基于ARM Cortex-M7內(nèi)核的配電自動化終端設(shè)計

鄭貴林，康 亮

(武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院，湖北武漢 430072)

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對電力的需求逐漸上升。為了滿足新時期對電力的需求，配電自動化研究逐漸成為未來電力發(fā)展的新方向。在配電自動化系統(tǒng)中，配電自動化終端設(shè)備是其中重要一環(huán)。配電自動化終端設(shè)備一般在常規(guī)開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、戶外小型開閉所等地方設(shè)置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備位置電壓、電流、信號、有功功率等數(shù)據(jù)的收集和計算，實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合閘操作，并且實(shí)現(xiàn)饋線開關(guān)故障識別、非故障區(qū)間供電恢復(fù)及隔離[1]。然而，目前市面上的配電自動化終端設(shè)備存在成本高、體積大、安裝困難、自動化水平不高等缺點(diǎn)，無法完全滿足當(dāng)前配電自動化需求。

針對上述問題，本終端設(shè)計基于ARM Cortex-M7內(nèi)核，軟件平臺基于FreeRTOS操作系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對下行設(shè)備的電壓、電流、功率、信號等數(shù)據(jù)的采集與存儲，同時整合成IEC60870-5-104協(xié)議格式，通過4G或光纖網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳服務(wù)器云平臺；具備開關(guān)分合閘功能，能對饋線故障識別并做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對配電集中且實(shí)時的監(jiān)控與管理。該終端相較于目前市面上的配電自動化終端設(shè)備具有成本低、安裝簡便、可管理性強(qiáng)、自動化水平高等優(yōu)點(diǎn)，能基本滿足當(dāng)前配電自動化需求。

1 終端內(nèi)核選型與內(nèi)核架構(gòu)

配電自動化終端設(shè)備要求快速、穩(wěn)定、智能等特點(diǎn)：要求設(shè)備能快速對線路中的故障進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對線路的保護(hù)，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理與上報服務(wù)器；要求設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行并能有效對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲、傳輸；要求設(shè)備能智能地使各類配電設(shè)備按照某一標(biāo)準(zhǔn)或接口展開和主系統(tǒng)通信[2]。

為了滿足以上特點(diǎn)，本終端系統(tǒng)設(shè)計選用高性能的基于ARM Cortex-M7內(nèi)核的STM32F767芯片作為主MCU。該芯片具有低功耗、高性能、實(shí)時響應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時擁有4 KB數(shù)據(jù)高速緩存、4 KB指令高速緩存以及512 KB的片內(nèi)SRAM，最高運(yùn)行頻率可達(dá)216 MHz，內(nèi)部擁有豐富的外設(shè)接口[3]，具備快速、穩(wěn)定、智能等特點(diǎn)。除此之外，Cortex-M7的微架構(gòu)由6級超標(biāo)量流水線實(shí)現(xiàn)，通過改善架構(gòu)性能(減少每個指令周期數(shù))和提升運(yùn)行頻率，大幅改善系統(tǒng)性能。為支持超標(biāo)量設(shè)計更高的指令和數(shù)據(jù)帶寬要求，其關(guān)鍵內(nèi)存接口設(shè)計為64位寬度。AXI系統(tǒng)總線和單周期ITCM接口均為64位，雙32位D-TCM接口可以在一個周期內(nèi)處理2個32位傳輸或1個64位數(shù)據(jù)傳輸，可以極大提高終端系統(tǒng)的運(yùn)行速度和整體性能[4]。各種數(shù)據(jù)與實(shí)踐表明，STM32F767芯片是一款強(qiáng)大的且適用于本終端系統(tǒng)的芯片，圖1為ARM Cortex-M7內(nèi)核架構(gòu)圖。

圖1 Cortex-M7內(nèi)核構(gòu)架圖

2 終端硬件設(shè)計

該終端系統(tǒng)硬件設(shè)計采用STM32F767芯片作為主MCU核心電路，同時為了使數(shù)據(jù)采集、故障識別、數(shù)據(jù)上傳、控制操作等各項功能更加穩(wěn)定與快速，硬件設(shè)計中另外搭載一顆基于Cortex-M3內(nèi)核的處理器STM32F103芯片專門負(fù)責(zé)遙信與遙控操作，即開關(guān)量輸入的隔離與采集、開關(guān)量輸出的隔離與控制，減輕STM32F767負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源模塊電路設(shè)計

本終端電源設(shè)計采用外接220 V供電方式，內(nèi)部使用AC-DC電源模塊LD10-20B12模塊將220 V交流電轉(zhuǎn)換成12 V直流電，再經(jīng)過DC-DC電源芯片將12 V轉(zhuǎn)換成其他電路模塊需要的電源，如3.3 V主芯片電源、5 V通信芯片電源等。LD10-20B12電源模塊是一款A(yù)C-DC電源模塊，能將85～264 V范圍內(nèi)的交流電轉(zhuǎn)換成電壓為12 V、功率為10 W的直流電，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)81%。同時，該模塊具備輸出短路、過流、過壓保護(hù)等功能，能夠很好地應(yīng)對供電端各種突發(fā)情況，因此，該系列模塊在工業(yè)、醫(yī)療、電力、儀表、通信及民用等多個領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，具體實(shí)現(xiàn)電路示意圖如圖3所示。

