基于嵌入式系統(tǒng)的電力配電柜采集及顯示終端開發(fā)

康盛, 張衍奎, 陳治平

(1.上海電氣自動化設計研究所有限公司, 上海 200023; 2.寧夏凱晨電氣集團有限公司, 寧夏 銀川 750000)

0 研究背景

隨著計算機信息和物聯(lián)網通信技術迅猛發(fā)展，智能配電系統(tǒng)作為智能電網的關鍵一環(huán)，正在快速發(fā)展。美國通用電氣、德國西門子和法國施耐德等國際知名的電氣公司的配送電開關柜已經通過加裝智能模塊、物聯(lián)網設備接入網關及開發(fā)智能設備等方式實現(xiàn)了數據的采集和互聯(lián)，配電數據也可接入云平臺實現(xiàn)大數據分析功能。國內的大型電力設備生產商也在研發(fā)和設計各類智能配電設備，進行高壓開關盤柜智能化升級和布局。

寧夏凱晨電氣集團有限公司的產品以高低壓成套設備、智能箱式變電站、智能開關及數字化智能終端電氣產品為主導，產品覆蓋了電力、水利、通信、工業(yè)、新能源、石化、交通和基礎行業(yè)。隨著智能電網的建設進程加快，作為供電網絡的關鍵設備制造商，寧夏凱晨電氣集團對高低壓開關柜提出了產品智能化和信息化更高的升級要求。上海電氣自動化設計研究所有限公司作為國內最早從事電氣智能化和信息化的研究團隊，在其領域做了大量科學研究和積累了豐富技術經驗。為此，雙方決定開發(fā)一套集成保護儀表和操作的智能終端KC500PT。該終端產品要求集成盤、柜的各類智能儀表和操作面板，實現(xiàn)智能監(jiān)控、人機顯示，同時還可實現(xiàn)與電網的信息互聯(lián)，具備遠程維護功能。

1 開關設備智能終端集成化的原理和功能

按照現(xiàn)有傳統(tǒng)開關柜的基礎標準和智能電網的建設要求，通過開發(fā)基于微控制器的智能監(jiān)控終端，可完成多儀表集成、數字化和網絡化，同時可實現(xiàn)智能采集、傳輸和互聯(lián)。簡化制造過程的繁瑣工藝，加強操作安全和可靠控制，如圖1所示。

本文智能終端開發(fā)目標是將配電柜的保護檢測和顯示操控整合成一體。在分析國內外同類產品性能的基礎上，采用嵌入式智能化技術，面向未來建設智能電網的需求，研發(fā)開關設備智能儀表集成系統(tǒng)，實現(xiàn)高低壓配電設備的電力參數的智能化采集、顯示和傳輸。該智能終端可接入大數據云平臺、實現(xiàn)語音控制和遠程監(jiān)控等智能化功能，為智能電網和分布式能源的實施提供支持服務。同時通過智能化開發(fā)，還可解決目前開關電氣設備布線難、維護難和成本高等工程難題。

本文智能終端分上位機(嵌入式操控屏)終端和下位機(信號采集)終端組成。上位機一改以前的分立元器件儀表組板模式，將傳統(tǒng)控制面板上繁多的控制開關以及指示元件集成于一塊顯示屏系統(tǒng)中，實現(xiàn)智能檢測和人機交互功能，還可以通過總線連接各個回路的電力參數互聯(lián)并顯示在面板上，降低制造工時和成本。由于終端采用可編程的嵌入式系統(tǒng)，因此能用一種模式，通過配置不同參數來滿足各類配電柜的需要。

