（电力系统及其自动化专业论文）电力负荷管理终端及通信规约的实现.pdf

t h er e a l i z a t i o no fp o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a la n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l a b s t r a c t p o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a li sa ni n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n d r e a l t i m e m o n i t o r i n gs y s t e m w i t h c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m o d e r n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y i ti sa ni m p o r t a n t p a r to fp o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e m ，i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e a l i z a t i o no f p o w e rm a r k e t i n g ，c u s t o m e rs e r v i c e ，d e m a n ds i d em a n a g e m e n ta n ds oo n t h i sa r t i c l ea n a t o m i z e st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fp o w e rl o a dm a n a g e m e n t s y s t e ma n t it e r m i n a l ，c l i e n tn e e d s ，t h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o no ft e r m i n a lu s i n g a n ds o o n ，a c c o r d i n gt on a t i o n a ls t a n d a r do fp o w e rl o a dm a n a g e m e n tg e n e r a l t e c h n i c a lc o n d i t i o na n dm u l t i - f u n c t i o nw a t t h o u rm e t e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l a n ds oo n ，u s i n gh o m ea n da b r o a de x p e r i e n c e ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sap r a c t i c a lp o w e r l o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l t h i sd e s i g nu s e st m s 3 2 0 f 2 812a st h ec o n t r o lc o r e ，t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e st h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et e r m i n a la n dh a r d w a v ec i r c u i td e s i g no fs e v e r a li m p o r t a n t m o d u l e s ，t h ed e s i g no fm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，l o a dc o n t r o l ，i n f r a r e dc o p ym e t e r a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，t h i sa r t i c l er e a l i z e st h ea p p l i c a t i o no fp o w e rl o a d m a n a g e m e n ts y s t e md a t at r a n s m i s s i o np r o t o c o la n dm u l t i - f