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(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司, 上海 200023; 2.寧夏凱晨電氣集團(tuán)有限公司, 寧夏 銀川 750000)

0 研究背景

隨著計(jì)算機(jī)信息和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)迅猛發(fā)展，智能配電系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)，正在快速發(fā)展。美國(guó)通用電氣、德國(guó)西門子和法國(guó)施耐德等國(guó)際知名的電氣公司的配送電開關(guān)柜已經(jīng)通過加裝智能模塊、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)及開發(fā)智能設(shè)備等方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和互聯(lián)，配電數(shù)據(jù)也可接入云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析功能。國(guó)內(nèi)的大型電力設(shè)備生產(chǎn)商也在研發(fā)和設(shè)計(jì)各類智能配電設(shè)備，進(jìn)行高壓開關(guān)盤柜智能化升級(jí)和布局。

寧夏凱晨電氣集團(tuán)有限公司的產(chǎn)品以高低壓成套設(shè)備、智能箱式變電站、智能開關(guān)及數(shù)字化智能終端電氣產(chǎn)品為主導(dǎo)，產(chǎn)品覆蓋了電力、水利、通信、工業(yè)、新能源、石化、交通和基礎(chǔ)行業(yè)。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程加快，作為供電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備制造商，寧夏凱晨電氣集團(tuán)對(duì)高低壓開關(guān)柜提出了產(chǎn)品智能化和信息化更高的升級(jí)要求。上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司作為國(guó)內(nèi)最早從事電氣智能化和信息化的研究團(tuán)隊(duì)，在其領(lǐng)域做了大量科學(xué)研究和積累了豐富技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。為此，雙方?jīng)Q定開發(fā)一套集成保護(hù)儀表和操作的智能終端KC500PT。該終端產(chǎn)品要求集成盤、柜的各類智能儀表和操作面板，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控、人機(jī)顯示，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的信息互聯(lián)，具備遠(yuǎn)程維護(hù)功能。

1 開關(guān)設(shè)備智能終端集成化的原理和功能

按照現(xiàn)有傳統(tǒng)開關(guān)柜的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和智能電網(wǎng)的建設(shè)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(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)智能采集、傳輸和互聯(lián)。簡(jiǎn)化制造過程的繁瑣工藝，加強(qiáng)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(biāo)是將配電柜的保護(hù)檢測(cè)和顯示操控整合成一體。在分析國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，采用嵌入式智能化技術(shù)，面向未來(lái)建設(shè)智能電網(wǎng)的需求，研發(fā)開關(guān)設(shè)備智能儀表集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高低壓配電設(shè)備的電力參數(shù)的智能化采集、顯示和傳輸。該智能終端可接入大數(shù)據(jù)云平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等智能化功能，為智能電網(wǎng)和分布式能源的實(shí)施提供支持服務(wù)。同時(shí)通過智能化開發(fā)，還可解決目前開關(guān)電氣設(shè)備布線難、維護(hù)難和成本高等工程難題。

本文智能終端分上位機(jī)(嵌入式操控屏)終端和下位機(jī)(信號(hào)采集)終端組成。上位機(jī)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(guān)以及指示元件集成于一塊顯示屏系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)和人機(jī)交互功能，還可以通過總線連接各個(gè)回路的電力參數(shù)互聯(lián)并顯示在面板上，降低制造工時(shí)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(shù)來(lái)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(nèi)的各類信號(hào)采集、轉(zhuǎn)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(jī)通過RS485、CAN總線通信功能，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換。

(2)具備有線、無(wú)線通信功能，與外部或中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(3)具備多屏數(shù)據(jù)顯示和操作功能。

(4)具備高壓信號(hào)采集和報(bào)警功能。

(5)具備人體接近提示功能。

(6)基本語(yǔ)音輸入及報(bào)警功能。

(7)具備低功耗運(yùn)行功能。

2 智能終端的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

開關(guān)設(shè)備智能終端既要跟下位機(jī)通信又要與上位機(jī)通信并且需要友好的操作界面，需要具有較強(qiáng)的CPU處理能力。配電柜的工作環(huán)境比較惡劣且長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)智能終端具有超高的穩(wěn)定性和具備惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，需要選擇工業(yè)級(jí)以上的硬件芯片，才能保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。

在國(guó)產(chǎn)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(qiáng)，但是這類芯片的主要應(yīng)用還是消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如娛樂平板、機(jī)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(yīng)用的案例。

NXP iMX6芯片具有商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)以及車規(guī)級(jí)等多種規(guī)格可選，產(chǎn)品上市已有7～8年，在全球車載市場(chǎng)擁有廣泛的客戶，并在許多工業(yè)和車載項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，且通過各類抗干擾的嚴(yán)格測(cè)試。

2.2 各組成部分及功能實(shí)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(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1) ARM Cortex A7 架構(gòu)單核CPU。

(2) 主頻528 MHz。

(3) 512MB LvDDR3。

(4) 4GB eMMC。

(5) 內(nèi)置硬件看門狗。

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

(7) 1路Reset。

(8) 1路外置USB接口。

(9) 1路標(biāo)準(zhǔn)CAN接口。

(10) 支持10/100M自適應(yīng)有線網(wǎng)絡(luò)，4G全網(wǎng)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(yùn)行溫度在-20 ℃～70 ℃。

