 电力负荷管理终端丛当丛三j 丛生 口屉d 1 2 惦6 2 口声明1 3 0 _ h t 。、_ ，v ， l 口i ；磊i 一 皿 j 一鳝讯告t o oo 名 称：d f 6 2 0 3 电力负荷管理终端 规格；兰相四绒3 x 2 2 0 , 3 8 0 v3 x 1 5 6 m 生产序耐号： 生产日期： 用户序隽曩 设鲁编号， 黼方丸。 、 鞘 中国烟台东方威思顿电气有限公司 y a n t a id o n g f a n gw i s d o me l e c t r i cc ol t d 图2 3 通信及维护控制部分在标牌下，如图2 4 所示，由通信模块、电池、维护接 口、电源开关、控制开关等部分组成( 其中的通信模块随具体的配置而不同) ： 山东大学硕士学位论文 2 4 按键功能定义 图2 4 主面板上有6 个按键：+ _ 键、_ 键、t 键、【键、e s c 键、e n t 键，其中4 个箭头键用于移动光标或翻查数据( 特殊情况下也用于数据输入或删除) ，e n t 键确认，e s c 键取消或返回。 功能键如图2 5 所示，包括遥控开关、编程开关、复位按键和设置按键。 图2 5 9 山东大学硕士学位论文 2 5s i m 卡嵌入方式 终端内部结构设计选用翻盖式s i m 卡座，可以保证s i m 卡接触可靠。能够 保证在不打开终端封印的情况下无法进行s i m 卡的安装与更换。 2 6 天线引入方式 天线馈线接口采用紧固件固定于终端内部，留足安装空间，其引入方式保证 了必须先打开终端封印后才能够使天线由终端上拔出或拆下。 2 7 封印 终端可以在关键部位进行封印，只有拆除封印，方能进行接线、更换天线、 更换通信模块、更换s i m 卡、编程按键、内部维修等操作。 1 0 山东大学硕士学位论文 第三章电力负荷管理终端硬件设计 3 1 系统整体设计方案 整个系统的开发分硬件系统、软件系统两部分，硬件系统以专用原则为主， 保留一定的扩展接口；软件系统在“简单、可靠、可扩展、可裁减、可升级、可 跨平台移植”总体设计原则之下，采用分层设计，模块化编程，每层的功能相对 独立，逻辑上只与相邻层进行耦合，不允许跨层操作。 整个系统的设计视图如图3 1 所示： i应用层 l n i 通用平台层 n i b s pj 罢 t 广可丁 系统硬件 图3 - 1 系统设计框图 系统硬件是应该具有良好的可靠性、抗干扰性能 b s p 层作为硬件驱动接口，负责管理系统硬件的正常工作，可以根据硬件的 调整进行选择、更改。 通用平台层作为整个项目软件的主体，为应用层提供数据管理等接口，管理 bsp 层，是系统的核心部分，在跨平台、跨领域应用的过程中基本保持不变。 应用层实现系统实际需求，与通用平台层之间有统一接口，功能可以方便的 扩展和裁减。 3 2 硬件总体设计方案 整个系统的硬件设计框图如图3 2 所示： 山东大学硕士学位论文 圈圈 圈圈 图3 2电力负荷管理终端硬件设计框图 3 2 1c p u 核心模块 该模块主要由m p u ，f l a s hm e m o r y ，s d r a m ，构成了c p u 的核心模块。 1 c p u 使用的m p u 为o k i 公司推出的基于a r m 7 内核技术的微控制器产品 m l 6 7 q 4 0 0 3 。其中包括3 2 k 字节r a m 、5 1 2 k 字节f l a s h 和定时器、p w m ( 脉 宽调制) 、u 川 玎( 通用异步接收器、发送器) 、1 2 c 、w i y r ( 看门狗定时器) 、g p i o ( j i 匿 用i o 端口) 、模数转换器、d m a 控制器和s d r a m 控制器等资源。 图3 3 是其功能框图。 