（仪器科学与技术专业论文）基于arm和linux的远程负荷管理终端设计.pdf

d e s i g no fp o w e r l o a dm o n i t o r i n gt e r m i n a lb a s e do na r ma n dl i n u x b y ，an gz h e n k u n b e ( h e n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n s t r u m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h u z h i j i e a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：易能砷 日期：驯年s 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密目。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：勺据砷 刷币答辄手以主 日期：如| 1 年f 月形日 日期：计t ，年r 月夕日 硕士学位论文 摘要 本论文主要研究电能负荷管理终端，首先分析负荷管理终端在国内外电力负 荷管理技术中的地位和作用，以及当前负荷管理终端系统的技术水平和实现方法， 最后根据江西省电力局针对终端提出的技术条件和规约的规定采用a r m 嵌入式 系统设计一个负载终端进行负荷终端的研究与设计。本文的研究内容包括电能测 量技术、远程自动抄表技术、嵌入式系统设计、g p r s 无线通信技术应用。 终端系统的设计基于a r m 嵌入式系统。a r m 嵌入式处理器具有处理速度快、 寻址能力强和资源丰富等特点；嵌入式操作系统具有多任务处理能力、模块可裁 剪能力强等优点；所采用的g p r s 网络远程通信技术具有永远在线、通信费用低 廉等优势。上述多项优点有机结合在一起，使得设计出的终端系统具有执行效率 高、通信处理能力强和经济效益好等特点。 在项目开发过程中编写了基于嵌入式l i n u x 操作系统的调用函数和底层硬件 驱动程序，并采用多任务按优先权调度的方式解决了任务处理的实时性问题。 本文共分五章： 第一章：主要介绍本文研究的背景以及目前国内外远程负荷管理终端的现状 与发展趋势，阐述本文研究的意义及主要内容。 第二章：介绍管理终端数据采集原理及其在电能监测芯片a t t 7 0 2 2 a 在终端 中的应用。 第三章：分析嵌入式技术应用于负荷终端的优点，论证系统设计方案与平台 构建。根据江西省电力公司用电现场服务与管理系统终端技术条件和对用电现场 电能监测精度和功能需求，从软件硬件两个方面选择适合于本文的嵌入式系统， 为负荷终端的管理功能提供必要的软硬件条件。 第四章：完成基于a r m 的负荷终端系统硬件电路设计。包含分析系统构成、 以a t t 7 0 2 2 a 为核心的电能监测模块设计以及各单元电路设计。 第五章：完成负荷管理终端软件设计。重点工作是搭建负荷管理终端的嵌入 式l i n u x 开发平台，为后续的应用程序开发提供良好的开发环境。 结论部分总结了全文的工作，指出了后续的研究方向。 关键词：负荷管理终端；a r m ；嵌入式l i n u x l i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sf i r s ts u m m a r i z e st h er o l ea n dd e v e l o p i n gs t a t u so fe l e c t r i c a ll o a d m o n i t o r i n gt e r m i n a l b o t h i nc h i n aa n di nf o r e i g nc o u n t r i e s ，t h ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o da n dt e c h n o l o g yi sa l s oi n v e s t i g a t e d ，a tl a s t ，a ne l e c t r i c a ll o a dm o n i t o r i n g t e r m i n a l ，w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t ht h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to