基于ARM的嵌入式智能配电智能终端的设计与研究.doc

摘要I配电智能终端的设计与研究配电智能终端是实现配网管理现代化的重要手段，本课题在研究分析配网管理的基础上，结合计算机技术、通信技术、信息技术、管理、系统控制技术等对配电智能终端进行了研究，设计基于ARM处理器和嵌入式实时操作系统相结合的配电智能终端方案，并进行硬件和软件总体设计。配电智能终端采用大规模集成电路技术，应用先进的数字信号处理技术，以32位高性能RISC处理器及高速、高精度数字采样芯片为核心，是集交流采样、通讯、无功补偿、谐波分析、配电综合监测、温湿度测量、控制等功能于一体的新型测控设备，适用于交流0.4KV、50Hz低压配电系统的综合监测及无功补偿控制，以及10KV以上的高压供电系统及发电厂、变电站的综合监测。它具有485GPRSGSM等通讯接口，可实现远程召唤、参数的修改及远程控制等功能。配电智能终智能终端采用16位AD采样芯片进行实时交采，采用浮点形式的傅里叶计算电能，精度可达到0.2S级，取代了传统意义上的多功能电表计量功能。为提高抗恶劣环境(包括气象环境和电、磁环境)的能力，配电智能终端通信采用规约转换模块以满足终端适应复杂的通讯环境要求，同时，采用数字认证技术确保系统通讯的安全性和稳定性。配电智能终端具有设计精巧、技术先进、功能强大、测量数据项多、精度高、高可靠性、投切控制组态方便、灵活等特点，它还集成了温度、凝露、开关量等多种信号测量，并且配以继电器输出控制，在终端实现、系统功能以及性能方面有一定的先进性，终端智能化程度高、安全可靠、运行稳定、性价比高，有极大的推广价值。关键词：ARM，电力负荷管理系统，嵌入式系统广东工业大学硕士学位论文IIAbstractTheintelligentdistributionterminalismoderndistributionmanagementsystemtoachieveanimportantguaranteefortheeconomicdevelopmentofsocietygrowingdemandforelectricity,makingtheoriginaldistributionterminalcannolongermeettherequirements,andbecauseoftherapiddevelopmentofvarioustechnologiesandTheemergenceofnewtechnologies,distributionmanagementtopromotethedevelopmentofanewterminalalso.Distributionofthissubjectintheresearchandanalysisonthebasisofmanagementdevelopment,andthenmadereferencetothebasisofpreviousresearchprograms,combinedwithcomputertechnology,communicationtechnology,informationtechnology,managementandsystemcontroltechnology,theintelligentdistributionterminalonthestudydesign.thedesignofintelligentdistributionterminal,whichisbasedontheARMprocessorandEmbeddedReal-TimeOperatingSystem(RTOS),ispresentedanddemonstrated.Theoveralldesignofthehardwareandsoftwareiscarriedout.Smartdevicedevelopmentinthedistribution,theuseofmulti-dimensionalsolidificationdesign(ie:communicationprotocolcuring,curingfunctionpoints,logiccuring),toachievesystempowerload,stealing,powerlossaspectsofthecomprehensivedatacollection,analysis,andsystemfailuresandalarmfunctionsincaseoffaultrecorder.Theintelligentdistributionterminaladopsthetechnologyoflargescaleintegratedcircuit,andusedigitalsignaldrocessingtechnology,withacoreof32-bitRISCCPUandgreatrate,highprecisiondigitalsamplingchip,thenewmeasurementandcontroldevicesetACsampling,communications,reactivecurrentcompensation,harmonicsanalysis,distributionmonitoringfunctions,temperatureandhumiditymeasurement,controlfunctionsasone,itsapplicableonAC0.4kv,50Hzmonitoringinlowvoltagedistributionnetworkandreactivepowercompensation,abovetheintegratedmonitoringof10kvhighvoltagesupplysystemandelectricpowerplants,electricsubstation.Ithascommunicationinterface,whichcanuselocalcommunicationandlong-rangecommunications,remotecall,modifytheparametersandRemotecontrolcapacitorswitching.AbstractIIITheintelligentdistributionterminalendofADsamplingchip16-bitreal-timecross-mining,theuseoffloatingpointcalculationsintheformoftheFourierpower,precisioncanreach0.2Sclass,replacingthetransferfunctionthroughthesenseofmetermeasurementfunctions.Inordertoimproveanti-poorenvironment(includingweatherenvironmentandelectricandmagneticenvironment)theabilitytocommunicatewithintelligentterminaldistributionprotocolconvertermoduletomeettheendrequirementstoadapttothecomplexcommunicationenvironment,whiledigitalauthenticationtechnologytoensurethesecurityandcommunicationsystemsstability.Theintelligentdistributionterminaldesignedexquisite,technologicallyadvanced,powerful,varietymeasuringdata,ofgoodprecision,highreliability,switchingcontrolconfigurationwithgreatconvenience,flexiblecharacteristics.Itsettemperature,condensation,switchingvalueandtheothertypiesofsignalmeasurement,withtheelectricalrelaysoutputcontrolling,fillsupthegapoftheintelligentdistributionterminalonourcountry.Keywords:ARM,PowerLoadManagementSystem,EmbeddedSystem目录V目录摘要.错误!未定义书签。Abstract.II目录.VContents.VII第一章绪论.11.1课题背景与研究意义.11.2国内外研究现状与分析.11.3论文主要完成工作.3第二章配电智能终端的总体设计.52.1配电智能终端需求分析.52.1.1配电终端的基本功能.52.1.2配电终端的参照标准.62.1.3配电智能终端的技术指标.72.2主处理器选型.82.3嵌入式操作系统选型.82.4终端的总体构架.92.4.1硬件总体架构.92.4.2软件总体架构.11第三章配电智能终端硬件平台设计.133.1LPC2292微处理器硬件结构.133.1.1LPC2292微处理器特性.133.1.2LPC2292体系结构.143.2终端的功能模块电路设计.153.2.1ARM核心模块.153.2.2电源模块.163.2.3复位模块.163.2.4系统时钟模块.173.2.5通信接口模块.19广东工业大学硕士学位论文VI3.2.6存储器、LCD模块.223.2.7键盘模块.243.2.8测量模块.253.2.9控制输出模块.29第四章配电智能终端的软件设计.314.1终端启动过程整体分析.314.2配电智能终端的任务功能实现.324.2.1监视任务.334.2.2数据采集与处理.354.2.3抄电表任务.384.2.4基于GPRS/CDMA的通讯任务.394.2.5键盘扫描和液晶显示任务.424.2.6文件服务和负荷管理任务.42第五章结论.495.1本文总结.495.2今后展望.49参考文献.51攻读学位期间发表论文.54独创性声明.55致谢.56ContentsVIIContentsChineseAbstract.EnglishAbstract.ChineseContents.EnglishContents.Chapter1Introduction.11.1Subjectbackgroudandsignificance.11.2Presentdomesticandinternationalresearchcondition.11.3Finallysummarizedinthepaper.3Chapter2Intelligentdistributionterminaltotaldesign.52.1Intelligentdistributionterminalrequirementsanalysis.52.1.1Intelligentdistributionterminalbasicfunctions.52.1.2ReferencestandardofIntelligentdistribution.62.1.3SpecificationfIntelligentdistributionterminal.72.2SelectionofCPU.82.3Selectionofoperatingsystem.82.4Overallstructureoftheterminal.92.4.1Overallhardwarearchitecture.92.4.2SoftwareArchitecture.11Chapter3ThehardwareofIntelligentdistributionterminalPlatform.133.1LPC2292CPUhardware.133.1.1FeaturesofLPC2292CPU.133.1.2LPC2292architecture.143.2Functionalcircuitdesignofterminal.153.2.1CoremoduleofARM.153.2.2Powersupplymodule.163.2.3Resetcircuit.163.2.4Systemclockcircuit.173.2.5Communicationsinterfacemodule.19广东工业大学硕士学位论文VIII3.2.6Memory,LCDdisplaymodule.223.2.7Keyboardmodule.243.2.8Measuremenmodule.253.2.9Controloutputmodule.29Chapter4ThesoftwareofIntelligentdistributionterminaldesign.314.1Theoverallanalysisoftheterminalduringstartup.314.2ThetaskofdistributionfunctionstoIntelligentdistributionterminal.324.2.1Monitoringtask.334.2.2Dataacquiringandprocessing.354.2.3Watt-hourmeterreadingtask.384.2.4CommunicationsbasedonGPRS/CDMAtask.394.2.5Keyboardscanandliquidcrystaldisplaytask.424.2.6DocumentationservicesandLoadManagementtask.42Chapter5Conclusion.495.1Thisarticlesummarizes.495.2Futureprospects.49References.51Publishedduringthestudyforadegree.54OriginalStatement.55Thanks.56第一章绪论1第一章绪论1.1课题背景与研究意义随着国民经济的快速增长，电力用户对供电可靠性和供电质量也提出了更高、更新的要求。因此，电力部门必须进一步提高配电网管理自动化水平12，以满足电力用户和居民生活用电的需要。另外，由于我国工业的迅速发展，大量的非线性和冲击性负荷得到了广泛的应用，如电解铝电源装置、电解食盐直流电源、电弧炉电源以及中频电源等增长速度快，还不包括其他的电力电子设备，如不停电电源、变频器、电焊设备、新能源逆变装置以及电气化铁路的牵引电源等。这些非线性和冲击性负荷使用会对电网的安全、可靠、稳定运行带来负面影响1，就要求改造配电网络，采用智能化程度高的设备和装置可对这些不利影响进行监测，以便掌握实际情况“对症下药”解决问题。为了及时掌握供电情况和客户的用电信息，更好地为用电客户服务，从而全面提高用电管理的现代化水平，需要在负荷控制的基础上，建立完善的配电智能终端系统，以适应当前社会对电力的需求。也就是研制出更加完善和高性价比的智能终端系统具有十分重要的意义3。1.2国内外研究现状与分析日本从20世纪50年代开始在配电线上采用自动隔离故障区,并向健全区(无故障区)恢复送电的按时限自动顺序送电装置；6070年代研究开发了各种就地控制方式和配电线开关的远方监视控制装置；70年代后半期开始利用计算机构成自动控制系统4；其后由于电子技术、计算机技术及信息传送技术的发展,配电自动化计算机系统及配电线远方监视控制系统在实际应用中得到了很大的发展。到1986年,全日本9个电力公司的41610条配电线(占3615%)实现了故障后的按时限自动顺序送出,其中2788条(占617%)实现了配电线开关(指柱上开关)的远方监控(包括一般的和计算机监控)。新加坡公用电力局(PUB)在20世纪80年代中期投运并在90年代加以发展和完善的大型配电网的SCADA系统,其规模最初覆盖其220kV配电网的1330个配电所,目前已将网络管理功能扩展到616kV配电网,进而覆盖约4000个配电所。芬兰“EspooSahko”电力配电公司的配电自动化覆盖了该公司的85000个用户,8座110/20kV的一次变电所,1100km的20kV馈电线和1400个20/0.4kV的配电变电所3。2006年，美国IBM公司曾与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能广东工业大学硕士学位论文2电网”解决方案4。这一方案被形象比喻为电力系统的“中枢神经系统”，电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具，自动监控电网，优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电，消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。2009年1月25日美国白宫最新发布的复苏计划尺度报告宣布：将铺设或更新3000英里输电线路，并为4000万美国家庭安装智能监测终端美国行将推动电力能源智能互动电网的整体革命5。我国目前的配电网很薄弱，绝大多数为树状结构，且多为架空线，可靠性差，尤其在农村，送电距离太长，损耗严重，电压质量差。配电设备比较陈旧，大多是不可遥