u n c t i o nw a t t - h o u rm e t e r c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nt h et e r m i n a l t h ep o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a lo f t h i sd e s i g nh a sr e a l t i m ed a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g ，i n f r a r e dc o p ym e t e r ，l o a d c o n t r o l ，l c dd i s p l a y i n g ，s u p p o r t i n gs t a n d a r dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n ds oo n k e yw o r d s ：p o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，l o a dc o n t r o l ， i n f r a r e d ，p r o t o c o l 插图清单 图2 1 负荷管理终端硬件构成示意图6 图2 2 电源模块电路原理图7 图2 3 看门狗硬件电路图7 图2 4r s 4 8 5 通信电路原理图8 图3 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与o c m l 2 8 6 4 硬件接口电路图1 6 图3 2 按键与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 硬件接口电路图1 7 图3 3o c m l 2 8 6 4 写操作时序图1 8 图3 4o c m l 2 8 6 4 读操作时序图1 8 图3 5 位图文件结构示意图2 2 图3 - 6 位图文件图像2 4 图3 7 位图文件图像部分数据2 4 图3 8 电压显示的静态画面2 5 图3 - 9 参数的数据结构示意图2 5 图3 1 0 参数修改模块流程图2 6 图3 1 l 菜单按键数据结构示意图2 9 图3 1 2 菜单变迁图l 3 0 图3 1 3 菜单变迁图2 3 1 图3 1 4 按键响应与液晶显示流程图3 l 图4 1 传输规约体系结构示意图3 8 图4 2 规约处理模块流程图4 3 图4 3 解帧处理流程图4 4 图4 4 负控硬件电路图4 5 图4 5 负控报警电路图4 6 图4 - 6 参数处理流程图4 8 图4 7 功控和电控处理流程图5 0 图5 1 红外通信电路原理图5 4 图5 2 红外通信处理模块5 5 表格清单 表3 10 c m l 2 8 6 4 读写时序参数表1 8 表3 2 与液晶显示模块有关联的变量与函数说明1 9 表3 3 位图文件数据分析表格一2 4 表3 4 与按键扫描、处理相关联的变量与函数说明2 7 表4 1 帧格式定义一3 9 表4 2 控制域c 信息说明3 9 表4 3 地址域定义3 9 表4 。4 应用层格式定义4 0 表4 5 应用层功能具体定义4 0 表4 6 与规约处理相关联的变量与函数说明4 4 表4 7 参数和控制命令的定义与说明4 7 表4 8 与负控有关的函数说明5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金a 曼王些叁堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 宅签字蹶哆叼m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目巴工些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁 王些盔堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作薯始圳涟彩 签字日期：y 萨缈月。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新躲调牛青 签字日期：洳7 年啤月g 日 电话： 邮编： 致谢 本项目的研发和本论文的撰写均在科大鲁能集成科技有限公司和实验室同学的 帮助下共同完成的。在此学习和研究过程中，我的导师陶维青副教授给予了悉心的指 导，让我受益匪浅，他那渊博的知识、严谨的态度永远是我今后学习的楷模。研究生 期间，在生活上导师也给了我很多的关怀、帮助和鼓励，在此学生表示衷心的感谢和 深深的敬意。 同时在从事项目和论文撰写中得到了公司同事的帮助，在此向汪丽丽、金冶夫、 周天兵、李林表示诚挚的谢意。 本次论文工作得以顺利完成还要感谢张全、汪俊锋、崔北京、费文坤、周俭节、 陈雄等同学给予我的鼓励和帮助。 最后，衷心感谢我的家人多年来在生活和精神上给予我的支持和帮助! 