fj i a n g x ib u r e a uo f e l e c t r i c i t yi sd e s i g n e da n di m p l e m a n t a t e d t h em a i nr e s e a r c hp o i n t s i n t h i st h e s i s i n c l u d e se l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n t ，r e m o t ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gm e t h o d ， e m b e d d e ds y s t e md e s i g n ，g p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h ed e s i g n e dt e r m i n a li sa ne m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r mp r o c e s s o ra n d l i n u xo s t h ea r mp r o c e s s o rh a sa d v a n t a g e si nd a t ap r o c e s s i n ga b i l i t ya n d r e s o u r c e sa d d r e s s i n gm o d e t h i sp r o p o s e ds y s t e mt a k e sf u l l u s eo ft h em u l t i - t a s k a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t yo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m a d o p t sa l w a y s o ng p r sn e t w o r k s ，w h i c hi sl e s se x p e n s i v e ，t h i st e r m i n a lh a v es t r o n g a d v a n t a g e s i n e f f i c i e n c y , p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y 、c o m m u n i c a t i o n c a p a c i t y a n d e c o n o m i cb e n e f i t s i nt h i st h e s i s ，f u n c t i o nd e m a n d so ft h et e r m i n a la r ea n a l y z e da tf i r s t ，a n dt h e nt h e h a r d w a r ep l a t f o r m 、s o f t w a r ef u n c t i o n sh a r d w a r ed r i v e r sa r ei m p l e m e n t e db a s e do n l i n u xo sa r ei m p l e m e n t e d p r i o r i t yt a s ks c h e d u l i n gm e c h a n i s mi s u s e dt om e e tt h e r e a l t i m er e q u i r e m e n t so ft e r m i n a l t h i st h e s i si so r g a n i z e di n t of i v ec h a p t e r s i nc h a p t e ro n e ，r e s e a r c hb a c k g r o u n d 、s t a t u sa n dt e n d e n c yi nr e m o t ee l e c t r i c a l l o a dm o n i t o r i n gt e r m i n a l 、r e s e a r c hm e a n i n g sa n dm a i np o i n t s o ft h et h e i sa r e i