1 2 、ii_-il_lliii_illili_-illj、_i_il_llii_i_ii_iilil-l_l 一 信号采集电路 一 一刃a网络 一 _ll_-lli_-_ll_lll_i_，i_ll-_i_l_li_i_lli、 山东大学硕士学位论文 丑l o c kd i a g r a m t d l t d o 闻r r s t n # s 1 k i r 哇射删r a 瞄 3 2 k 8 i j p u 汀- t b 砧嘲玎o 鞠 ” 缸3 删 ”女t 7 越喝 脚 嬲8 a 年g0 0 s d r 耘c i i i i l i d m m m i l i m l l l m a i d 一 一 i n 耋e r r , a df 酗c p ) f l a s hr o m m 埔7 0 4 0 0 2 ：2 5 8 k b m l 8 7 0 4 0 0 3 ：5 1 2 k b il 一 - 一 b o o t r o 期 4 ( e 轧l _ 勘鳓il “。 翔嚷8 是l s 驿磐钎 1 r艄l | 熬 弘嘲 r e s e t _ n 。一 p i 唧】，s t x d p i o b 7 ，副珊 o s 0 0 0 8 c 1 f j c k o en c 摊0 v i ： d _ c o r e v d d j o g n d 鬟渤 a g n d d r 灿+ e _ n t e s t b s e “i ：o i f w r j s e l s & l 既 舻b 呦 爿，bb u s 2 d 铀i c 2 到 貉5 辫r 一r 习si o _ ；s - h 鞘o 图3 - 3m l 6 7 q 4 0 0 3 功能框图 2 5 p p p p p p l o 暾罐，c r e q 0 1 p t o s 2 ；，d r e q i l p i o b f l l ， p i o 隧3 l ， d r e c i c l r ： 0 d r e q c l r t l l p i o b 4 ，t c o u t o i p l 蝴，t c o u t i | p i o c i 啊1p w m c x q i 蠲 ，8 i n f s a r r ? c t s ，d s r ，d c d ，o t r ，r t s ，r l m o e 0 ，s c l k p l c 旺 1 ，s d r o e 淄，s d o 船懿；戤 2 s d r a m s d 洲使用i s s i 公司生产的i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，该芯片容量为2 5 6 k x l 6 b i t ， 具有高速低功耗的特点，支持3 3 v 单电源工作。 3 f l a s h 采用板载2 片a t m e l 的d a t a f l a s h rn - - 丁以支持8 m 字节容量，能 1 3 萼署 山东大学硕士学位论文 够直接写入数据，无需读数据后擦除苒写入，能够节省时间；对于更大的容量 需求，采用可拔插的s d 卡用于终端参数和电能量数据的存储；容量范 围是8 m 5l2 m 字节。 3 。2 2 复位电路 看门狗技术是监测应用程序中的一段定时中断服务程序的运行状况，当这段 程序不工作时判断为系统故障，麸而产生系统复位。 系统复位控制由d s l 7 0 6 完成，d s l 7 0 6 复位源有3 3 v 电压跌落、 w a t c h d o g 、外部手动功熊。其中w a t c h d o g 的喂猗输出亩数据线d 5 提供， 程序应输出不低于1 h z 的方波信号，该信号同时驱动r u n 指示灯。 图3 4 必d s l 7 0 6 的功能框图。 粕 瓣黼斡 瓣 图3 - 4d s l 7 0 6 功能框图 c p u 内部也可以产生复位信号，复位整个c p u 插件。c p u 蠢部复位源包括 软件看门狗复位、双总线故障复位、时钟丢失复位和r e s e t 指令等，其中软件 看门狗可壶系统傈护控制寄存器设定，它能监褫c p u 的主程序死、中断服务程 序死。 硬件看门狗的目的是保证c p u 死枧时闭锁遥控。硬件看门狗只用于闭锁遥 控。在闭锁遥控方面，作为软件看门狗的后备功能。 硬件看蠢狗集成在d s l 7 0 6 上，看门狗通过其输入端w d i 监视微处理器的 工作。当w d i 端保持高电平或低电平，而且在监视跟踪定时器的溢出时间内( 通 常1 6 s ，可设置) 不被触发，则输出w d o 和w d p o 变为有效。w d o 保持低 电平有效直到w d i 发生下一次跳变，当w d i 悬空或r e s 有效时，w d o 保持 1 4 山东大学硕士学位论文 高电平，当v e t 低于门槛电平或备用电池有效时，w d o 也保持高电平。