作者：毛建维 2 0 0 9 年3 月 第一章引言 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 电力负荷管理系统的介绍 电力负荷管理系统是一个集电气工程、自动控制、信息技术和现代管理等多学科 于一体，实现电力负荷管理、电能质量管理、电力营销管理和通信网络连接等多种功 能的一个完整的综合管理信息系统。 电力负荷管理系统的前身是负荷控制系统，早期主要用于执行电力紧张时的“限 电不拉路”。随着电力工业的发展和国民经济结构的调整，电力市场供求关系的变化， 使得电力负荷控制系统转变为电力负荷管理系统系统功能上弱化“控制”，增强“管 理”，保证供电质量，减少各次谐波对电网的污染，提高电压合格率，同时降低线损， 尤其是管理线损，防止窃电行为的发生，尽量降低由此而造成的经济损失。2 0 0 3 年底， 国家有关部门再次对各电力公司提出要重视加强负荷管理工作的要求。随着电力需求 侧现代化的发展，电力负荷管理系统需要不断充实完善新的功能咧。 1 1 2电力负荷管理系统的组成【1 叫 电力负荷管理系统是一种集中控制系统，一般由系统主站、负荷管理终端和主站 与终端间的通信信道组成。 系统主站是电力负荷管理系统运行和管理的指挥中心，它由主站硬件设备和相应 的系统软件组成。在对终端实现数据采集和负荷管理的基础上，为需求侧管理的实施 提供技术手段，为电力营销管理业务提供服务和技术支持。 负荷管理终端由具有数据采集及处理能力的微处理机系统和数据传输通道系统 组成，能够实现采集用户的用电信息、供电状况、电量信息、电表计量数据等各项用 电数据，并能够通过数据传输通道发送到系统主站。 通信信道是系统的通信线路，用于在系统主站和负荷管理终端之间传送信息，通 信信道的质量直接影响着该系统功能的实现。在系统中通信信道的选择，可以视当地 具体情况( 包括地形、地貌、噪声源、频率复用等) 来选择无线、微波通道或载波通道 等。 1 1 3 电力负荷管理系统的意义 在我国人均用电水平还很低的情况下，电力负荷管理不仅缓解了电力的短缺，而 且把电力资源的配置和合理利用提高到了新的水平。因此，负荷管理系统的广泛应用 是电力企业自动化技术发展的趋势，对当前电力企业的生产经营具有十分重要的意 义4 1 。 1 1 4 研究通信规约的意义 目前在电力系统远动通讯领域，有时要根据实际需要对既定的通讯规约进行调 整和修改。调试工程师会觉得这项工作很繁琐，调试不易，如不仔细，还会出现严 重的错误。远动系统的使用者也会因为不能对纷繁复杂的通讯规约都熟悉掌握，而 难以对整个电力远动系统适时、正确地加以监测控制。此外，对于电力系统远动通 讯的学习人员而言，严谨、晦涩的规约行业标准并不是很好的入门材料，甚至可能 阻碍他们前进的脚步。在这种情况下，本课题研究的内容应运而生。 1 2 电力负荷管理终端 电力负荷管理终端是供电企业监控用户用电情况，提高需求侧管理水平的新一代 远程监控装置。它主要应用于变电站、大用户、配变电站等，担负着电力负荷管理系 统数据采集、用户控制、信息交流的重要任务，是电力负荷管理系统的基础。终端 不仅可以接受负荷管理中心的遥控命令，按照中心发来的购电量或计划用电指标实 现当地功率和电量控制，而且完成智能电表数据采集，将用户的用电参数、执行负 荷控制的结果以及终端运行中的一些重要信息和告警信息主动上报或者召测上报。这 样既能够完成各种监控功能，保证有序用电方案的贯彻实施，又便于掌握用户的用 电情况和终端本身的运行工况，提高管理水平，还能向用户传递各种用电服务信息， 如停电通知等，终端配有液晶显示，操作简单直观。 1 3 国内外电力负荷管理系统及终端的研究现状【2 】【5 】【6 】【9 】 1 3 1 国外研究现状 早在1 9 世纪7 0 年代，基于音频控制技术的负荷控制设备就已经在欧美发达国家 广泛地发展和应用。自8 0 年代起，随着电力需求侧管理计划的实施，发达国家的注 意力逐渐从一般的负荷控制技术转向配电自动化、电力负荷管理和对电力市场的支 持。到了2 0 世纪9 0 年初期，世界上已经有几十个国家使用了各种电力负荷管理系统， 各类新型的负荷管理终端设备已达几千万台，可控负荷覆盖全世界发电总装机容量的 1 0 以上。 1 3 2 国内研究现状及趋势3 】 自1 9 7 7 年起，我国开始了电力负荷控制的研究，n 1 9 年上半年，全国已经有约 1 8 0 个地( 市) 级城市供电系统建设了规模不等的负荷控制系统，还有少数县级城市 也开展了这项工作。随着国家经济体制改革的不断深入，电力供需矛盾趋于缓和，电 力部门市场化进程加快，对电力负荷控制技术的发展提出了更高的要求，从系统功能 上弱化“控制”，增强“管理”，逐步适应电力企业商业化运营的要求。同时，电力负 荷管理系统通信规约也被逐步地推广和应用，标志着“电力负荷管理系统”初步的形 成。 随着我国市场经济的发展，尤其是西部经济的跨越式发展，可以说，此项技术在 国网公司及其下属企业已全面推广应用，电力负荷管理系统也需要不断充实完善新的 功能。