圖3 LD10-20B12電源模塊電路圖

2.2 采集電路設(shè)計

本終端采集電路主要包括采集配電房輸入的ABC三相電電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電力數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過試驗，最終采用BL6522B高精度三相多功能電子電能計量芯片。該芯片集成7路高精度Sigma-Delta ADC、低噪聲電壓基準(zhǔn)電路、溫度傳感器等模擬電路模塊；集成了專用的處理功率、有效值、能量等電參數(shù)的數(shù)字信號處理電路；能夠測量各相及合相的總有功功率及能量、基波有功功率及能量、無功功率及能量、視在功率及能量；能夠提供各相電流、電壓有效值、功率因子等參數(shù)；具有電流失流監(jiān)測、電流電壓峰值檢測、過零檢測等電能質(zhì)量管理功能；測量的輸入動態(tài)范圍可以達(dá)到3 000∶1[5]。該采集電路系統(tǒng)框圖如圖4所示，試驗表明，該芯片能夠滿足采集速度與精度要求，適用于該終端系統(tǒng)。

圖4 BL6522采集電路框圖

2.3 通信電路設(shè)計

該終端設(shè)計通信電路包括：有線網(wǎng)絡(luò)通信、4G無線通信、RS485總線通信等，且3種通信方式協(xié)同合作。其中有線網(wǎng)絡(luò)通信與4G無線通信負(fù)責(zé)將終端設(shè)備整合的數(shù)據(jù)按IEC60870-5-104國標(biāo)協(xié)議傳送給服務(wù)器端；RS485總線通信電路用來采集RS485總線協(xié)議終端設(shè)備各種數(shù)據(jù)信息，可快速準(zhǔn)確地采集各種不同的RS485總線設(shè)備。多通信方式協(xié)同合作使終端設(shè)備具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、信號穩(wěn)定可靠、傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[6]。

有線網(wǎng)絡(luò)通信采用百兆以太網(wǎng)芯片DM9051NP。該芯片是帶有串行外設(shè)接口(SPI)的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器；芯片內(nèi)部同時具有MAC和PHY功能，符合IEEE 802.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，且具有16 KB SRAM靜態(tài)隨機(jī)存取記憶保存數(shù)據(jù)；與MCU采用SPI總線進(jìn)行通信，同時支持以DMA模式傳輸，以實(shí)現(xiàn)快速通信，十分適合物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用。

4G無線通信電路設(shè)計采用USR-LTE-7S4通訊模塊。該模塊是一款5模12頻，支持移動、聯(lián)通、電信4G，同時支持移動、聯(lián)通3G和2G的一款高速通訊模塊，內(nèi)部采用嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)，支持RNDIS遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動接口，同時支持4個網(wǎng)絡(luò)連接在線，且每路連接支持10 KB串口數(shù)據(jù)緩存，是對沒有光纖的配電站的一種無線通訊解決方案。

有線網(wǎng)絡(luò)通信與4G無線通信協(xié)同地連接終端設(shè)備與服務(wù)器，出于穩(wěn)定性、快速性等因素考慮，有線網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)先級通常比4G無線通信優(yōu)先級高，即環(huán)境因素導(dǎo)致只能采用4G無線通信時才考慮使用4G通信，其他情況均優(yōu)先使用有線網(wǎng)口通信，具體通信電路框圖如圖5所示。

圖5 通信電路框圖

由于目前的電氣設(shè)備大部分采用了RS485總線組網(wǎng)通信，因此，本終端系統(tǒng)設(shè)計與下行設(shè)備通信采用RS485通信方式，具體RS485通信電路圖如圖6所示。RS485是隸屬于開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(OSI)物理層的電氣特性規(guī)定為2線、半雙工、多點(diǎn)通訊的標(biāo)準(zhǔn)[7]。RS485接口采用平衡式發(fā)送和差分接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，抗共模干擾能力強(qiáng)，最長可以傳輸1.2 km以上(通訊速率小于12.5 KB/s)，數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達(dá)4.375 MB/s(傳輸距離小于10 m)，其單級最多可接32個節(jié)點(diǎn)[8]。此終端設(shè)計選用ADM2483芯片作為RS485收發(fā)器，該芯片采用了磁隔離(iCoupler)技術(shù)，將三通道隔離器、三態(tài)差分線路驅(qū)動器和差分輸入接收器集成于單封裝中，是一款集成式電氣隔離器件，隔離電壓高達(dá)2.5 kV，能有效保護(hù)系統(tǒng)[9]。