此时监 视跟踪定时器处于清零不计数状态。一旦复位信号无效且w d i 被驱动至高电平 或低电平，监视跟踪定时器开始计数。w d p o 是看门狗脉冲输出，w d p o 领先 、舳o7 0 n s 输出一个最小宽度l m s 的脉冲。看门狗输入w d i 能够分辨最小到 l o o n s 的脉冲输入变化，看门狗默认的溢出时间可以通过配置s w t 来设置，当 把s w t 接到v o u t 上时，就是默认的溢出时间1 6 s 。还可以在s w i 和地之间加 一个电容，来调整溢出时间。不要把s w t 悬空，也不要把它接地，下面的公式 可以确定溢出时间：溢出时间= 2 1 容值( 单位是n f ) m s 。 3 2 3 交流采样电路 a d 7 3 3 6 0 是一个六通道模拟输入前端处理器，适用于通用领域如工业电力 计量或多通道模拟输入。其特点是具有六个1 6 位a d 转换器，每个转换器在声 频信号带宽内的信噪比为7 0 d b 。另一个特点是具有一个可编程的输入增益放大 器( p g a ) ，增益可设置为从0 d b 至3 8 d b 的八个级别。 a d 7 3 3 6 0 尤其适用于工业电力计量，因为每个通道均同步采样以确保通道 间几乎不存在时间( 相位) 延迟。a d 7 3 3 6 0 的所有通道都具有低群延迟( g r o u p d e l a y ) 转换的特点。 片内基准电压允许a d 7 3 3 6 0 用单电源工作，该基准可被编程以适应3 v 或 5 v 电源工作。 器件的采样速率可用4 个不同的设置值编程为6 4 k 、3 2 k 、1 6 k 和8 k h z 采样 速率( 主时钟为1 6 3 8 4 m h z ) 。 串行口( s p o r t ) 使得单个或级联器件可很容易地与工业标准的d s p 接口。 s p o r t 传输速率也可编程以满足快速和慢速d s p 接口要求。 a d 7 3 3 6 0 的通信接口s p o r t 采用帧同步方式串行通信，不能直接与c p u 接 口。本设计中采用一片c p l d 将s p o r t 接口转换为并行口接入c p u ，c p u 通过 d m a + 中断方式与a d 通信。 图3 5 为其功能框图。 1 5 山东大学硕士学位论文 眨二v | 惑8 卜宦 r、。i i ， ：i 变二 玉卜b s e r ；鑫l f ? o p o r 童 p厂 一li ，i 壁- | 漱- 匠7 l 一一， 一亡_1 ， l r 喜倍r 岳n o ol - - - - _ - - - _ _ _ _ _ 、一 1a d 7 3 3 6 0 一 广 一 卜、。 ：i 受= | 漱- b 万二l 漱a 卜臣 一i l 一 鎏：i 法卜位 s o i s d l f s 8 c l k s d o s d o f s 图3 5a d 7 3 3 6 0 功能框图 交流采样为定点采样，每周波采样1 6 点。交流通道具有二阶低通滤波和电 压跟随电路，二阶低通滤波的截止频率为3 9 7 h z ，能采到工频的7 次谐波。为了 满足采样定理交流信号在接入a d 转换芯片前经过了二阶r c 低通滤波回路。虽 然r c 滤波器的传递函数局限性很大，任何无源r c 网络，传递函数极点永远只 能位于s 平面的负实轴上，因此频率特性总是单调衰减的，无法做到通带平坦和 过渡陡峭。但它也有一些长处：结构简单、可靠性高、能耐受较大的过载和浪涌 冲击等。 3 2 4 遥控电路 根据大多数电力负荷管理终端的需求，c p u 插件上配置了4 路遥控回路。 图3 6 为遥控回路功能图。遥控回路分两部分：控出回路和自检回路。 1 6 嚣旺 一 一 一 一 一 一 一 一 一 山东大学硕士学位论文 图3 - 6 遥控功能图 性能指标： 控制回路：4 路，非自保持输出( 要求均支持开合双位置状态) 告警输出：1 路，常开非自保持输出 触点容量： a c2 2 0 v 5 a ，d c3 0 v 5 a 绝缘耐压： 2 0 0 0 v 4 路遥控带防误输出，告警继电器不带防误输出 防误原理：电压比较器监视对象继电器线圈的电流，无预置时采样电阻电压 应为0 ，否则显示遥控电路故障。 