一種新型的智能臺區監控終端開發

張明明，秦平，陳永進，賈恒杰，王兆健

（1.廣東電網有限責任公司韶關供電局，韶關 512026； 2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510670）

引言

低壓配電臺區，作為直接面向電力客戶的最后一個智能環節，是我國智能配電網建設的重要組成環境。高效的智能臺區建設，可以實現高度智能、網絡、監測及控制等綜合功能，將大幅度提高電力現場應用和管理效率，并且可以更好服務終端客戶，切實加強為電力客戶服務的實惠度，為電力客戶提供高質量、高可靠性的電力能源[1-3]。

智能臺區監控終端是智能臺區項目技術研究工程應用落地與實踐的核心裝置。智能臺區監控終端，實現對臺區運行數據的匯集、分析與上報等功能，同時依靠終端運算處理器和嵌入式優化算法，實現臺區設備的協調趨優控制，提高現有配變臺區智能化水平[4-6]。

本文將結合當前嵌入式發展技術，基于高性能控制器，采用模塊化設計思路實現高性能的控制終端硬件研發。同時將嵌入式Linux應用于控制終端軟件系統開發，借助嵌入式Linux豐富的驅動和管理資源，加快控制終端軟件研發。所研發的新一代智能臺區監控終端，具有高精度的數據采集、高可靠性的網絡通信、強大的全業務支撐和高效的邊緣處理等能力。

1 監控終端設計思路

智能臺區監控終端基于“硬件平臺化，軟件模塊化”的設計理念，建立一個具有標準化通信接口的硬件平臺，采用交互式容器技術，能支持多業務部署的軟件平臺。監控終端功能由各模塊獨立定義和裝載，后臺主站對接，靈活擴展。

基于上述監控終端硬件、軟件開發系統，不同電氣設備廠家的終端設備或系統只需要符合硬件、軟件規范，便可通過統一的接口，與本監控終端無縫連接，其中電力業務的功能性內容可靈活劃分到不同智能終端，由對應的硬件或軟件模塊實現[7]。

監控終端支持計量自動化、電能質量分析、配變臺區低壓設備（如低壓監控終端、無功補償裝置等）接入與監測、各種告警和保護等業務功能，實現低壓配網業務的靈活、快速部署[8]；依托臺區就地化決策和云端協同機制，助推低壓配電網由被動管理向主動管理模式變革，提升臺區精益化管理水平。在邊緣側實現配電變壓器運行狀態透明化感知、預警與本地協同控制。

監控終端基于物聯網技術，具有邊緣計算、就地決策，以智能配變終端為建設核心，依托邊緣計算的分布式運算服務和臺區就地決策，對低壓配電網的運行狀態、線損管理、拓撲識別、電能質量、三相不平衡、分布式能源接入、微網負荷有序性進行智能化管控[9-11]。

新一代的智能臺區監控終端，需要具備硬件和軟件功能協同處理能力，對監控終端的硬件和軟件性能提出了更高要求。傳統的單片機或單處理器結構，不容易實現平臺化需求的硬件系統；傳統的大循環輔以中斷的處理器軟件架構，也無法滿足日趨復雜的軟件功能需求。本文結合當前半導體、通信網絡和信息技術的發展，研發一種新型的智能臺區監控終端，該監控終端硬件上以雙核控制器為核心，構建高效彈性的平臺化硬件結構；軟件上采用嵌入式Linux，利用嵌入式Linux高效的調度能力實現多個功能應用程序的并發處理，直接利用嵌入式Linux現成豐富庫資源，完成新一代監控終端涉及到的硬件驅動、通信協議等復雜功能。

2 監控終端硬件系統

由于監控終端硬件功能要求越來越高，單靠一個控制器不容易滿足所有功能，因此，新型的監控終端多采用DSP+MUC、FPGA+MUC和FPGA+DSP等多個控制器芯片組合的方式，由于這些控制器屬于不同芯片，涉及數據交換、功能協調等較為復雜內容，需要較為龐大的額外開銷[12]。

為了降低多個控制器的交互成本，本文采用高性能的OMAPL138單芯雙核（控制器）作為主控制器，構建新一代監控終端硬件平臺。OMAPL138控制器單芯片集結了DSP+ARM兩個工業處理器 ，大大降低了雙核通訊的開發難度，可充分滿足電力工業應用的高能效、連通性設計對高集成度外設、更低熱量耗散以及更長電池使用壽命的需求。