n t r o d u c e d i nc h a p t e rt w o ，t h ec o n t e n ti sm a i n l yo nd a t aa c q u i s i t i o nm e t h o da n dt h e a p p l i c a t i o no fe l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r i n gi ca t t 7 0 2 2 a i nc h a p t e rt h r e e ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ea d v a n t a g e so fe m b e d d e ds y s t e mi n e l e c t r i c a l l o a dm o n i t o r i n gs y s t e ma n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e ds y s t e m s c h e m a a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a la n dp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t so fj i a n g x ib u r e a uo f e l e c t r i c i t y ，t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc h o s e n f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i cl o a dm o n i t o r i n g e m b e d d e ds y s t e ma r e e l a b o r a t e d i nc h a p t e rf o u r , t h eh a r d w a r ei n c l u d i n ga r mp r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a lc i r c u i t s i i i 硕l 学位论文 a r ei m p l e m n t e d t h ee m p h a s i si so ns y s t e m c o n f i g u r a t i o n 、e l e c t r i c a le n e r g y m o n i t o r i n gm o d e la n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t s i nc h a p t e rf i v e ，t h eh s o f i w a r ef o rt h et e r m i n a li si m p l e m n t e d t h ee m p h a s i si s o nt h eb u i l d i n go ft h ee m b e d d e dl i n u xp l a t f o r mf o re l e c t r i c a ll o a dm a n a g e m e n t t e r m i n a l ，w h i c hp r o v i d e sa ne n v i r o n m e n tf o rt h ea p p l i c a t i o np r o g r a md e v e l o p m e n t t h ec o n c l u s u i o ns u m m a r i z e st h i st h e s i sa n dp o i n t so u tf u t h e rr e s e a r c hp o i n t so f t h i st h e s i s k e yw o r d s ：p o w e rl o a dm o n i t o r i n gt e r m i n a l ；a r m ；e m b e d e dl i n u x i v 硕 学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要一i i a b s t r a c t - i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景”l 1 2 我国电力负荷管理技术的发展现状2 1 3 国内外负荷管理技术的发展趋势”4 1 4 主要研究内容5 第2 章电参数数字测量原理- 7 2 1 电参数离散采样测量原理“7 2 2 电能参数的测量o j 9 2 2 1电压、电流有效值的测量9 2 2 2 有功功率及能量的测量1 0 2 2 3 无功功率及能量的测量1 0 2 2 4 视在功率的测量1 0 2 2 5 三相三线制合相功率的测量1 1 2 2 6 三相四线制合相功率的测量”1 1 2 3 本章小结一1 1 第3 章负荷管理终端平台构建一1 2 3 1 终端功能要求一1 2 3 2 终端结构框图1 3 3 - 3 嵌入式系统简介1 3 3 3 1 嵌入式系统硬件1 3 3 3 2 嵌入式系统软件”1 4 3 3 3 嵌入式应用软件18 3 4 嵌入式终端平台构建方法1 8 3 4 1 嵌入式系统设计方法变化的背景1 8 3 4 2 以实时操作系统为基础的嵌入式软件开发平台1 9 3 4 3 基于操作系统的嵌入式开发平台构建的一般步骤1 9 3 5 负荷管理终端处理器选型2 0 3 5 1a r m 嵌入式处理器介绍2 0 v 硕 ：学位论文 3 5 2a r m 嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 介绍“2 0 3 6 负荷管理终端操作系统选型2 1 3 7 负荷管理终端平台的确定2 2 3 8 本章小结2 3 第4 章终端硬件设计2 4 4 1 终端系统构成一2 4 4 1 1 终端功能要求2 4 4 1 2 系统构成2 4 4 2 终端电能监测模块硬件2 5 4 2 1电能计量芯片的选型2 5 4 2 2a t t 7 0 2 2 a 的引脚功能描述2 6 4 2 3a t t 7 0 2 2 a 内部工作单元性能参数2 8 4 2 4a t t 7 0 2 2 a 数据采集模块2 9 4 3 电能参数在测量模块中的实现”3 0 4 3 1 有功功率及能量测量的实现一3 0 4 3 2 无功功率及能量测量的实现一3 l 4 3 3 视在功率测量的实现31 4 - 3 4s p i 通信接口31 4 4 测量电路单元3 3 4 5 串行接口电路3 4 4 6s d r a m 存储系统电路一3 5 4 7n a n df l a s h 存储系统3 6 4 8 终端现场通信3 7 4 9 终端远程通信接口一3 7 4 1 0终端输出开关量一3 8 4 1 l 复位电路。3 8 4 1 2 终端电源电路3 9 4 13本章小结4 l 第5 章终端软件设计4 2 5 1 交叉编译环境的搭建一4 2 5 2u b o o t 简介4 4 5 2 1u b o o t 支持的主要功能4 4 5 2 2u b o o t 的重要目录4 5 5 2 3u b o o t 的启动过程4 5 5 3u b o o t 移植”4 7 v i 硕上学位论文 5 4 嵌入式l i n u x 移植4 8 5 4 1 内核移植概述”4 8 5 4 2 系统移植方案4 9 5 4 3 内核移植过程5 0 5 4 4 配置及编译内核51 5 5 构建根文件系统5 2 5 5 1 b u s y b o x 简介5 2 5 5 2 b u s y b o x 的编译和安装- 5 2 5 6 嵌入式l i n u x 驱动开发5 5 5 6 1 串口的驱动5 6 5 6 2s p i 接口的驱动5 7 5 7 主要功能模块程序设计5 7 5 7 1 三相电能参数的定时采集任务设计”5 8 5 7 2g p r s 模块通信任务设计5 9 5 8 本章小结：6 0 结 论6 1 参考文献6 3 蜀c谢6 6 附录a ( 攻读硕士期间所发表的学术论文目录) 6 7 附录b ( 远程负荷管理终端主电路图) 6 8 v i l 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着中国经济的迅速发展，各行业对电力的需求量也在飞速增长，使得近年 来国内的供电和需求之间出现了较大的缺口，对现有的电力供应设施产生了巨大 的压力。为了缓解这种压力，在全国范围内加大装机容量的同时，加强电力需求 侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，d s m ) ，利用经济杠杆手段使有限的电力发 挥更大的作用，这在当前电能管理行业是一个重要的研究课题。