基于ARM9的电力负控终端系统的设计

摘要 介绍了采用高端嵌入式单片机ARM9和嵌入式Linux操作系统构成的电力负荷终端系统，以及该系统的整体设计方案。终端利用嵌入式Linux操作系统为应用软件提供强大、稳定的资源环境，根据Q／GDW 374．1-2009《电力用户用电信息采集系统技术规范：专变采集终端技术规范》的要求，将智能电网管理终端多个任务划分为应用软件下执行任务多个线程，使得系统完成多任务的能力更强、稳定性更高。
关键词 电力负荷终端；ARM9；GPRS；Linux

随着客户对电能质量要求的逐步提高，传统的电力网络难以满足发展要求。为此，提出发展“全覆盖、全采集、全预付费”智能电网的设想，以实现传统电网的升级。电力用户用电信息采集系统——智能电网管理终端，是一种集计算机、通信、用电及计量技术于一体的智能抄表设备，它具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、集成度高、可靠性好、结构简洁、安装使用方便等突出的优点，可直接与营业计算机联网，对电力用户进行数据采集计算及控制管理。电能计量自动抄表系统实现了从电能数据采集、传输到处理的自动化，采用自动抄表可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速统计低压时线损，降低用电成本，同时对加强用电管理，防止国家电力资源流失，对推进电能管理现代化具有积极意义。

1 系统组成及工作原理
基于GPRS的负荷控制管理系统，以公共GPRS移动通信网络为载体，辅以现场RS485总线等通讯方式，将变电站、大用户、公用配变、居民户等为主要控制管理对象，实现从变电站到供电线路再到电力用户的综合供用电监测、控制和管理。其工作流程如图1所示。

1．1 电力负荷管理终端系统组成
终端主要由5部分组成：电源单元、处理单元、通信单元和GPRS单元，其系统组成原理框图如图2所示。

1．2 系统设计方案
采用美国Atmel公司生产的AT91SAM9260CUARM9 CPU芯片为核心硬件架构搭建系统硬件电路。
传统的低端嵌入式单片机或多片单片机联合控制(MCU)作为核心控制器件，实现对智能化、多任务的管理终端控制已不能满足需要。特别在实现数据上传、电表数据抄录、GPRS通信控制、485通信控制、负载控制、大规模数据存储等多任务并行方面，传统的单片机已不适用。原因是：(1)采用低端嵌入式单片机ARM7为采集终端的核心控制器件，可以实现程序的实时性，但其资源相对有限，在数据存储和管理、实现USB控制和以太网控制等方面不理想。(2)采用多片单片机联合形式实现如上要求的控制，其性能比采用低端嵌入式计算机ARM7还差，仅将多个任务分解，每单个任务由相应的一块单片机完成，这给每块单片机间的协调性带来压力，处理不好时程序运行很不稳定，难以实现程序的实时性。
ARM9系列微处理器在高性能和低功耗方面提供最佳性能。具有以下特点：(1)5级整数流水线，指令执行效率更高。(2)提供1.1MIPS／M Hz 的哈弗结构。(3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。(4)支持32位的高速AMBA总线接口。(5)全性能的MMU，支持WindowsCE、Lin ux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。(6)MPU支持实时操作系统。(7)支持数据Csche，具有更高的指令和数据处理能力。
采用美国Enfora公司的ENFORA0306-GPRS模块作为数据上传核心部件，完成主站软件的各项操作。与传统通信方式相比，基于GPRS的无线数据传输有如下优点：(1)成本低廉。(2)建设工程周期短。(3)适应性强。(4)扩展性好。(5)设备维护方便。采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带以及同样的TDMA(时分多址)帧结构。因此，现有的基站子系统(BSS)可以提供全面的GPRS覆盖。GPRS引入的分组交换传输模式，使原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式而言，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独占无线信道。而对分组交换模式，用户只有在发送或接收期内才占用资源，这意味着多个用户可以高效共享同一无线信道，提高了资源利用率。GPRS用户计费以通信的数据量为主要依据，其连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用，从而提供一种高效、低成本的无线分组数据业务。因此这种数据传输方式特别适用于简短的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔大量的数据传输方式。
采用RS485实现电表的数据抄录、电表的用电信息、实时监测电表的瞬时参数以及校时、结算日设置功能等。RS-485支持一点对多点的通信，允许在电路中有多个发送器，且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元便于组网；通信距离能够满足系统的设计要求。所以系统选择半双工的RS-485通信标准。终端机与集中器之间通过RS-485总线进行数据传输，采集器通过屏蔽双绞线采集用户各种远传能耗基表的信息，并进行换算和存储；采集器对电量的采集可以直接通过电表上的RS-485接口接收用户的电量信息，也可以通过采集器上的红外接口，利用专用的红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读取。
软件环境采用2．6．20版本的嵌入式Linux操作系统，为系统应用软件提供良好的运行空间。Linux2．6内核中，引入很多有利于嵌入式应用的功能。这些新功能包括实时性能的增强、方便的移植性、支持高档电源管理和I／O系统的改进等。这些改进使2．6的性能在对比2．4内核有着相当大的优势，尤其是对嵌入式设备而言，无论从运行效率还是设备管理都有较大提升，能更好地处理多任务满足终端的控制要求。
智能电网管理终端从硬件和软件两方面做防干扰可靠性设计，在保证功能的同时，尽可能地降低终端的故障率。

2 终端具备的基本功能
(1)计量数据采集功能。
1)交流采样功能，测控管理终端具备交流采样模块，可以采集并计算三相电压、电流、功率、需量、有无功电量等。
2)抄表功能，抄读电能表的正反有功电量、四象限无功电量、电压、电流、有功功率及无功功率，冻结电量等。
(2)控制功能。
1)电力负荷控制功能，强大的负荷控制功能，可对用户进行功控、电控等多种超预定负荷及避峰等拉闸控制，终端提供四轮控制，有四路遥信接口。
2)数据抄读及存储功能，终端可以抄读和存储不同的数据。
3)用电异常检测及报警功能，终端实时对电力测控进行监测，支持对电表状态、终端状态、计量回路状态以及各种处理分析的异常报警。
4)通信功能，终端与主站的通信支持《电力负荷管理系统数据传输规约-2004》，支持GPRS／CDMA，并且有本地维护接口。
时钟管理：时钟误差≤0．12 s·h-1，时钟保持>10年。
5)远程升级，终端支持远程在线升级功能。
(3)其他功能。
1)软件远程下载，终端软件可通过远程通信信道实现在线软件下载。
2)断点续传，终端进行远程软件下载时，终端软件具有断点续传能力。
3)终端版本信息，终端能通过本地显示或远程召测查询终端版本信息。
4)通信流量统计，终端能统计与主站的通信流量。

3 软件设计