负荷管理系统的新功能有：远方自动抄表、负荷电量分析和预测、谐波监测、 配变综合监测和集抄转发、数字化营销、反窃电等，其中数字化营销和反窃电是较为 主要的两项新功能瞄j 。 现有的电力负荷管理终端多是根据符合我国国情自主开发和研制的，终端设备具 2 有完善的“三遥”功能和“远方及当地控制”功能。信息技术的发展和应用，使负荷 管理终端能够通过无线信道、移动信道和光纤信道等与负荷管理中心站通信，实现数 据和信息的共享。电力负荷管理系统已经涵盖了变电站、台式变压器、大企业用户、 居民集抄，核心是负控与电量管理，适应了当前电力市场发展、用电管理和营销管理 的需要。 根据国家电网公司制定的“十一五营销现代化发展规划，在“十一五”期间将 进一步提高负荷管理系统的覆盖范围，5 0 k v a 以上的用户都将安装负荷管理终端。在 实际工作中将完成供、购、售电侧的数据采集和用户监控，同时还将深化需求侧管理 职能。 1 4 本论文的主要工作和章节安排 论文选用t i 公司的3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控芯片，依据 、 、 和 等国家标准，借鉴国内外研制同类装置的 经验，基本解决现有同类产品存在的各种问题，尤其在终端的人机界面、负控功能和 红外抄表方面做了多方面的探讨，完成了电力负荷管理终端的研究与设计，以适应电 力负荷管理系统的发展需求。 本论文具体的章节安排如下： 第一章：简要介绍了负荷管理系统的概念、系统组成和意义；介绍了负荷管理终 端的概念；最后介绍了负荷管理系统与终端的国内外研究现状及将来的发展趋势。 第二章：负荷管理终端的整体设计。包括硬件设计与软件设计。 第三章：负荷管理终端的人机界面设计。包括液晶模块的选型、几种方案的比较， 最后实现了液晶显示模块在负荷管理终端中的应用。 第四章：负荷管理终端负控功能的实现。实现了电力负荷管理系统数据传输规约 在终端中的具体应用。 第五章：负荷管理终端红外抄表的实现。实现了多功能电能表通信规约在终端中 的具体应用。 第六章：对本课题做了总结分析，并展望未来负荷管理终端需要改进的一些地方。 第二章负荷管理终端的系统设计 2 1负荷管理终端的硬件电路设计 2 1 1 负荷管理终端的功能要求和设计原则 为了满足电力现场应用对终端设备的不同要求、客户的需求以及所终端使用的环 境条件，比如在我国一些北方地区，长年温度较低，这就要求设备能够耐低温，要具 有良好的低温漂特性，如果是用在室外，则对设备的要求更高。只有经过认真细致的 分析后，才能够进行下一步工作。本文通过对电力负荷管理系统及其终端设备的研究， 参考和借鉴国内外研制同类装置的经验，研究开发了一种实用型负荷管理终端单元， 达到了客户的要求和基本解决现有同类产品中存在的各种问题，以适应电力负荷管理 系统的发展需求。 2 1 1 1功能要求 本次研发的电力负荷管理终端的功能主要包括： ( 1 ) 数据采集和处理功能。终端应能够采集交流模拟量、直流模拟量、脉冲量等。 采集的数字量经过f f t 计算得到各次谐波的含有率或由其他算法计算得到功率、电量 值等。 ( 2 ) 存储功能。终端应能够存储大量的各种实时、历史、统计数据和参数等。虽 然大部分处理器自带存储空间，但是要存储以上数据还需要外扩r a m 、e e p r o m 或 f l a s h 。 ( 3 ) 抄表功能。终端具有r s - 4 8 5 抄表接1 ：3 ，可抄读多功能电能表的数据。同时支 持红外抄表、载波抄表功能。 ( 4 ) 数据传输功能。终端应能够与负荷管理主站通信，支持国电规约；与多功能 电能表和红外手持单元( p d a ) 通信，支持d l t6 4 5 规约。 ( 5 ) 参数设置和查询功能。终端应能够由主站或在当地设置和查询参数，如终端 参数、电压和电流越限值、功率时段和定值、电能表定值和抄表参数等。 ( 6 ) 控制功能。终端应能够完成遥控、功率定值闭环控制、电能量闭环控制、保 电剔除等功能。 ( 7 ) 遥信功能。 ( 8 ) 事件判断与记录功能。记录有效事件；终端应能够根据主站设置的事件属性 按照重要事件( 如终端停上电、电能表飞走) 和一般事件( 电流、电压越限) 分类 记录。 ( 9 ) 按键输入和l c d 显示功能。终端应能够显示各种信息，如实时数据、终端参 数等；具有按键切换显示、动态循环显示和动态刷新显示功能；具有参数修改与保存 功能。 ( 1 0 ) 维护功能。终端应有r s - 2 3 2 本地维护1 3 ，用于终端测试和维护；具备自检 测、软件远程更新功能。 4 2 1 1 2 设计原则【1 0 】【1 3 1 1 、可靠性高 负荷管理终端是负荷管理系统的重要组成部分，电力负荷管理系统是是对电力客 户进行用电负荷实时监测和控制的系统，是确保电网安全可靠运行的保障系统。负荷 管理终端负责执行主站的指令、采集数据、存储和上报等。所以，可靠性高必须是硬 件设计时要考虑的首要原则。 2 、开放性 系统采用国家标准的通信规约。 3 、高精度 负荷管理终端要具有遥测功能，能采集交流电压、电流等电气参数，交流采样对 a d 转化速度和精度要求很高，若用单片机或d s p 自带的a d 模块，在精度和速度上不 能满足要求，例如：单片机m s p 4 3 0 f 4 4 9 内部a d 只有1 2 位，d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部a d 同样只有1 2 位，而且具有偏移和增益误差，若用软件来校准误差，程序设计复杂，最 主要是精度不一定提高。所以计量遥测模块要选用工业级稳定成熟的专用电能量计量 芯片，该专用芯片能够提供分相电压、电流、有功功率、无功功率等基本数据。内部 a d 模块用于对精度要求不是很高的谐波分析与计算。 4 、抗自然恶劣环境能力强 负荷管理终端多安装于户外，硬件装置必须具有耐低温、抗腐蚀等特性。设计时， 应尽量选用工业级芯片。 5 、抗干扰能力强 负荷管理终端主要用于专变的监测和用电控制，现场存在着大量电磁信号等各种 干扰。因此，负荷管理终端硬件必须具有很强的抗干扰能力。硬件设计时，既要考虑 装置本身的电磁兼容性，又要考虑电网信号突变对本装置产生的冲击和电磁干扰，例 如雷电浪涌电流和开关浪涌电压。在遥信输入、遥控输出都要考虑如何减少因外界干 扰而发生误操作的概率。 6 、实用性和先进性相结合原则 在保证装置实用性的前提下，能够满足系统规模和应用功能的不断扩展与完善。 同时要节约成本，提高经济效益，普及推广负荷管理终端产品。 2 2 2 负荷管理终端的硬件构成与工作原理 2 2 2 1硬件构成 根据负荷管理终端的功能要求和设计原则，此次终端由处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、外 扩r a m 、f l a s h 、e e p r o m 、电源模块、模拟量输入信号、按键输入、遥信输入信号、时 钟、l c d 显示、遥控输出信号、遥脉输出信号、g p r s 通讯、r s 一4 8 5 通讯、红外接口、 串口扩展芯片组成。硬件构成如图2 - 1 所示。 图2 1 负荷管理终端硬件构成不葸图 2 2 2 2工作原理 终端上电后，对低压配电网中配电变压器的三相电压、三相电流分别取样后，经 过精密电压、电流互感器分为两路，一路进入a d i 公司的工业级三相电能计量专用芯 片a d e 7 7 5 8 ，定时读取a d e 7 7 5 8 寄存器的值再经过相关计算就得到电流、电压、频率、 有功和无功功率、功率因数等值；另一路经过一阶r c 低通无源滤波后再经过以l m 2 9 0 2 为核心的运放单元最后输入到d s p 的内部a d c 引脚中进行交流采样，经过f f t 计算得 到各次谐波的有效值和含有率。实现了谐波的计算与分析。这样得到的电网状态信息 将会通过显示模块反映给工作人员进行数据的读取，对于那些需要存储的数据，终端 会将其存储在内部存储器或外扩存储器中。定时抄读多功能电能表的数据，存储在存 储器中，能被主站召测或定时显示在液晶画面中，同时终端支持r s 一2 3 2 维护功能， 方便调试，当程序出现b u g 时，通过远程更新功能更新软件，使得工作人员不必亲临 现场，更不必要卸下终端产品烧写程序。 2 2 3 部分硬件电路设计介绍 2 2 3 1电源管理模块 设计中终端采用线性直流稳定电源，将来自电网的交流电压转化为幅值稳定、纹 波较小的直流电压。直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压调理电路组 成。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点之一就是低电压工作，其功耗比较低，可以采用线性稳定电 源转化芯片，经过比较t i 公司的几种线性稳定电源转化芯片( 比如t p s 7 5 7 3 3 只能输 出3 3 v ) 最后选择了t p s 7 6 7 d 3 1 8 ，它能输出3 3 v 和1 8 v 两种电平，而且是待3 3 v 输出稳定后再输出1 8 v ，正好满足了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 外围模块先上电，核心模块后上电 的时序要求，同时该芯片产生的复位信号也可以供d s p 复位使用。硬件电路图如下所 6 不。 图2 2 电源模块电路原理图 2 2 3 2 看门狗模块 虽然t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带看门狗电路，但是没有手动复位功能，产品调试时不方便。 综合考虑，本次设计选用了t i 公司的t p s 3 8 2 3 模块，该模块是带有看门狗输入、手 动复位和低电平复位功能的电源电压监视器。瓣手动复位输入，可通过按键s 7 来触 发r e s e t 变为低电平，进而触发n e 5 5 5 ，经过延迟输出到p e n ，p e n 为高电平分别关断电 源模块t p s 7 6 7 d 3 1 8 的1 8 v 和3 3 v 供电。w d i 为看门狗输入端，该端的作用是启动 w a t c h d o g 定时器开始计数，若在1 6 s ( 典型值) 内不再触发w d i ，丽输出2 0 0 m s 低电平。