低壓集中器系統的研究與設計

范 羽

（肇慶科技職業技術學院，廣東肇慶526020）

2010年初，國家電網公司制定了《關于加快推進堅強智能電網建設的意見》，確定了建設堅強智能電網的基本原則和總體目標，目的就是建設一個強大、堅固、有力、互動、高效、靈便的智能電網（Smart Power Grids）。在這樣的大背景下，再加上近年來國內電子行業發展迅速，各種有線通訊、無線通訊、工業控制技術都得到有效的利用和推廣，為國家發展智能電網奠定了牢固的基礎。在本文中介紹的的低壓集中器系統，就是建設智能電網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據，并進行處理儲存，同時能和主站或手持設備進行數據交換的設備，簡稱為集中器。以本文的設計為例，通俗地說，集中器就是利用低壓電力線載波通訊、RS485通訊收集此系統管理下的各用戶用電的數據信息，再通過相關的運算存儲，定時地通過GPRS無線通訊向主站系統發送需要的相關數據信息，使相關的物業管理機構，能夠實現對用戶用電進行實時監控及遠程自動抄表，使整個管理機構運作更加方便、高效。

1 系統組成框架

在智能電網中，集中器的主要功能，主要體現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，構成整個自動抄表系統。抄表系統框架圖如圖1所示。

主站系統是中心控制環節，管理人員可以通過主站系統的人機界面，向集中器發送操作指令，管理人員想要獲取的各種信息，也是通過主站系統接收集中器發送上來的數據信息。一個主站系統下面可以掛載多個集中器，實現一對多的區域分布式管理。

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

圖1 抄表系統框架圖

各種電能表作為系統的執行終端，負責采集單一用戶的各種信息，包括當前電能表的電能數據、交直流模擬量、狀態量、電能質量統計數據等，這些數據是整個系統的直接數據來源。

集中器是把主站系統和各種電能表聯接起來的紐帶，是整個系統不可或缺的中心環節。首先，集中器會負責采集電能表的各種數據信息，進行綜合處理并存儲；另一方面，需要接收來自主站系統的指令，并返回相應操作信息，或者是轉發主站系統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，需要采集處理的數據信息比較多，所以集中器的設計，無論是硬件平臺還是軟件平臺，都要求能夠保證數據信息的安全性和可靠性。

2 系統硬件設計

系統的硬件設計框圖如圖2所示，主要構成由RAM7微控制器LPC2468為系統核心控制單元，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、外部擴展數字存儲電路、時鐘電路、LED顯示電路組成。

圖2 系統硬件設計框圖

2.1 電路的基本結構

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內核設計的，ARM7TDMI-S處理器運行頻率可高達72 MHz，內部有98 kB片內SRAM和512 kB片內Flash程序存儲器，Flash程序存儲器具有在系統編程（ISP）和在應用編程（IAP）的功能，Flash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用。在此設計中，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上網業務。該模塊與LPC2468的數據通訊主要通過UART串行接口完成的，再配合LPC2468的I/O口連接到模塊的開關機控制腳、復位腳和整個模塊的電源開關控制電路，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，用于電平轉換。

紅外通訊部分，紅外接收管用的型號為KSN1838，紅外發射管用的型號為KSN803，信號數據線分別連接到LPC2468的UART串行接口的接收端口和發送端口。其中發射管部分，還需要一個38 k的調制信號，由LPC2468的一個能輸出PWM波形的I/O口產生。調制信號與串口的發送端口信號，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的載波通訊模塊。該公司設計的載波模塊，算是一個比較成熟的方案，已應用在某些地區的電網中。模塊內置的自動中繼協議，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準異步通訊協議，連接到LPC2468的UART串行端口。

RS485電路中，用于轉換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，對應硬件的設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，數據通訊口采用串行SPI接口，容量為32 Mbit，在此集中器設計中，3片AT26DF321并在一起用，才能滿足數據存儲的空間。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，數據通訊口也是串行SPI接口。以上的Flash和FRAM并聯在一起，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，在電子設計中應用非常廣泛，可靠性比較高。RX8025與LPC2468數據通訊采用串行I2C總線的方式。LPC2468同時會啟動內部時鐘電路，只會定時與外部時鐘對時，以確保時鐘的準確性。

LED顯示電路，與LPC2468相應的I/O口連接，顯示相應信道的通訊狀態。

3 系統軟件設計

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

圖3 系統軟件設計框架圖

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

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

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

（3）抄表任務。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送抄表指令，并依次接收電能表返回的參數。

（4）數據處理任務。對集中器采集的某些數據按設計要求做相應的處理，例如對每日或每月的電量進行凍結、重點用戶用電數據進行曲線處理等。

（5）協議解析任務。集中器系統與主站或者電能表通訊，都是使用相對應的電力行業標準通訊協議，與主站通訊用的是的DL/T 698.41-200X協議，與電能表通訊用的是 DL/T 645-2007協議。因此，主站與兩者通訊時，所用到的數據時，都要調用此任務，實現數據指令與相應數據幀之間的格式轉換。

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

（7）GPRS通訊管理任務。檢測GPRS模塊的網絡狀態，控制GPRS模塊開關機、復位，并處理通過GPRS通訊發送、接收的數據。

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

4 結束語

智能電網的目標，是實現電網運行的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全。電網能實現這些目標，就可以稱其為智能電網。智能電網必須更加可靠，智能電網不管用記在何時何地，都能提供可靠的電力供應。

本文介紹了基于LPC2468的低壓集中器系統的設計，是按照國家電網公司最新發布的《電力用戶用電信息采集系統集中器型式規范》的要求設計的，通訊協議也是按照國家電網公司發布的最新規約。集中器的樣機初步測試已通過，現正在掛網進行長期運行測試。

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