用电现场负荷管 理终端( 以下称负荷管理终端) 是电力需求侧管理的一个重要组成部分，是负荷 管理的技术手段i l 】。对供电部门来说，在保证供电和用电电量平衡的情况下，可 以少装发电机组，提高现有发电设备的利用率；对用户来说，用同样多的电量可 少花钱，对供、用电双方都有明显的经济效益【2 1 。因此，负荷管理终端的研究与 设计对加强用电管理具有很大实际意义。 负荷管理终端利用微电子技术、传感器技术和电力电子技术对用电现场的各 种电参数进行采集，实现用电现场的电能计量，记录电压、电流、功率和功率因 素等参数，能够根据预先安排好的控制方案对终端用电设备进行功率控制、电量 控制、临时限电控制和远程遥控等综合控制，实时计算用电负荷曲线。能够及时 捕捉、记录现场的各种告警事件，并通过有线或者无线的方式远程上报告警时的 相关电能参数。能对用电现场实施全方位的监控，为电力管理部门对用电现场的 进行远程管理提供了重要的管理工具，是电力需求侧管理重要组成部分。 负荷管理终端在电力需求侧管理中承担着重要角色，它不仅能够为电力管理 部门提供用户用电的各种实时信息，而且能执行电力管理部门发出的远程命令， 操作实时性好，为电力管理部门和用电企业间搭起了信息桥梁。尤其是管理部门 可以向用电端下放合理的用电方案从而实现对企业用电实施宏观调控，这在近年 来的电力紧缺情况下起到了“移峰填谷”的效果，在一定程序上缓解了用电紧张局 面，这对企业的长远发展和电力管理部门的合理调度电能起到了巨大的推动作用。 因此对负荷管理终端的研究具有重大的现实意义，并在一定意义上推动了电力行 业的可持续发展。 负荷管理终端应用到电力需求侧管理中，将在缓解电力行业的供电压力方面 起到积极作用i j j 。 现有的负荷管理终端产品，一般采用1 6 位处理器，外围资源有限，运算速度 慢，功能单一，在实际应用中主要用于远程抄表”j 。通信方式一般采用电力载波、 基于a r m 和l i n u x 的远程负荷管理终端设计 电话线和无线电台等方式，这些通信方式都存在维护困难、可靠性差等缺点。虽 然有些负荷管理终端采用计算机工作站的形式，但由于成本高而无法推广，不能 满足当今电力市场飞速发展带来的用电管理终端需求量增长。电力市场对高性能 负荷管理终端的大量需求带来的广阔市场前景，推动了该类产品的研发和生产。 1 2 我国电力负荷管理技术的发展现状 我国电力负荷管理技术起步较晚，改革开放后经济迅猛发展，电力供应出现 严重供不应求局面。针对我国较严重的缺电情况，电力管理部门提出了用行政、 经济手段进行控制的传统电力负荷管理方法，以解决供需矛盾、调整负荷曲线， 保证电网安全经济运行。但由于缺乏必要的技术手段，很多地方计划用电政策因 得不到有力的贯彻与落实而使执行效果大打折扣。 在计划用电和电力供需矛盾十分突出的情况下，电力负荷管理技术的研究和 应用的问题开始引起重视。1 9 7 7 年底，我国开始了电力负荷管理技术的研究和应 用工作，这一过程大致可分为三个阶段： ( 1 ) 1 9 7 7 1 9 8 6 年为探索阶段，研究了国外电力负荷管理技术所采用的各种方 法，并自行研究了音频、工频波形畸变、电力载波和无线电控制等多种装置。同 时由国外引进一批音频控制设备，安装在北京、上海、沈阳等地。 ( 2 ) 1 9 8 7 1 9 8 9 年是有组织的试点阶段：主要试点开发国产的音频和无线电负 荷管理系统，分别在济南、石家庄、南通和郑州安装使用，都获得成功，随后就 在全国范围推广应用。 ( 3 ) 1 9 9 0 年开始进入了全国推广应用电力负荷管理系统阶段。至1 9 9 6 年上半 年，全国已有约18 0 个地( 市) 级城市供电系统规模不等的建设了负荷管理系统， 还有少数县级城市也开展了这项工作【5 】。 我国自二十世纪九十年代开始引入需求侧管理以来，电力负荷管理作为需求 侧管理的一个重要组成部分得到了很大发展，实现了从最初的单向控制到双向控 制和从单纯的遥控功能发展到集遥控、遥信和遥测等多项功能于一体的转变，建 设了较为完善的用户侧网络【6 1 。这些成果为推动d s m 迈向现代高效的管理平台提 供了技术支持，为平滑负荷曲线、合理安排负荷水平、催收电费等起到了良好的 支持作用。 电力负荷管理系统作为实现d s m 现代化重要管理工具，它的大量应用能够 对电力企业和整个社会产生明显的经济效益。通过有效的负荷管理，可以有效控 制高峰负荷，达到移峰填谷的目的，解决日益扩大的“峰谷差”所带来的低用电效 率等问题，同时对提高电力负荷的运行效率、降低电力供应侧的运行成本、解决 大面积的“电荒”等问题都具有明显的现实和深远意义，这也是各发达国家不遗余 力地完善负荷管理系统的根本原因。