一種國產化改造的電壓監測終端

楊明冬

（南京易司拓電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

電壓質量是衡量電能質量的指標之一，對電網穩定和電力設備安全運行具有重大影響。根據國家電力監管委員會和國家電網有限公司（以下簡稱“國網”）要求，對A類（變電站10 kV母線）、B類（35 kV及以上專線用戶）、C類（非專線用戶和10 kV用戶）以及D類（低壓臺區）開展電壓合格率監測，其中電壓合格率應滿足《電壓監測儀使用技術條件》（DLT 500—2017）和《國網電壓監測裝置技術規范》（Q/GDW 1819—2013）特定功能規范的監測要求。中國南方電網有限責任公司規定各省供電電壓需符合《供電監管辦法》的要求。隨著監測系統的數據應用和業務發展，2019年國網又出臺了最新的標準和監測要求，發布《國網電壓監測裝置技術規范》（Q/GDW 1819—2019），要求各省梳理電網監測點，將電壓監測工作推向了一個新高度[1-3]。

同時，國外芯片在安全性和市場供應方面存在極大隱患，而“缺芯潮”的到來導致設備芯片成本急劇上升。針對當前現狀，亟需對電壓監測終端進行國產化改造，在兼顧國產化要求的同時降低終端成本[4]。

1 電壓監測終端功能原理

電壓監測終端的功能模塊主要包括采樣模塊、顯示模塊、數據統計模塊、存儲模塊、加密模塊以及主站通信模塊，基本原理如圖1所示。

圖1 電壓監測終端功能原理

第一，采樣模塊對被監測電壓進行實時采樣，每分鐘統計1個數據點，取平均值作為被監測系統的即時運行電壓。

第二，數據統計模塊接收采樣模塊發送的電壓、每分鐘平均值數據，通過顯示模塊顯示，并實時刷新電壓小時統計、日統計、月統計、最大/最小值、出現時刻、超上限/下限率、超上限/下限時間以及電壓合格率等數據，將統計數據項通過存儲模塊進行本地持久化存儲。此外，統計模塊發送各數據統計項和電壓告警信息，用于主站通信模塊主動上送數據[5,6]。

第三，主站通信模塊依據不同的規約，通過無線4G或以太網通信方式將統計數據和統計告警信息加密后上報給主站系統，同時主站通信模塊支持終端的遠程升級和遠程維護。

第四，存儲模塊采用yaffs2文件系統，以文件形式存儲裝置相關參數、統計數據以及日志等。

第五，終端集成了專用安全芯片，支持RSA、SM1、SM2算法，支持ISO7816接口和串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）通信。

2 國產化替代方案

設計選用的國產主控制器為基于兆易創新GD32F450系 列 微 控 制 單 元（Multi Control Unit，MCU）。該系列芯片基于 ARM?Cortex?-M4內核的32位通用微控制器，工作主頻最高可達200 MHz，提供了完整的數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）指令集、并行計算能力以及專用浮點運算單元（Floating Point Unit，FPU）來滿足高級計算需求，具備超高的計算性能和良好的擴展性。它的RAM空間為512 kB，提供高達3 024 kB的片上FLASH。該芯片具有豐富的外設接口，包括模擬數字轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、I2C、SPI、通用同步/異步串行接收/發送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）以及控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）等，同時芯片的工作溫度范圍為-40～+85 ℃（工業級）。綜合分析表明，GD32F450系列MCU能夠滿足電壓監測終端的計算能力、存儲以及工作環境的需求。

在系統的外圍電路芯片國產替代選型方面應兼顧硬件兼容性，盡量做到PIN2PIN替代，以減少硬件印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的改動，縮短國產化改造周期。存儲芯片選擇W29N01HVSINA（華邦），存儲容量為1 GB，電壓范圍為2.7～3.6 V，工業級，PIN2PIN替代。網絡芯片選擇CH9121（南京沁恒微），集成傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），可實現網絡數據包和串口數據的雙向透明傳輸，串口波特率最高可支持921 600 b/s，可通過上位機配置。看門狗選擇SGM706（北京圣邦微），具有上電自動復位、手動復位以及低電壓報警等功能。接口芯片選擇UM232EESE（上海英聯），具有高ESD保護和失效保護的單電源供電RS232收發器。實時時鐘芯片選擇SE8025TC，支持I2C總線的高速模式，寬范圍接口電壓為2.0～5.5 V，PIN2PIN替代。各外圍電路芯片的國產替代關系見表1。