監控終端硬件功能以主控制器OMAPL138為核心，采用插件式方式，可以通過現場應用需要靈活配備所需的插件，將各個硬件單元按功能進行合理的模塊劃分，實現開關量、模擬量以及不同性質和電壓等級電氣量的有效隔離，使其能長時間高可靠性地運行在電磁影響較為惡劣的電力現場中[10,11]。除了控制器插件外，還包括電源插件、交流采樣插件、人機界面插件、通信插件和遙信插件，如圖1所示。

圖1 智能臺區終端硬件系統

1）控制器插件是監控終端的關鍵環節，直接決定整個監控終端的性能主要由處理器、緩存和內存構成的最小硬件系統，終端其它部分硬件圍繞著該硬件平臺配合運行。

控制器插件由CPU、RAM、Flash，以及終端運行的嵌入式操作系統等組成。監控終端可以存儲數據十年，時鐘正常運行五年，完全滿足配電網智能設備運行要求。

本文，核心處理模塊是終端的主要運算處理硬件平臺，考慮到新一代監控終端需要完成多項綜合功能，而ARM具有強大的管理功能，由ARM完成通信管理、人機界面、低功耗管理、后備電源管理、實時鐘管理、系統電源監控、故障自恢復系統等功能。

2）電源系插件是監控終端的基礎，實現整個終端設備的能源供給，以電磁兼容、安規、功耗、電源質量以及輸出穩定性作為關鍵指標。包括了額定電源輸入與保護、處理器系統數字部分電源、模擬部分電源、上行通信電源、下行通信電源、后備電源等部分。

3）交流采樣插件負責配電網電氣量的數據采集，交流采用精度直接影響著整個監控終端的數據精度。本監控終端采用高精度的16 Bit模數轉換器，進行三相四線電壓電流采樣、零線電流采樣，并采用模擬信號調理電路，確保電氣量采樣轉換的精度。

4）本監控終端具有良好的模數轉換速度和精度，實現配變臺區首端電壓和電流實時采集計算，精度、量程和處理速度滿足高級應用與研究的數據要求。交流采樣準確度等級達到：有功電量1.0，無功電量2.0。

5）良好的人機交互有助于方便電力現場運行人員更高效利用本監控設備。本監控終端除了配備LCD顯示屏和工業按鍵等經典電力智能設備人機接口外，還配備了本地維護通信接口，用于本地操作及終端維護。

本地維護通信接口，主要用于監控終端在調試過程中和現場運行過程中的維護，本監控終端提供串口通信接口，可以實現本地操作及終端維護工具的接入。

6）隨著智能臺區信息日益依賴通信網絡傳輸，通信插件重要性也日益突出。監控終端一方面需要對現場數據進行采集、匯總，考慮到電力現場應用的多樣化， 本監控終端可支持寬帶載波、微功率無線、RS485等國內電力主流通信方式及模塊。

另一方面，監控終端還將臺區信息傳送到配電網后臺系統，與后臺進行信息交互，因此，監控終端可實現多種通信功能，支持5G/4G LTE/GPRS/CDMA、光纖以太網等多種通信方式。

7）遙信接口可實現智能配電控制系統的遙信開關量功能，完成配變臺區關鍵低壓設備的實時狀態反饋與保護。本監控終端具有良好的電磁兼容性，實現多路開關量遙信輸入接口與隔離保護，遙信輸入回路≥8路。

3 監控終端軟件系統

監控終端軟件功能為臺區的監測分析和運行控制提供基礎，新一代監控終端，除了數據采集、匯總和上傳等軟件功能外，還具備邊緣計算能力，能具備告警、電能質量監控、對時和遠程操作等功能，功能較為齊全[13]。

相較于傳統的電力監控終端多采用單線程方式，新一代智能臺區監控終端需要同時處理數據采集、數據處理、邊緣計算、網絡通信、人機界面和各種管理功能，軟件日趨復雜。因此，ARM控制器通過引入當前主流的嵌入式Linux操作系統，通過充分利用嵌入式Linux現成的驅動功能、調度功能，以降低軟件開發程度[12,13]。利用Linux操作系統的這一特點，可方便的開發與DSP的數據交互、界面管理、通信協議等功能，具體軟件結構如圖2所示。