有一路遥控对象预置时窗口电压比较器判断是否只有一路线圈通电，否则如 两组以上通电则自动闭锁遥控执行负压产生线路，并显示遥控电路故障。如无一 路线圈通电则显示遥控电路故障。如正常则返回遥控返校正确。 遥控的执行采用负压驱动原理，由c p u 的i o 输出方波信号经整流电路产生 负压，驱动执行电路。该负压的产生可在中断中进行，但每次产生跳变时终端服 务程序都应判断各种条件，以防止程序走飞造成误动作。 遥控的动作时间应可设。 遥控继电器采用松下的j w 2 s n 1 2 v ，它有两组c 型接点，接点耐压1 0 0 0 v a t ， 将两组接点串联起来以提高耐压到2 0 0 0 v a c 。 输出常开和常闭接点通过输出电缆的插簧插在p c b 的不同位置来确定，以 满足不同用户的要求。 遥控回路是由弱电信号经过继电器去驱动现场的高压控制信号，遥控回路的 抗干扰设计尤其重要。本系统遥控控制逻辑由现场可编程逻辑器件 1 7 曰 i_i 山东大学硕士学位论文 e p m 7 1 2 8 s q c l 0 0 1 5 编码完成，经过光耦隔离后由三极管驱动继电器。光耦前端 为5 v 系统，低有效导通；二次侧为2 4 v 。遥控回路具有足够的驱动能力、上电 和掉电过程中能够闭锁出口、装置异常或死机时能够闭锁出口。图3 7 为遥控原 理图。 图3 7 遥控原理图 遥控回路通过光耦隔离，实现了主板与出口板的电气隔离，成本低，抗干扰 性及可靠性高，耐压等级高。光耦内部的三极管与v l 组成达林顿结构，增强了 驱动能力，可以可靠的驱动继电器。二极管v 1 有效地避免了反向电压加在三极 管v 1 上。二极管v 2 使得各遥控回路保持独立，在自检时不致相互影响。为了 防止遥控不误出口、不拒动，遥控回路设有自检回路，图3 8 为自检回路原理图。 图3 8 遥控自检原理图 该回路体现了装置的硬件故障自动检测功能，利用脉冲测试，定时自检，可 以进行遥控常通和遥控常断故障检测。从而方便于判断出遥控回路异常导通( 如 光耦击穿等) ，遥控回路不能导通( 如虚焊等) 现象。装置上电运行后就执行自 检及保护功能，检测出异常时( 遥控常通和遥控常断属于装置故障类型) ，执行 以下过程：1 ) 遥控功能退出：退出所有遥控功能；2 ) 告警输出：装置驱动告警 继电器的一对常开接点发出告警信号，装置前面板告警灯点亮。3 ) 装置对告警 情况在通信口自动产生告警报告，同时将报告存入装置报告区。4 ) 装置在液晶 屏上显示故障信息。 1 8 山东大学硕士学位论文 3 2 5 时钟电路 电力负荷管理终端对时间精度的要求一直很严格，在装置长时间运行后各终 端之间的时间会出现偏差，在遥控和交采时较大的时间偏差会影响电量的计算， 所以系统运行时间的准确性非常重要。 目前电力系统的时间系统主要依靠g p s 卫星对时来保证电力系统时间的一 致性，为保证系统正常运行在实际运行时系统中采用了多种辅助时间系统。主要 由三部分组成：独立运行的低精度时钟；规约对时系统；g p s 采用的秒脉冲对时， b 格式对钟。独立运行的低精度时钟设计时为了在装置短时断电的情况下保证装 置时间运行正常，当装置重新启动时读取独立运行的时间信息保证系统年月日时 分秒偏差不大。另外该系统还接收规约对时，规约对时系统是为了在g p s 故障 时短期内保证站内时间系统的一致性。该种对时方式依赖于通信规约。 电力负荷管理终端的时钟采用日本e p s o n 公司生产的内置高精度调整 的3 2 7 6 8 k h z 水晶振子的1 2 c 总线接口方式的实时计时器r x - 8 0 2 5 ，可产生不 同周期的中断脉冲信号，该芯片具有体积小，工作温度范围宽，抗干扰能 力强等特性；可广泛应用于各种仪器仪表。 3 2 6 数据采集电路 数据采集电路采用一片s c l 6 c 2 5 5 0 b 扩展两路u a r t ，用来完成标准配置的 r s 4 8 5 通信接口。s c l 6 c 2 5 5 0 b 是用于串行通信的2 通道通用异步收发器 ( u a r t ) 。它的基本功能是将并行数据转换成串行数据，反之亦然。u a r t 可 处理高达5 m b i t s 的串行数据。 