表1 終端芯片國產化替代

3 系統硬件設計

主板硬件整體設計如圖2所示。

圖2 電壓監測終端硬件設計圖

第一，系統MCU為兆易Cortex-M4系列的GD32F450，作為業界最高性能的Cortex-M4微控制器，同主頻下的代碼執行效率相比市場同類Cortex-M4產品提高10%～20%，并已全面超越Cortex-M3產品，性能提升超過40%。

第二，交流輸入電源經開關電源產生主直流電源和副直流電源，分別為4.25 V和5 V。交流輸入范圍可達70～456 V，經電源轉換芯片SP6205輸出穩定的3.3 V電壓，用于芯片的供電。在交流電斷開情況下，裝置自帶的電池供電，經過電源轉換芯片SP6205穩定輸出3.3 V電壓，提供整機的電源。此電池在斷電情況下，用于備用電源、數據上傳等[7,8]。

第三，采樣模塊電路的交流采樣輸入電壓經過精密電阻和互感器等元器件，將大的交流信號轉變為小的交流信號再進入采樣芯片進行模數轉換，通過USART口與主控制器通信。

第四，RTC芯片通過I2C接口與主控制器通信，為系統提供標準時鐘，在裝置不工作的情況下也能保持時鐘不停止。

第五，系統通過USART口提供RS232串口通信通道，實現數據向外傳輸的硬件通道，支持串口與主站系統通信和串口升級等功能，利用光耦隔離電路實現分離。

第六，系統采用串口轉以太網芯片方式實現以太網通信功能，同時通過串口與4G模塊互通，實現4G遠程通信功能。

第七，加密模塊通過SPI總線與CPU進行數據傳輸，支撐終端與主站的加密通信。

第八，系統采用NAND FLASH作為存儲部件，以文件形式存儲裝置相關參數、統計數據以及日志等。

4 系統軟件設計

系統整體軟件架構采用模塊化、層次化以及可擴展等思路設計，依托MCU、FLASH、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）以及RS232等物理載體，基于開源實時操作系統（Real-Time Operating System，RTOS）實現各應用功能。終端業務功能需求的實現由應用層直接調用相應驅動接口作為銜接，實現對物理接口的輸入/輸出（Input/Output，I/O）調用。系統為每個業務模塊創建1個TASK，由操作系統負責統一調度。系統軟件總體分層結構如圖3所示。

圖3 系統軟件總體分層結構

考慮后續終端軟件擴展性和平臺可移植性，應用層應避免以各種形式直接調用底層驅動代碼（包含操作系統的API）。系統應用層和底層必須以標準API接口進行交互，以防應用層系統在不同硬件平臺間進行移植時出現不兼容問題[9,10]。

電壓監測終端主要芯片由國產化產品替代，尤其是主控制器替代后，終端軟件需要進行移植開發工作。由于終端國產化替代前的軟件采用了嚴格的分層設計原則，應用層與驅動層之間耦合度較低，應用層部分無須進行適配性改造。軟件的移植工作主要集中在驅動層開發，主要包括MCU各外圍接口驅動，如USART接口、I2C接口、SPI接口、EXMC以及GPI0的重定義等。各外圍接口驅動程序完成移植調試后，加載軟件應用層代碼進行整體聯調，以便驗證軟件的各項功能和性能。

5 結 論

文章提出一種芯片國產化替代的電壓監測終端，實現了芯片100%國產化替代。通過分析試驗驗證和現場實際運行效果，終端的各項功能與性能均達到了設計目標，滿足國家標準和技術規范的要求。本次電壓監測終端的國產化替代實踐可以為類似系統的國產化提供參考，推進電力芯片國產化進程。