关断电源模块的原理与丽手动复位输入相同。设计外部看门狗保证系统可靠 复位。 皿l 图2 - 3 看门狗硬件电路图 2 2 3 3r s 一4 8 5 通信模块 r s 一4 8 5 通信方式具有良好的抗噪声干扰性，长距离传输和多点连接能力等优点。 7 各节点通过r s - 4 8 5 总线连接组成半双工网络，采用两线双端半双工差分方式发送和 接收数据，无公共地线，抗共模干扰能力强。 当d s p 向s c i t x 引脚发送数据时，通过t l p l 8 1 进行光电隔离并驱动三极管q 8 转 为截止状态，r e 引脚和d e 引脚被拉高。s n 6 5 l b c l 8 4 d 工作在发送状态，根据d i 引脚 的输入信号向r s 一4 8 5 总线上输出差分信号。在设计中未采用数字引脚直接控制 s n 6 4 l b c l 8 4 收发切换，而利用自适应电路控制芯片工作状态，能够减小在发送数据时 因收发器过早切换为接收而导致数据未能完全发完，或因过晚切换为接收而导致其它 节点的响应报文无法及时接收情况的出现。硬件电路图如下所示。 图2 4r s 4 8 5 通信电路原理图 2 2 负荷管理终端的软件设计【1 5 j 软件设计，必须在熟悉其硬件结构的基础上才能进行。软件的质量对系统的功能、 性能等都有很大的影响。本系统软件首先是嵌入式软件设计，嵌入式软件的资源一般 较为有限，实时性要求高，强调通信功能。其次是模块化设计，每个模块各自实现其 单独的功能，这样有利于软件的修改和移植，实现代码重用，也利于系统实现其功能 扩展。严格的讲，负荷管理终端的软件由主站软件和终端软件2 部分组成【”】，也就是 人们经常说的上位机和下位机软件。主站软件在产品的研发阶段主要用来测试终端软 件，在产品的应用阶段主要召测数据、设置参数命令等，主站软件有专门的主站软件 或自己开发的主站软件，自己开发主要是对 有一个比较深刻的认识，这样开发出来的终端软件可靠性才会更高。 2 2 1 软件开发环境 终端软件的实现以t i 公司的c c s 3 1 软件环境为主要的开发平台，以c 语言为主 要开发工具，同时嵌套汇编语言实现f f t 等特殊算法。终端软件设计既是嵌入式软件 设计又是模块化软件设计。 2 2 2 软件设计思路 2 2 2 1 模块化设计l z j 随着客户要求产品功能的越来越多、自己研发的终端在市场上占有一席之地以及 8 考虑研发周期及费用等的前期下，本系统软件采用自顶向下、结构化、模块化的程序 设计，结合数据结构和软件工程的思想，遵循实时任务调度和任务驱动的机制。模块 化的设计使得程序结构简单、具有低耦合性，高健壮性，便于维护与升级。首先，建 立整个系统软件的框架结构，将其划分为多个相对独立的大模块，设计每个模块的总 体功能，构建与模块相关的任务调度机制，搭建模块问和任务问的关联纽带。其次， 对每个模块采用逐步求精的方法进行细化，对各个任务的程序结构进行完善，直到完 成整个软件的程序编制。最后，将软件和硬件综合起来进行分析、调试、测试，直到 终端能够稳定可靠地应用于配电网现场。 2 2 2 2 事件驱动 事件驱动就是当发生事件时c p u 去处理该事件。最常见的就是中断事件。本系统 中有很多中断事件，注意中断程序必须尽量简短，保证每个中断都能及时得到响应。 常见的做法就是在中断服务程序中设置标志，然后在主程序中根据标志处理该中断事 件。下面介绍时钟中断和串行通讯接口( s c i ) 中断的应用及部分伪代码。 1 、时钟中断 时间由d s p 内部或外部晶振所产生，内部时钟有t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带的3 个3 2 位定 时器( t i m e r o 1 2 ) 、e v 模块中的4 个1 6 位定时器( g p 定时器1 2 3 4 ) ，外部时钟采 用专门的时钟芯片r x 8 0 2 5 ，配置r x 8 0 2 5 寄存器的值使得该时钟芯片不间断地运行并 且每秒钟产生同步脉冲信号输出到d s p 的中断引脚中，在d s p 的中断服务程序中置1 秒标志，这样得到1 秒的时间基准。不同的模块对时间响应的要求不同，根据程序设 计的框架及实际的调试，本次程序设计中配置了一个3 2 位的定时器2 来产生l o m s 的 中断，用于按键扫描、通信处理等。其中t i m e r f l a g 是一个结构体，这样定义即节省 了数据存储空间又使得程序简单明了，增加程序的健壮性。下面为产生l o m s 的中断。 