以广东电力集团为例，2 0 0 3 年8 月和9 月仅 2 硕士学位论文 因加强负荷的削峰填谷管理所带来的运行效益就相当于新建了一个5 0 0 m w 的电 厂，电网平均负荷率同比上升约3 5 个百分点。正因为其良好的运行效果，国家 有关部门在2 0 0 3 年底对各电力公司提出要重视加强负荷管理工作的要求。沿海一 些省市如上海市以此为契机装备了一千多套负荷管理终端，为d s m 的进一步推 广提供了实践依据【7j 。 随着d s m 的发展，电力负荷管理需要不断完善充实新的功能，解决现有负 荷管理终端在应用中存在的如下方面问题： 1 传统的用电管理系统采用集中控制方式，系统复杂且可靠性不高 随着用电管理系统的智能化程度不断提高，系统也变得越来越复杂，其可靠 性和稳定性问题显得尤为突出。如果还采用传统的集中管理方式，则用电管理部 分( 上位机) 的任务繁重，而用电管理终端的任务少，终端资源没有得到充分利 用，这使得整个系统的危险过于集中，系统的局部故障就可能引起整个系统的瘫 痪。另外，采用集中管理方式，整个系统的通讯数据量大，增大了系统的运行成 本。 。 。t ， 2 通信方式单一，维护成本高 一 负荷管理系统需要采集和处理大量数据，这些数据由终端设备从现场采集然 后经过终端处理后再通过某种传输方式传送到远程管理中心，由于负荷管理终端 系统具有设备量大、地域分散和通信实时性要求高等特点，所以在选择通信方式 时不仅要实用性好，而且要求有较好的可维护性。 按照通信媒介不同可将负荷管理终端划分为电力载波负荷管理终端、光纤负 荷管理终端、无线电力负荷管理终端等【8 】。 载波通信的信号传输通道就是输电线，这种通信方式广泛用在电网主干道高 压线上。它的优点就是当负荷管理装置重建或移动时不需要重建通信通道，但是 由于配电网络的结构相当复杂，而且存在大量的干扰噪声，使得传输信号容易衰 减，因此电力载波通信的可靠性和有效性无法保证。 光纤通信的优点是高带宽、容量大、传输速度快、抗电磁干扰的能力强、数 据保密性好等优点。其缺点是铺设光纤和架设连接装置的费用昂贵。因此光纤通 信只适合作为配电网络中主干道的通信方式，因此，负荷管理终端必须配备其他 高效的通信方式。 无线电通信的优点是采用专用频段，抗电波干扰能力强，适合中、短距离通 讯。其缺点是如果超过传输范围，则需要建立中继站，增加了架设成本。因此无 线电负荷管理一般适用于平原地区，负荷分散、密度不大的边远地区。在城市， 由于楼宇非常集中且比较高大，这些都将对无线电信号的传输产生阻隔和干扰作 用，影响了通信的可靠性。目前使用的2 3 0 m 无线专网电力负荷管理装置存在通 信不稳定、维护量过大的缺点。 3 基于a r m 和l i n u x 的远程负荷管理终端设计 g p r s 通信是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域 的无线i p 连接。与其他通信方式相比，g p r s 通信方式具有传输能力强、可靠性 高、复用公用无线网络、价格低廉等特点。 3 现有终端产品功能单一，智能化程度低 以往的终端设备仅负责把现场计量装置的数据按照指定的通信规范( 通常为 4 8 5 规范) 集中采集，再按国标通信规约或自定义通信规约将数据通过传输介质 传送到管理系统。主要实现“抄表”的功能，虽然有些终端具有管理功能，但大多 功能较简单，智能化程序较低1 9 j 。 现代化的终端设备要求终端系统功能完善、能够识别不同厂商的通信规约， 从而实现在不同系统中的互联，实现历史数据查询、故障报警等功能，通信方式 要求实用可靠，维护方便而成本低，随着新技术的发展，终端已具备故障诊断和 维护自动化，这都是终端智能化的体现。 1 3 国内外负荷管理技术的发展趋势 对用电负荷进行管理是伴随着对电力需求激增而出现的。早在十九世纪末， 约瑟夫若丁从经济管理学角度提出用不同电价鼓励用户均衡用电。到了1 9 1 3 年， 都得尔等三人提出设想将2 0 0 h z 1 0 v 的电压叠加在供电网络上，控制路灯和热水 器的方案，这就是最早的负荷管理方法音频脉冲控制法i l 。 自1 9 4 5 年起，欧洲大陆各国已广泛地发展和应用了音频脉冲控制技术。日本 在六十年代初期开始注重研究负荷管理技术，从欧洲引进音频控制技术，经进一 步吸收改造，至七十年代日本已经大量安装使用了音频脉冲控制装置。在美国， 由于资源较丰富，负荷管理问题一直没有得到应有的重视。直到后来发生石油危 机，美国政府才认识到负荷控制在节约能源方面的重要性，开始大力研究负荷管 理技术。