s c l 6 c 2 5 5 0 b 的管脚与s t l 6 c 2 5 5 0 兼容。上电后的功能等效于1 6 c 2 4 5 0 。 s c l 6 c 2 5 5 0 b 还提供了一些增强型u a r t 功能：1 6 字节f i f o 、调制解调器控制 接口、d m a 模式数据传输。d m a 模式数据传输受f i f o 触发点、t x r d y 和 r x r d y 信号的控制。片内的状态寄存器为用户提供错误指示和器件的工作状 态。可通过软件对系统中断和调制解调器控制特性进行调整来满足特定的用户要 求。内部的环回功能实现了片内的故障诊断。独立的可编程波特率发生器可用来 选择发送和接收的波特率。图3 9 是其功能框图。 1 9 山东大学硕士学位论文 翻颟芍悍西 胃蕊胃愿 a 啊刁；曙l 0 r o i t 墨 孵蕊 丽蕊 馕藏筏穿墨 图3 9s c l 6 c 2 5 5 0 b 功能框图 终端可以提供2 个r s 4 8 5 口，其主要功能是采集数字电能表的数据。 r s 4 8 5 的接口芯片采用了t i 公司r s 4 8 5 接口芯片s n 6 5 l b c l 8 4 d 。时钟与 c p u 相同( 1 9 6 6 0 8 m h z 或9 8 3 0 4 m h z ) ，可实现常用波特率的无偏差分频。 r s 4 8 5 口的电源与c p u 的电源完全隔离，通讯信号线从u a r t 输出后通过 光耦隔离进入通讯电源部分；从外部来的信号也通过光耦隔离后进入c p u 电源 供电的u a r t 。 通过采取此隔离措施将通讯口故障对内部电路的影响减少到最小。 3 2 7 遥信电路 根据大多数电力负荷管理终端的需求，电力负荷管理终端上配置有8 路遥信 回路。遥信电路采用1 2 v 设计。 作为8 位i o 外设由c p u 通过2 4 5 访问。每路输入有1 0 毫秒的硬件滤波时 间。 山东大学硕士学位论文 在主电源停电期间可有锂电池供电工作( 用于反窃电) ，可通过c p u 控制 y x 电源的开闭，以节省电能。 图3 1 0 为遥信回路功能图。遥信电路设计具有防抖动、防低电压启动、防 过压等功能。有较强的抗干扰能力和自我保护能力。 防低压 回路 图3 1 0 遥信功能图 图3 1 1 为遥信原理图。遥信设计应保证在6 5 的额定遥信输入电压下遥信 正常采集动作。 图3 1 1 遥信原理图 该电路元器件选型如下： r l ：选用w e o s 4 5 0 5 8 a 双向瞬态过电压保护器件。该器件具有防过压功 能。该器件专为通信设备防止雷电及其他瞬态过电压损坏而设计，其特点是双向 浪涌电流吸收，能快速响应，可重复使用，低寄生电容，精确的导通电压。不选 用t v s 的原因：相比于t v s ，当w e o s 4 5 0 5 8 a 两端电压高于导通电压v b o 时，电压迅速降低至很小值，因此更有利于保护整个遥信回路。 r 2 ：为限流电阻，当外部遥信电压信号经过本电路上的电阻r 2 限流后驱动 光电耦合器的发光二极管发光，使光电三极管导通。r 2 的选用原则为：r 2 = ( u i n u r ) i ( k q ) 其中u i n 为现场信号高电平电压值，u r 是加在 2 l 山东大学硕士学位论文 光电耦合器上的电压值。一般u r 取值为1 1 v 左右，i 是流过发光二极管的电 流，一般取5 2 0 m a 左右。 r 3 ：分压电阻，可防止低电压启动。 c l ：滤波电容，滤掉高次谐波，防抖动。 e l ：选用t l p 4 2 1 1 光耦，可靠实现与被测对象和现场环境的电气隔离。 该电路经过试验情况如下：遥信电压7 9 v ( 6 5 8 额定电压) 遥信可靠启动； 遥信电压7 7 v ( 6 4 2 额定电压)遥信可靠断开。完全满足设计要求。 3 2 8 通信模块 终端远程通信部分采用模块化设计，更换通信模块可使终端通信方式在 g p r s 和c d m a 之间进行切换，更换通信模块时不需要更换终端其它部分，通 过终端界面即可配置通信模块类别和设置网络参数，通信模块更换后应能自动识 别网络并自动上线。 目前我国的无线公用网络主要是g s m g p r s 、c d m a 等。这里主要以相