i n t e r r u p tv o i di n t l4 _ l s r ( v o i d ) d i n t ；关中断 t i m e r f l a g f 1 0 m s = 1 ；置中断标志 e i n t ；开中断 ) t y p e d e fs t r u c t u i n t l 6f l o m s ：1 ； u i n t l 6f l o o m s ：1 ； u i n t l 6f l s ：1 ； u i n t l 6f l m i n ：1 ； u i n t l 6f l h o u r ：1 ； u i n t l 6f l d a y ：1 ； 9 u i n t l 6r e s e r v e d ：1 0 ； s t i m e r f l a g ； e x t e ms t i m e r f l a gt i m e r f l a g ； 2 、s c i 中断 下面为s c i a 接收中断，利用s c i 的f i f o 功能，当接收f i f o 不空时继续读取数据， 数据放在接收缓冲c o m b u f a 中。下面为部分伪代码。 i n t e r r u p tv o i ds c i r x i n t a i s r ( v o i d ) d i n t ； 接收f i f o 不空则读取据数据 w h i l e ( s c i a r e g s s c i f f r x b i t r x f i f s ti _ 0 ) t e m p = s c i a r e g s s c i r x b u f b i t r x d t & 0 x f f ； c o m b u f a r x l e n a + + = t e m p ； 接收缓冲 s c i a r e g s s c i f f r x b i t r x f f i n t c l r = i ；将接收中断标志清零 s c i a r e g s s c i f f r x b i t r x f f o v r c l r = i ；c l e a ro v e r f l o wf l a g e r p i e c t r l r e g s p i e a c k b i t a c k 9 = l ：串1 2 1 所在的外围模块中断允许 e i n t ； 2 2 2 3 时间驱动 时间驱动就是到一定的时间c p u 去处理一定的任务。处理完后要清空时间标志， 否则构成死循环。根据时间完成数据采集、数据存储、抄表、按键扫描、遥信与遥控 处理等。下面为主函数在t o m s 时间到时处理按键扫描的部分伪代码。 v o i dm a i n ( v o i d ) d 烈t ； i n i t a l l 0 ； e i n t ； e r t m ； w h i l e ( i ) i f ( t i m e r f l a g f l0 m s ) t i m e r f l a g f lo m s = o ： s c a n k e y 0 ； 扫描按键 l o h a n d l e k e y o ；处理按键 ) ) 2 2 3 软件设计原则【1 0 】【1 5 】 硬件功能能否得到充分的发挥，与软件有着很大的关系，所以软件的设计对负荷 管理终端的性能来说，是至关重要的。在负荷管理终端的软件设计中应遵循以下原则： ( 1 ) 准确、可靠。软件中使用的算法要适合装置性能和功能的要求，编写的程序 不仅要能实现预期的功能，还要考虑各方面可能出现的非正常情况时的处理。 ( 2 ) 易于理解和维护。程序设计不是一次就能完成的，很多要在调试过程中反复 进行调试和修改，这就要求编写的程序易于阅读、理解和修改，容易发现和纠正错误， 并进行修改、补充和完善。 ( 3 ) 在模块化的结构设计中，每个模块的意义单一，各模块之间的联系简单明了。 每个模块的入口和出口明确，每个模块又可以继续划分为更小的模块，形成层次结构， 第一层( 最高层) 就是主程序，其余模块都是子程序。 ( 4 ) 采用c 语言和汇编语言混合编程。现在的c p u ( 单片机或d s p ) ，大多都支持c 语 言和汇编语言编程，为软件开发提供了方便。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 也支持c 语言和汇编语言编 程。设计中，大部分程序采用c 语言编程，但在f f t 计算时调用t i 的汇编库函数。 ( 5 ) 程序设计风格统一。在每个函数的前面，注释函数的功能、函数的输入参数、 输出结果。源程序的编写格式采用锯齿型的缩进规则，处于里层的语句行比外层的语 句行统一缩进几个空格；所有标识符( 变量) 要能反映它们代表的对象的意义；程序中 要插入充分多的注释；在程序的不同层次，变量最好不用相同的名字，在子程序中， 尽量不使用全局变量：程序中尽量不要使用循环嵌套、调用嵌套。 2 2 4 主程序流程图 开始 一一卫一 关闭内部看门狗i ，、，。一 图2 5 负荷管理终端软件流程图 其工作过程是：系统上电( 复位) 后，d s p 首先进行系统的初始化设置，其次对外设( 包 括事件管理器e v ，g p i o 、a d 、l c d 、s c i 、s p i 、t l l 6 c 7 5 2 b 通信芯片和“看门狗”模块 等) 进行初始化，从日历时钟芯片r x 8 0 2 5 中读取当前同历时钟数据，然后从e e p r o m 中 读出装置的运行参数。完成初始化后，主程序进入w h i l e 死循环。