在七十年代中期，先是从瑞士引进了的音频脉冲控制装置，后来又自主 开发了无线电负荷管理，配电载波负荷管理和工频电压波形畸变控制等多种方式， 到了九十年代初美国已经在电力系统中装备了近两百个负荷管理系统】。 到二十世纪九十年代初期，世界上先后有几十个国家使用了各种不同类型的 电力负荷管理系统，先后安装各类终端设备超过三千台，可控负荷的覆盖面约占 全世界发电总装机容量的百分之十。 随着计算机技术、微电子技术和数字信号处理理论的发展以及配电网自动化 系统的实施，电力负荷管理装置需要管理的信息越来越多，数据处理量也将越来 越大，这些都将导致管理终端对数据采集实时性和精度的要求越来越高。过去的 保护、测量和管理方式已经不能完全满足电网自动化的需要，因而促使了新一代 电力负荷管理装置的研制。新一代负荷管理装置是集保护、测量、控制、通信等 多种功能于一体的综合智能化装置。3 2 位a r m 嵌入式芯片的处理速度以及数字 4 硕f ：学位论文 信号处理技术的日趋成熟完善，都为新型负荷管理装置的研制提供了强大的技术 支持。 目前我国电力供应不足，发电厂发出的电量不能完全满足用户的需要。在这 种情况下，电力负荷管理系统一方面要担任削峰填谷功能，另一方面的主要工作 就是计划用电，即在定时间内限制需求侧的用电行为，以达科学使用电能的目 的，避免采用拉闸的办法分区停电。因而对新一代的电力负荷管理终端的性能特 征有了新的要求，需要在传统电力负荷管理系统的基础上扩展功能，使之在用电 管理方面发挥出更重要的作用。将这些扩展功能和负荷管理结合在一起，就组成 了负荷管理系统它是实现用电管理自动化的重要手段，也是电力负荷管理技 术的必然发展方向12 1 。 从目前电力系统管理自动化技术的发展趋势看，电力负荷管理系统的功能急 需在功能及技术上加以扩充，以满足用电管理的需求。新一代的电力负荷管理系 统应从以下几个方面进行功能扩展【1 0 】： ( 1 ) 加强集中抄表和远程抄表功能； ( 2 ) 加强预购电和限电催费功能； ( 3 ) 增加终端数据用户侧共享功能； ( 4 ) 增加供电质量管理功能； ( 5 ) 增加电能损耗管理功能； ( 6 ) 增加负荷统计分析预测管理功能； ( 7 ) 增加防窃电功能； 1 4 主要研究内容 基于系统的可靠性和稳定性问题，采用上位机集中管理和现场监测与管理终 端分散管理相结合的方式是系统发展的必然趋势。在集散管理的方式中，上位机 侧重于对整个系统的管理，分散在现场的终端负责对现场各种参数的采集、分析 和管理，上位机将控制方案、数据采集频度和现场管理方式下载到终端设备，使 得终端的资源得到了充分利用，减少了通讯数据量，一定程度上降低了系统成本， 同时也减轻了上位机系统的任务，局部的故障对整个系统产生的影响较小，提高 了系统的可靠性和稳定性【1 3 l 。 本文采用高性能的a r m 嵌入式处理器芯片$ 3 c 2 4 4 0 a 及高精度的三相电能 计量芯片a t t 7 0 2 2 a 设计了远程负荷管理终端，数据采集由专用芯片自动生成， 嵌入式处理器只负责数据的读取与后期处理，简化了软件编程，缩短了软件开发 周期。该计量芯片支持全数字校表，即软件校表，软件校表不仅提高了校表精度， 而且简化了硬件设计，从而降低设计成本。它为负荷管理终端装置提供了功能最 齐全、设计最简单现场数据采集方案。 摹于a r m 和l i n u x 的远程负荷管理终端设计 全文共分五章，各章节主要内容如下： 第一章：主要介绍本文研究的背景以及目前国内外远程负荷管理终端的现状 与发展趋势，阐述本文研究的意义及主要内容，寻找一种合适的设计方案。 第二章：介绍管理终端数据采集原理及其在电能监测芯片a t t 7 0 2 2 a 在终端 中的应用。 第三章：分析嵌入式技术应用于负荷终端的优点，论证系统设计方案与平台 构建。根据江西省电力公司用电现场服务与管理系统终端技术条件和对用电现场 电能监测精度和功能需求，从软件硬件两个方面选择适合于本文的嵌入式系统， 为负荷终端的管理功能提供必要的软硬件条件。 第四章：完成基于a r m 的负荷终端系统硬件电路设计。包含分析系统构成、 以a t t 7 0 2 2 a 为核心的电能监测模块设计以及各单元电路设计。 第五章：完成负荷管理终端软件设计。重点工作是搭建负荷管理终端的嵌入 式l i n u x 开发平台，为后续的应用程序开发提供良好的开发环境。 结论部分总结了全文的工作，指出了后续的研究方向。 6 硕士学位论文 第2 章电参数数字测量原理 由电工学基本知识很容易得到交流信号有效值、有功功率、无功功率、功率 因素等计算公式，而在电子式测量表中都是根据抽样定理，对有限带宽连续信号 进行抽样，若抽样频率大于信号最高频率的两倍，则可由离散采样值恢复连续信 号的全部信息14 1 。 