智能終端的主要部分為核終端，它的原理就主要是基于MCU將配電柜內的各類信號采集、轉換、傳輸和顯示，MCU控制單元分為下位執(zhí)行單元和上位控制單元。

圖1 配電柜智能終端原理圖

智能終端的功能如下：

(1)具備與下位機通過RS485、CAN總線通信功能，進行雙向數據交換。

(2)具備有線、無線通信功能，與外部或中心進行數據傳輸。

(3)具備多屏數據顯示和操作功能。

(4)具備高壓信號采集和報警功能。

(5)具備人體接近提示功能。

(6)基本語音輸入及報警功能。

(7)具備低功耗運行功能。

2 智能終端的硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體架構

開關設備智能終端既要跟下位機通信又要與上位機通信并且需要友好的操作界面，需要具有較強的CPU處理能力。配電柜的工作環(huán)境比較惡劣且長期運行，對智能終端具有超高的穩(wěn)定性和具備惡劣環(huán)境的適應性，需要選擇工業(yè)級以上的硬件芯片，才能保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定可靠。

在國產高性能嵌入式ARM CPU中，以瑞星微和全志為主，其高端芯片性能較強，但是這類芯片的主要應用還是消費類電子產品，如娛樂平板、機頂盒、商業(yè)顯示器以及VR等，但缺乏在惡劣工業(yè)環(huán)境應用的案例。

NXP iMX6芯片具有商業(yè)級、工業(yè)級以及車規(guī)級等多種規(guī)格可選，產品上市已有7～8年，在全球車載市場擁有廣泛的客戶，并在許多工業(yè)和車載項目中得到成功應用，且通過各類抗干擾的嚴格測試。

2.2 各組成部分及功能實現(xiàn)

智能終端硬件包括CPU、PMU、DDR3和eMMC組成的最小系統(tǒng)，具有SPI、I2C、RS485、RS232和Ethernet等通信接口，如圖2所示。

圖2 硬件原理框圖

2.3 主要技術指標

主要技術指標如下：

(1) ARM Cortex A7 架構單核CPU。

(2) 主頻528 MHz。

(3) 512MB LvDDR3。

(4) 4GB eMMC。

(5) 內置硬件看門狗。

(6) 1路全雙工RS485接口與下位機通信，1路半雙工RS485接口與上位機通信。

(7) 1路Reset。

(8) 1路外置USB接口。

(9) 1路標準CAN接口。

(10) 支持10/100M自適應有線網絡，4G全網通。

(11) 1路LVDS接口支持10.1寸大屏顯示。

(12) 1路I2C接口支持電容式觸摸屏。

(13) 采用嵌入式Linux-QT系統(tǒng)。

(14) 運行溫度在-20 ℃～70 ℃。

(15) 2個看門狗定時器。

2.4 主要電路設計

1)主板設計

本系統(tǒng)在高壓柜中采用了低功耗、高抗干擾的主控芯片iMX6UL CPU和STM32F103系列為核心，加上外圍輔助電路構成。通過SPI接口與下位機進行通信和測量，實現(xiàn)測量數據的存儲、與外部設備通信，以及通過LCD顯示必要的信息。外圍電路由電源、晶振、CAN通信接口、LCD液晶顯示屏、JTAG程序調試及下載接口組。主板設計如圖3所示。

圖3 主板設計圖

2)輸入輸出接口設計

終端的輸入輸出接口比較多，主要分為采集和通信兩類，采集接口包括電量信號直接采集和通信信號以及語音輸入信號。

信號直接采集部分增加了信號轉換、濾波和隔離設計，提高了抗干擾能力和電路保護，電路圖如圖4所示。

根據未來擴展需求，系統(tǒng)需要有兩路開關量輸出留作備用。

圖4 信號抗干擾電路圖

故預留開關量輸出接口供后期擴展用,開關量輸出用常規(guī)的NPN三極管實現(xiàn)采樣算法采取多次自適應最小二乘的模式，較好地保證采樣的精度和速度[1-2]。

3)顯示接口設計

觸屏顯示面板采用10寸彩色觸摸屏，分辨率1 024×800，顯示A、B、C三相電壓、電流、溫度、濕度、隔離刀閘的位置狀態(tài)、分合閘狀態(tài)和微機保護狀態(tài)等信息(隔離計數、斷路器計數、接地計數)。各類儀表的表頭顯示及操作界面如圖5所示。