在死循环中，所有 的功能模块只有条件满足时才执行，一旦条件不满足，立即进入下一个功能模块判断。 因此并不是每次循环都要执行所有的操作。在一次循环结束时，执行一次“喂狗”程 序。 2 3 负荷管理终端的抗干扰设计 2 3 1 硬件抗干扰【1 2 】 1 2 由于电力系统本身是众多一次系统设备和二次系统设备的集合体，负荷管理终端 作为二次系统设备的一部分，其电磁干扰的来源十分复杂。外来电磁辐射、一次系统 设备、二次系统设备、二次系统设备之间、终端设备内部元件之间、各传送通道间的 电磁干扰均对终端设备产生干扰与破坏。以下是在本次硬件设计过程中总结的几项抗 干扰措施。 l 、合理布局印刷电路板 印刷电路板是整个电路设计的重要环节，布线方法对抗干扰性能有直接影响。在 印刷电路板布局时要考虑以下几点： ( 1 ) 导线宽度不要突变，不要突然拐弯。导线间距离尽量加大，对于信号回路， 印刷铜箔条的相互距离要有足够的尺寸，而且这个距离要随信号频率的升高 而加大，尤其是频率或脉冲前沿十分陡峭的情况更要注意导线间距离。 ( 2 ) 电源线尽量远离数据线和地址线。 ( 3 ) 地线和电源线要适当加宽，采取电源线、地线的走向与数据信息传递的走向 一致，减少分布参数的影响。 ( 4 ) 采用多层板去耦技术。随着微机系统的频率越来越高以及电路的几何尺寸不 断缩小，多层板电路己成为印制电路板的主要模式。多层板的一个重要功能 就是可以大大地降低系统各连线之间的分布参数影响。本次设计装置分为上 下两层板。上层板为核心控制板，主要包括d s p 芯片、时钟芯片、存储器芯片、 看门狗电路、串口扩展芯片、g p r s 模块、开关量输入、开关量输出、r s 一4 8 5 接口等，下层板为电源板。 2 、加旁路电容去除电源干扰 在电源线和地线之间并接旁路电容，并接的电容多为一个大容量的电解电容1 0 - - - l o o u f ( 本次设计为4 7 u f ) 和一个为0 0 1 0 1 u f ( 本次设计为0 1 u f ) 的非电解电容。并 接大电容是为了去掉低频干扰成分，并接小电容是为了去掉高频干扰成分。 3 、滤波 由谐波频谱分析可知，电源系统的干扰源大部分是高次谐波，因此采用低通滤波 让5 0 h z 的基波通过，滤去高次谐波，以改善电源波形。在低压下，当滤波电路载有大 电流时，宜采用小电感和大电容构成滤波网络；当滤波电路处于高电压下工作时，则 应采用小电容和允许的最大电感构成的滤波网络。 4 、屏蔽和隔离 屏蔽是对两个空间区域加以金属隔离，它是抑制电磁场耦合最有效的方法。本系 统装置安装在金属型机壳内，将机壳与主板所处理的信号的零基准电位相连接，并将 设备外壳与大地良好接触，起到屏蔽的作用，同时也可有效防止静电放电干扰。 负荷管理终端外部数字量输入信号经过光电耦合器输入到d s p 的g p i o 引脚，有 利于减少电源冲击、抑制尖脉冲和噪声干扰。数字量输出信号经过光电耦合器控制继 电器的开、合。在r s 一2 3 2 r s - 4 8 5 通信电路中，均采用了光电隔离，防止外部干扰通 过通信线进入装置。 2 3 2 软件抗干扰 有了如上的硬件抗干扰措施，负荷管理终端就相当于有了一道硬件屏障，仅仅这 些是不够的，在软件上，抗干扰措施同样也必不可少。 在实际的使用中，由于干扰或程序自身的原因，程序在运行过程中可能会偏离正 常运转顺序而进入失控状态，甚至陷入死循环，这种情况称之为程序跑飞或死机等。 这种情况轻则影响系统正常运行，重则导致装置发生不可预见的危险情况，因此，防 止死机是对在线运行的装置一项非常重要的要求。一个有效的防止死机的方法是设计 完善的系统死机唤醒电路，即看门狗电路，使系统在死机后重新启动回到正常的状态 下运行。看门狗电路有c p u 自带的看门狗电路，但该电路没有电源监视、手动输入功 能，手动输入在产品的调试阶段很重要，综合以上考虑本文看门狗硬件采用t p s 3 8 2 3 芯片，具体介绍参考2 2 3 2 章节，若在1 6 s 内不再触发看门狗输入端( w d i ) ，t p s 3 8 2 3 复位引脚将输出2 0 0 m s 低电平，强制拉低电源模块的1 8 v 和3 3 v 。看门狗电路复位 c p u ，从而实现程序的自恢复功能。 2 4 本章小结 本章对负荷管理终端功能要求和硬件构成进行了简要地阐述，然后对软件的设计 思路、设计原则进行详细的概述，在此基础上得出主程序流程图，最后介绍了硬软件 的抗干扰措施。 1 4 第三章负荷管理终端人机界面的设计与实现 3 1 人机界面的介绍 负荷管理终端是一种数据采集与控制的终端设备。终端可以直接接收主站的遥控 命令来控制用户的负荷，也可将用户的用电参数、执行负荷控制的结果以及终端运行 中的一些重要信息和告警信息主动上报或者被召测上报。而这些信息都需要显示来实 现人机交互，由于液晶显示模块( l c d ) 具有显示信息丰富、功耗低、体积小、质量小、 无电磁辐射、寿命长、接口方便等优点，而且能显示汉字、图形、表格及曲线等，被 广泛用于各种便携式系统和工业控制系统的前端显示。但大多数l c d 用单片机控制并 用取模软件提取字