2 1 电参数离散采样测量原理 负荷管理终端的一个重要作用就是实现电能参数的测量，是终端的一个重要 组成部分，测量精度直接影响负荷管理终端的实施负荷管理的准确度。测量单元 的主要作用是将输入的电压与电流信号变换成与功率成一定比例关系的脉冲信 号，然后送至分频和计数。其中乘法器是电子式测量模块中的核心组成部分。乘 法器的类型决定了测量模块的结构。由此大体可分为以模拟乘法器为核心和以数 字乘法器为核心两类。数字乘法器则以微处理器为核心的高精度a d 型为代表。 初期的电子式测量模块以时分割型为主，目前则以数字乘法器为主。 1 数字乘法器 数字乘法器型测量模块以微处理器为核心，将经过前端信号采样网络预处理 的被测电压和电流信号由a d 转换器完成模拟信号的数字化处理，然后微处理器 对采样并且数字化后的被测信号进行各种判断、运算以及处理，从而实现各种功 能。 利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率，图2 1 为电压、电流信号的 分时采样与采样点功率。从图2 1 可以看到各采样点功率p ( 乙) 为 p ( 乙) = u ( t d f 纯)( 2 1 ) 一个周期r 内的平均功率尸为 p 2 专m r l ) 砸- ) + ”+ “以) f ( 乙) + 砸) f ( k ) 】_ 善专甜( 乙) f ( 乙) ( 2 2 ) 令a t = t k - t k 一。，则一个周期内的电能矿为 = 去“心) f ( 乙) 】r ( 2 3 ) 一 ， 、仃7 、仃，j 、7 n = l y 若址- 9 0 ，则有 矽= 【甜( ，) i ( t ) d t = t u l c o s 妇p ( 2 4 ) 7 基于a r m 和l i n u x 的远程负荷管理终端设计 呱删。一 ，l ，2 t n l i - j i ( t ) 勰爪；k t 妙一i n 灿渺。 ，) = u ) it n ) ) m 腻绷励 t 妙ww 图2 1 分时采样与采样点功翠 式( 2 3 ) 说明将各采样点的电压、电流相乘积的累加和再乘以采样周期就是该 采样周期平均电能。式( 2 2 ) 是一个离散化的计算公式，可以由微处理器轻松的完 成。这种方法通过a d 转换器也就是模数转换器把交流电压、电流模拟信号转换 为数字信号。如果在工频5 0 h z 的交流电压下，电流的周期为2 0 m s ，每10 0 u s 采 样一次，则一个周期可以进行2 0 0 次采样。根据抽样定律，增加采样次数就可以 提高电能测量的准确度。因此，电子式测量方法的误差主要来源于采样频率、a d 转换器的转换精度，采样电路以及其后的放大线路元器件的分散性造成的幅值和 相位误差。可以通过硬件电路和软件程序来实现对误差的补偿。 数字型乘法器的关键器件是a d 转换器也就是模数转换器。a d 转换器将交 流电压、电流信号模拟量转换为数字量。所有的a d 转换器的工作过程就是由采 样、量化和编码三个基本转换过程组成的。传统的a d 转换方法是先把模拟信号 离散为一系列的离散样本，然后对这些样本采用类似天平秤重的方法加以转换( 即 逐步加码转换，使这些码值的总和与离散样本尽可以相等) 。近几年来，随着数 字信号处理技术理论的日趋完善以及大规模集成电路技术的调整发展，一aa d 转换器的出现使上述问题发生了转机。转换器是基于通信编码理论和数字信 号处理技术的新型a d 转换器f 1 5 】。接下来将介绍这种a d 转换器的工作原理。 2 一aa d 转换器的工作原理 一aa d 转换器主要采用了增量调制、采样抽取、数字滤波和噪声整形等 技术。它主要由增量调制器和数字滤波器这两部分组成。 用x ( ，) 表示一个变化的模拟电压信号，另外再用一个阶梯波x o ) 与x ( r ) 充分拟 合，如图2 2 所示。对x o ) 的近似程度取决于时间分段单元出和电压分段单元u 8 硕， ：学位论文 的大小，即址和u 取值越小，x ( ，) 越近似x ( f ) 。所以要想用x ( f ) 代替x ( ，) ，必须 使r 和u 充分小，才能保证一定的近似精度。这里的；( f ) 就是x ( f ) 的一系列离散 值，时间间隔为一个血。每一个离散值由其相应的阶梯高度的总和来表示，即 ，u 。；( f ) 的每一个阶梯值都已在图2 2 中示出，值得注意的是，这里的每个阶 梯与前一个阶梯的高度之差为u ( v ) 1o12 345 67676 5455 图2 2a d 转换器原理示意图 图2 2 如同一张x ( f )