3 智能終端軟件設計

3.1 軟件架構

本終端選取了嵌入式Linux作為軟件操作系統(tǒng)，程序不需要直接和硬件進行交互，最大限度地發(fā)揮了系統(tǒng)資源的使用效率,合理地組織工作流程,使得系統(tǒng)資源能為多處理任務共享。所選取的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的結構是層次化的，由于內核具有獨特的內核模塊機制，因此可以根據需要，實時將某些模塊插入到內核中或者從內核中移走，并能根據嵌入式設備的個性需要量體裁衣。經過裁剪的Linux內核可以很小，并且內核完全開放，不存在黑箱風險，與傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)相比(RTOS)，采用嵌入式 Linux 這樣的開放源碼的操作系統(tǒng)的另外一個好處是Linux會比RTOS的供應商更快地支持新的IP協(xié)議和其他協(xié)議。用于 Linux 的設備驅動程序要比用于商業(yè)操作系統(tǒng)的設備驅動程序多,如網絡接口卡(NIC)驅動程序以及并口和串口驅動程序。嵌入式Linux操作系統(tǒng)可應用于多種硬件平臺Linux可支持X86、PowerPC、ARM、XSCALE、MIPS、SH、68K、Alpha和SPARC等多種體系結構，操作系統(tǒng)采用一個統(tǒng)一的框架對硬件進行管理，軟件架構圖如圖6所示，同時從一個硬件平臺到另一個硬件平臺的改動與上層應用無關，為后期的改型和移植提供了先天的便利優(yōu)勢[3]。

圖5 儀表顯示電路圖

圖6 軟件架構圖

智能終端采用了QT作為圖形界面的基礎，Qt是一種基于C++的跨平臺圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架。對于本文中使用的是Qt的Embedded Linux 分支平臺，它是在原始 Qt 開發(fā)框架的基礎上，做了許多出色的調整以適合嵌入式環(huán)境。Qt/E是一個專門為小型設備提供圖形用戶界面的應用框架和窗口系統(tǒng)，提供了豐富的窗口小部件，并且還支持窗口部件的定制，因此它可以為用戶定制提供美觀的圖形界面。同時Qt/E刪除掉了一些與嵌入式無關的Lib庫，使其相對傳統(tǒng)版本來說更加節(jié)省嵌入式平臺的硬件開支。Qt/E 的良好封裝機制使得 Qt/E 的模塊化程度非常高，可重用性較好，對于用戶開發(fā)來說非常方便。 Qt/E 提供了一種稱為 signals/slots 的安全類型來替代 callback，這使得各個元件之間的協(xié)同工作變得十分簡單。軟件開發(fā)選用了Qt Creator，它是用于Qt/E開發(fā)的輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境[3-4]。

3.2 軟件設計

本終端系統(tǒng)軟件的主要功能是開發(fā)一款智能化集成儀表，將高壓開關柜面板布置，配合柜體內部執(zhí)行元件，實現(xiàn)觸屏控制、柜內數據的智能采集、顯示、傳輸和集成。實現(xiàn)簡潔操作及自動識別的可靠控制，滿足測量數據的存儲，與外部設備通信，以及通過LCD顯示相關的信息。工作流程如圖7所示。

4 結束語

KC-500一體化控制智能終端適用于35 kV及以下電壓等級的交流金屬封閉式開關設備。它具有數據在線監(jiān)測、控制、綜合保護和數據傳輸等功能。該智能終端研發(fā)成功具有革命性的意義，因為它不僅很好解決了傳統(tǒng)開關柜功能零碎、配件眾多、設計重復、線路復雜和生產維護繁瑣等問題，而且該終端能與大數據平臺無縫對接，實現(xiàn)開關設備數據的實時監(jiān)測、故障預警和故障智能分析等功能。它的研發(fā)成功和廣泛應用，不僅很大程度提高了電力開關設備自身的安全性和可靠性，也為國家智慧電網的建設提供了強有力的保障。

圖7 工作流程圖