基于SCM701的電力數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

張小龍，程 鑫，王 勇

（安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

按國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》相關(guān)要求，結(jié)合采集系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀，采集系統(tǒng)將向云計(jì)算、大數(shù)據(jù)+計(jì)量、清潔能源互動(dòng)化、采集系統(tǒng)共享復(fù)用等方向發(fā)展，為此要求電力數(shù)據(jù)采集終端（以下簡(jiǎn)稱“采集終端”）應(yīng)滿足相應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展要求，適應(yīng)“大云物移”的發(fā)展方向。現(xiàn)有的采集終端設(shè)備結(jié)構(gòu)單一、功能配置固定、資源配置偏低，難以滿足各種采集現(xiàn)場(chǎng)的個(gè)性化安裝及使用要求，采集終端設(shè)備面臨著升級(jí)換代的問(wèn)題。

1 需求分析

通過(guò)總結(jié)當(dāng)前采集終端功能應(yīng)用情況和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，分析應(yīng)用中的不足，制定新一代采集終端需求如下：

（1）硬件功能可擴(kuò)展：根據(jù)不同的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)各類應(yīng)用模塊，不同規(guī)格的模塊以統(tǒng)一接口方式連接，形成適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求的終端，實(shí)現(xiàn)采集功能；

（2）管理統(tǒng)一化：采用統(tǒng)一操作系統(tǒng)為平臺(tái)，方便管理采集終端文件系統(tǒng)及各應(yīng)用接口，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管控；

（3）業(yè)務(wù)軟件可升級(jí)：充分利用面向?qū)ο蟮某橄笮浴⒎庋b性、繼承性和多態(tài)性等特性，使系統(tǒng)易于維護(hù)、便于擴(kuò)展、可升級(jí)。

2 硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)以上需求，面向未來(lái)應(yīng)用，融合業(yè)界成熟的新技術(shù)，提出新型用電信息采集終端“模塊化、平臺(tái)化”設(shè)計(jì)思路，包含主控、加密、時(shí)鐘、藍(lán)牙通信、電源控制、交流采樣、以太網(wǎng)、USB、按鍵、LED指示、液晶顯示，支持熱插拔更換的模塊有HPLC模塊、4G模塊、控制模塊、485模塊和備用模塊，其中備用模塊可以根據(jù)用戶自身需求靈活配置，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化功能。硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件架構(gòu)

2.1 主控單元

主控單元是采集終端的“大腦”，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)及控制指令。處理器采用國(guó)產(chǎn)芯片SCM701，該芯片是以ARM Cortex-A7為內(nèi)核的4核工業(yè)級(jí)處理器，主頻最高可達(dá)1.2 GHz，外設(shè)接口支持SATA2.0、8路UART、4路SPI/5通道IC接口；網(wǎng)絡(luò)接口支持接入WiFi/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，支持千兆+百兆雙網(wǎng)口同時(shí)工作，支持兩路USB 2.0 Host、1路OTG，豐富的設(shè)備接口與模塊化設(shè)計(jì)要求吻合。

2.2 控制模塊

控制模塊接收主控單元的控制命令，對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行拉合閘操作?？刂茊卧捎脟?guó)產(chǎn)32位MCU，這款MCU的內(nèi)核是ARM公司出品的Cortex-M0，具有較強(qiáng)的運(yùn)算處理能力和豐富的片上外設(shè)?？刂颇K的運(yùn)行可靠性要求很高，為確保拉合閘操作準(zhǔn)確，控制單元對(duì)合閘進(jìn)行完備的閉環(huán)檢測(cè)，并使用邏輯方式，結(jié)合軟件算法防止電磁干擾帶來(lái)的誤動(dòng)。圖2為控制模塊拉合閘閉環(huán)檢測(cè)電路。

圖2 拉合閘閉環(huán)檢測(cè)電路

2.3 4G模塊

為確保在寒冷地區(qū)SIM卡可以正常通信，4G模塊增加SIM卡預(yù)熱電路，通過(guò)讀取運(yùn)行環(huán)境溫度采取相應(yīng)措施。當(dāng)環(huán)境溫度低于-20 ℃時(shí)，開啟SIM卡預(yù)熱電路，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到-20 ℃以上時(shí)，關(guān)閉加熱電路，此舉可有效保證采集終端在極寒條件下的4G通信穩(wěn)定性。圖3為4G模塊SIM卡預(yù)熱電路，通過(guò)三極管Q完成加熱電路的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，成本低，性能可靠。

圖3 SIM卡預(yù)熱電路

2.4 交流采樣電路

采集終端不是法定計(jì)量器具，其交采采樣數(shù)據(jù)不用于電費(fèi)結(jié)算，但在實(shí)際應(yīng)用中，其采樣數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)區(qū)線損治理、計(jì)量參考等具有重要意義，因此對(duì)終端的計(jì)量精度也提出較高要求。本設(shè)計(jì)方案中采用珠海炬泉出品的三相計(jì)量芯片ATT7022E，該芯片是三相多功能防竊電電能專業(yè)計(jì)量芯片，集成了七路二階sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣；輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，芯片本身特性配合合適的外圍電路，可以實(shí)現(xiàn)0.5級(jí)精度的電能計(jì)量，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。在設(shè)計(jì)中，為避免電壓采樣電阻網(wǎng)絡(luò)發(fā)熱引起計(jì)量誤差，電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻封裝選擇1206，大焊盤利于散熱，阻值選型經(jīng)過(guò)計(jì)算留有充足的余量，并在PCB LAYOUT時(shí)合理布局，避免密度過(guò)大引起局部熱量聚集，造成電阻阻值漂移。交流采樣電阻網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 交流采樣電阻網(wǎng)絡(luò)