圖2 監控終端軟件功能結構圖

智能臺區監控終端的ARM控制核負責人機界面、通信等較為復雜的管理功能，因此ARM采用嵌入式Linux進行統一調度，以平衡多個管理任務的響應情況。

在嵌入式Linux內核移植基礎上，進行監控終端軟件的物理層、驅動層、協議層、應用層的功能實現物理層相對簡單，主要是根據所選的器件芯片，進行對應的驅動選擇。

驅動層軟件開發包括采樣計量芯片驅動、按鍵驅動、LCD驅動、SPI、UART、USB和以太網等通信模塊驅動、外部RTC驅動、GPIO驅動和Nand Flash及文件系統等模塊。嵌入式Linux中提供了大量的芯片驅動程序，只需在物理層選擇對應芯片的基礎上，進行芯片邏輯地址等信息的配置，避免了傳統單片機需要開發人員撰寫對應驅動程序的繁冗工作。

協議層簡化了通信開發難度，使得監控終端具有較好的通信功能，借助于嵌入式Linux系統，可以方便地實現數據的通信交互。由于通信協議的多樣化和復雜化，以經典的TCP/IP為例，基于傳統單片機的通信協議，需要花費大量精力進行通信協議編程開發。采用嵌入式Linux系統，可以利用Linux系統現成的通信協議，進行通信應用開發，加快了開發效率。

本文開發的監控終端具備靈活的通信規約適配模塊，滿足不同的通信規約要求，通訊數據可由SPI、UART和以太網、無線等多種通信方式靈活進行臺區數據的傳輸，并以LED驅動的方式實現人機界面的信號燈顯示，并具備LCD彩色屏的運行狀態顯示功能。

智能臺區監控終端面向電力用戶的功能主要體現在應用層，涉及到電氣量和開關量的數據采集和處理，通過分層次的軟件實現方法，可以將原先較為復雜的軟件功能以模塊化方式實現，在Linux中采用線程方式完成，提高了并行性。

借助于嵌入式Linux多線程技術，ARM控制器可以高效完成應用層的電力高級應用，具體包括：管理臺區用戶電表信息，抄讀電表的日凍結、月凍結數據，監測電表的告警事件。監控終端系統還可以對公變側三相四線交流進線的采樣數據基礎上，實現電能信息深化應用，包括配電變壓器運行狀態監測、相序判斷、電能質量分析、電壓合格率分析、功率因數分析、諧波統計分析、三相不平衡度分析、低壓用戶的用電可靠性分析、三相不平衡優化策略研究等高級應用。

智能臺區監控終端的DSP控制核主要負責數據采集、數據運算和處理等實時性較高的要求，任務較為單一，還是采用經典的單線程模塊方式以提高效率。DSP完成的單線程任務為完成初始化、采集交流信號、采集遙測信號、與ARM交換數據，并進行計算與分析任務。

4 應用

所研發的新型智能臺區監控終端，可以實時監測智能臺區關鍵產品的運行狀態，完成遠程分合閘控制及對智能設備參數整定等功能，順利通過實驗室環境測試和動模測試后，已投入韶關市翁源供電局臺區應用。

智能配變終端負責低壓總進線的交流采樣計算，通過RS485總線采集各路出線的電參量數據；監測低壓總進線、各出線電能質量及告警事件；另外通過以太網或者RS485總線與低壓集抄的集中器級聯，抄讀臺區下所有電能表15 min負荷記錄曲線數據，通過聚類分析、相關性分析等辨識算法將各路出線下的電能表劃分歸類，同時識別各個單相電能表的安裝相序，并識別串抄其他臺區下的電能表。

本文所述智能臺區監控終端具有強大的數據處理、通信功能，可以方便地將臺區數據傳遞到后臺，后臺可實現對整個臺區的有效監控，包含電能質量監控、故障事件與歷史事件記錄、臺區歷史數據分析三個主要功能，如圖3所示。

圖3 智能臺區分析界面

當需要分析詳細的龍仙臺區的某一項運行指標進行分析時，可調出歷史數據并繪制出規律曲線。例如龍縣臺區三相不平衡度較為明顯，可調出龍仙臺區三相電流數值，統計一個月內的三相電流不平衡度，如圖4所示。

圖4 龍仙臺區B相不平衡度分析圖

所研發的新型監控終端樣機掛網運行半年以來，運行效果良好，符合預期要求。

5 結語

監控終端是智能臺區監控的核心元件，本文結合當前嵌入式系統的發展，研發了一種新型的智能臺區監控終端。該監控終端以插件式方式，由八大功能模塊構成主要硬件系統。軟件上以嵌入式Linux系統為核心，借助嵌入式Linux系統豐富的庫資源，降低軟件開發難度，并提高了電力應用功能并行性。電力現場的應用效果表明，所研發的新型監控終端能滿足當前智能臺區日趨復雜的全業務要求。