(15) 2個(gè)看門狗定時(shí)器。

2.4 主要電路設(shè)計(jì)

1)主板設(shè)計(jì)

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(gòu)成。通過SPI接口與下位機(jī)進(jìn)行通信和測(cè)量，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、與外部設(shè)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(diào)試及下載接口組。主板設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 主板設(shè)計(jì)圖

2)輸入輸出接口設(shè)計(jì)

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(hào)直接采集和通信信號(hào)以及語(yǔ)音輸入信號(hào)。

信號(hào)直接采集部分增加了信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波和隔離設(shè)計(jì)，提高了抗干擾能力和電路保護(hù)，電路圖如圖4所示。

根據(jù)未來(lái)擴(kuò)展需求，系統(tǒng)需要有兩路開關(guān)量輸出留作備用。

圖4 信號(hào)抗干擾電路圖

故預(yù)留開關(guān)量輸出接口供后期擴(kuò)展用,開關(guān)量輸出用常規(guī)的NPN三極管實(shí)現(xiàn)采樣算法采取多次自適應(yīng)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(shè)計(jì)

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(jī)保護(hù)狀態(tài)等信息(隔離計(jì)數(shù)、斷路器計(jì)數(shù)、接地計(jì)數(shù))。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(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

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(jìn)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(wù)共享。所選取的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是層次化的，由于內(nèi)核具有獨(dú)特的內(nèi)核模塊機(jī)制，因此可以根據(jù)需要，實(shí)時(shí)將某些模塊插入到內(nèi)核中或者從內(nèi)核中移走，并能根據(jù)嵌入式設(shè)備的個(gè)性需要量體裁衣。經(jīng)過裁剪的Linux內(nèi)核可以很小，并且內(nèi)核完全開放，不存在黑箱風(fēng)險(xiǎn)，與傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(gè)好處是Linux會(huì)比RTOS的供應(yīng)商更快地支持新的IP協(xié)議和其他協(xié)議。用于 Linux 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要比用于商業(yè)操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序多,如網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)驅(qū)動(dòng)程序以及并口和串口驅(qū)動(dòng)程序。嵌入式Linux操作系統(tǒng)可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)Linux可支持X86、PowerPC、ARM、XSCALE、MIPS、SH、68K、Alpha和SPARC等多種體系結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)采用一個(gè)統(tǒng)一的框架對(duì)硬件進(jìn)行管理，軟件架構(gòu)圖如圖6所示，同時(shí)從一個(gè)硬件平臺(tái)到另一個(gè)硬件平臺(tái)的改動(dòng)與上層應(yīng)用無(wú)關(guān)，為后期的改型和移植提供了先天的便利優(yōu)勢(shì)[3]。

圖5 儀表顯示電路圖

圖6 軟件架構(gòu)圖

智能終端采用了QT作為圖形界面的基礎(chǔ)，Qt是一種基于C++的跨平臺(tái)圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。對(duì)于本文中使用的是Qt的Embedded Linux 分支平臺(tái)，它是在原始 Qt 開發(fā)框架的基礎(chǔ)上，做了許多出色的調(diào)整以適合嵌入式環(huán)境。Qt/E是一個(gè)專門為小型設(shè)備提供圖形用戶界面的應(yīng)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(shí)Qt/E刪除掉了一些與嵌入式無(wú)關(guān)的Lib庫(kù)，使其相對(duì)傳統(tǒng)版本來(lái)說更加節(jié)省嵌入式平臺(tái)的硬件開支。Qt/E 的良好封裝機(jī)制使得 Qt/E 的模塊化程度非常高，可重用性較好，對(duì)于用戶開發(fā)來(lái)說非常方便。 Qt/E 提供了一種稱為 signals/slots 的安全類型來(lái)替代 callback，這使得各個(gè)元件之間的協(xié)同工作變得十分簡(jiǎn)單。軟件開發(fā)選用了Qt Creator，它是用于Qt/E開發(fā)的輕量級(jí)跨平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境[3-4]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

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(guān)柜面板布置，配合柜體內(nèi)部執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)觸屏控制、柜內(nèi)數(shù)據(jù)的智能采集、顯示、傳輸和集成。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔操作及自動(dòng)識(shí)別的可靠控制，滿足測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，與外部設(shè)備通信，以及通過LCD顯示相關(guān)的信息。工作流程如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

KC-500一體化控制智能終端適用于35 kV及以下電壓等級(jí)的交流金屬封閉式開關(guān)設(shè)備。它具有數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)、控制、綜合保護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。該智能終端研發(fā)成功具有革命性的意義，因?yàn)樗粌H很好解決了傳統(tǒng)開關(guān)柜功能零碎、配件眾多、設(shè)計(jì)重復(fù)、線路復(fù)雜和生產(chǎn)維護(hù)繁瑣等問題，而且該終端能與大數(shù)據(jù)平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警和故障智能分析等功能。它的研發(fā)成功和廣泛應(yīng)用，不僅很大程度提高了電力開關(guān)設(shè)備自身的安全性和可靠性，也為國(guó)家智慧電網(wǎng)的建設(shè)提供了強(qiáng)有力的保障。

圖7 工作流程圖