3 操作系統(tǒng)及固件設(shè)計(jì)

3.1 操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)性能指標(biāo)：

（1）進(jìn)程創(chuàng)建平均時(shí)長(zhǎng)小于1 ms；

（2）進(jìn)程刪除平均時(shí)長(zhǎng)小于1 ms；

（3）從上電到進(jìn)入登錄界面的平均時(shí)長(zhǎng)小于 1 min；

（4）本地管道通信平均延時(shí)應(yīng)小于80 ms；

（5）信號(hào)量平均延時(shí)應(yīng)小于300 μs；

（6）內(nèi)存連續(xù)讀寫平均時(shí)延應(yīng)小于300 ns；

（7）內(nèi)存隨機(jī)訪問(wèn)平均時(shí)延應(yīng)小于500 ns；

（8）安裝容器平均時(shí)長(zhǎng)應(yīng)小于30 s；

（9）卸載容器平均時(shí)長(zhǎng)應(yīng)小于10 s；

（10）安裝應(yīng)用軟件平均時(shí)長(zhǎng)應(yīng)小于30 s。

3.2 HAL層設(shè)計(jì)

為降低開發(fā)復(fù)雜度與移植難度，本設(shè)計(jì)采用層次化設(shè)計(jì)方法，引入HAL層（硬件抽象層），將操作系統(tǒng)劃分出一個(gè)可直接與硬件通信的層次，隱藏不同硬件設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，為各類應(yīng)用軟件提供標(biāo)準(zhǔn)化硬件驅(qū)動(dòng)接口。然后為其上層提供抽象支持，下層通過(guò)API的形式向上層提供服務(wù)。上層在進(jìn)行硬件操作時(shí)，無(wú)需了解設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，層次化設(shè)計(jì)大大降低了系統(tǒng)理解和開發(fā)復(fù)雜度。

以LED模塊為例，給出了HAL 模塊代碼示例和HAL接口調(diào)用示例。

HAL模塊部分代碼：

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)

應(yīng)用基于嵌入式操作系統(tǒng)，采集終端的功能應(yīng)用劃分為基礎(chǔ)APP、高級(jí)業(yè)務(wù)APP、邊緣計(jì)算APP。

（1）基礎(chǔ)APP是高級(jí)業(yè)務(wù)APP的共用部分，包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)中心、無(wú)線遠(yuǎn)程撥號(hào)管理、本地抄表模塊管理、模組管理器等。

（2）高級(jí)業(yè)務(wù)APP，基于基礎(chǔ)APP結(jié)合業(yè)務(wù)自身邏輯實(shí)現(xiàn)，包括居民家庭用能管理、大用戶用能管理、電動(dòng)汽車有序充電、分布式能源管理、企業(yè)能效管理、臺(tái)區(qū)智能監(jiān)測(cè)等。

（3）邊緣計(jì)算APP，基于業(yè)務(wù)APP實(shí)現(xiàn)，是對(duì)業(yè)務(wù)APP的擴(kuò)展應(yīng)用。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為全面驗(yàn)證該型采集終端的性能，針對(duì)該設(shè)計(jì)開展了兩個(gè)階段的驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行驗(yàn)證在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證滿足要求后開展，通過(guò)兩個(gè)階段實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果表明，該型終端在功能和性能上完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，部分性能超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共開展各類檢測(cè)項(xiàng)目共計(jì)40余項(xiàng)，試驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋電氣性能、電磁兼容、環(huán)境影響、機(jī)械性能和功能，我們從中抽取功率消耗試驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)的結(jié)果向大家展示。表1所列為功率消耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，該型采集終端的有功功率消耗相當(dāng)于技術(shù)要求的1/4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，這也符合我國(guó)低碳發(fā)展的要求。

表1 功率消耗試驗(yàn)

該型采集終端數(shù)據(jù)傳輸信道的各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)采集終端的該項(xiàng)指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，尤其是終端帶載能力中的紋波電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于指標(biāo)要求，也從另一方面說(shuō)明終端供電電源的質(zhì)量較高，為終端未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸信道試驗(yàn)

5.2 現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行

選取××城市的5個(gè)小區(qū)10個(gè)臺(tái)區(qū)作為試點(diǎn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的運(yùn)行，整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品在通信速度、通信穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出良好性能，具有較好的推廣價(jià)值。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)大量驗(yàn)證結(jié)果表明，基于SCM701的采集終端采用軟件APP化、硬件模組化的設(shè)計(jì)思路，使得該產(chǎn)品具有極大的靈活性，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，用戶可以根據(jù)自身需求靈活選擇硬件模塊和安裝相應(yīng)功能APP，提升產(chǎn)品的通用性。該型采集終端在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，各方面展現(xiàn)出的性能指標(biāo)相比之前的終端有較大提升，具有較好的推廣價(jià)值，為用電信息采集設(shè)備的發(fā)展提供了一種思路，但對(duì)一些具體的算法研究還需進(jìn)一步優(yōu)化。