圖6 RS485總線通信電路圖

3 終端軟件設(shè)計

配電自動化終端軟件設(shè)計是基于FreeRTOS嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計。FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)作為一個輕量級實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等嵌入式操作系統(tǒng)基本功能[10]，同時具備實(shí)時性、開源性、可靠性、易用性等優(yōu)點(diǎn)。綜上，本終端設(shè)計選用FreeRTOS作為軟件操作系統(tǒng)。

配電自動化終端系統(tǒng)軟件主要包括：系統(tǒng)初始化、采集任務(wù)、通信任務(wù)、保護(hù)任務(wù)4部分。各任務(wù)線程除實(shí)現(xiàn)各自任務(wù)功能外，同時協(xié)同運(yùn)行，共同完成整個軟件系統(tǒng)目標(biāo)。

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括硬件初始化、參數(shù)讀取和參數(shù)校準(zhǔn)3部分。其中硬件初始化包括了L1-Cache緩存使能、時鐘、串口、SPI總線、GPIO、SD卡等的硬件初始化。參數(shù)讀取與參數(shù)校準(zhǔn)是通過與服務(wù)器通信實(shí)現(xiàn)本地參數(shù)與遠(yuǎn)程獲取參數(shù)比較，進(jìn)而形成參數(shù)校準(zhǔn)，防止出現(xiàn)服務(wù)端與本地設(shè)備的信息不匹配導(dǎo)致的數(shù)據(jù)正確性與匹配性問題。具體流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)初始化流程圖

3.2 采集任務(wù)

采集任務(wù)主要是對遙測、遙信數(shù)據(jù)以及各種傳感器數(shù)據(jù)的采集。其中遙測數(shù)據(jù)采集通過BL6522B三相電能芯片進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)包括三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、電能等遙測數(shù)據(jù)，遙信數(shù)據(jù)主要是配電柜開關(guān)量狀態(tài)輸入量，傳感器數(shù)據(jù)采集包括設(shè)備溫度、濕度、大氣壓、振動等數(shù)據(jù)。采集任務(wù)流程圖如圖8所示。

圖8 采集任務(wù)流程圖

3.3 通信任務(wù)

通信任務(wù)包括了4G通信、有線網(wǎng)口通信和RS485通信3種通信方式。由于有線網(wǎng)口速度快、傳輸穩(wěn)定，因此與服務(wù)器通信以有線網(wǎng)口通信為主，4G通信為輔。終端設(shè)備與服務(wù)器通信指令分為2種：IEC60870-5-104協(xié)議指令和RS485透傳指令。其中IEC60870-5-104協(xié)議指令主要負(fù)責(zé)服務(wù)器與終端設(shè)備的三遙操作，而RS485透傳指令直接將服務(wù)器數(shù)據(jù)透傳給RS485總線，實(shí)現(xiàn)下行設(shè)備與服務(wù)器的直接通信。具體通信任務(wù)流程圖如圖9所示。

圖9 通信任務(wù)流程圖

3.4 保護(hù)任務(wù)

保護(hù)任務(wù)主要負(fù)責(zé)對配電房中配電設(shè)備線路數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障檢測、故障報警、故障切除等。其中保護(hù)主要包括：過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、中性點(diǎn)電流異常保護(hù)、遙信狀態(tài)位異常保護(hù)等。保護(hù)措施根據(jù)異常類型和程度分為報警和切斷2個部分，保護(hù)措施完成后會更新終端設(shè)備保護(hù)信息表并保存在flash中，以供后續(xù)原因查找與分析。保護(hù)任務(wù)流程圖如圖10所示。

圖10 保護(hù)任務(wù)流程圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用與結(jié)果

圖11為某教學(xué)樓和宿舍24 h進(jìn)線電壓曲線圖，圖12為教學(xué)樓和宿舍24 h進(jìn)線電流曲線圖。

圖11 教學(xué)樓與宿舍24 h進(jìn)線電壓曲線圖

與現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)對比之后，發(fā)現(xiàn)包括電流、電壓、功率、功率因子等數(shù)據(jù)基本一致，表明該終端遙測功能運(yùn)行正常。同時測試遙信變化、遙控控制，均可準(zhǔn)確采集并執(zhí)行，同時數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確快速地上傳給云服務(wù)器，滿足應(yīng)用要求。

圖12 教學(xué)樓與宿舍24 h進(jìn)線電流曲線圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于ARM Cortex-M7內(nèi)核STM32F767芯片的配電自動化終端設(shè)備，一定程度上解決了目前市面上的配電自動化終端設(shè)備的成本高、體積大、安裝困難、自動化水平不高等問題。該終端系統(tǒng)已成功應(yīng)用于武漢大學(xué)配電房中，結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可管理性強(qiáng)、通信速度快。但由于場景限制，導(dǎo)致該設(shè)備只能應(yīng)用于集中式配電房管理，對較為分散的配電房還無法做到統(tǒng)一管理，亟待日后完善解決。