（电工理论与新技术专业论文）基于嵌入式操作系统的电力实时信息采集技术研究.pdf

a b s t l t a c t a b s t r a c t p o w e rs y s t e mi sac o m p l e x ，n o n l i n e a r 。h i g h - d i m e n s i o n a la n di n t e r c o n n e c t e d s y s t e m s a n di nd i f f e r e n to c c a s i o n s t h ed e m a n d sa r ea l s od i f f e r e n t t h ew o r k i n g e n v i r o n m e n ti sr e l a t i v e l yp o o r a 1 1o ft h e s eh a v em a d et h er e a l i z a t i o no ft h e p o w e ri n f o r m a t i o ns y s t e md i f f i c u t y t h ep r o c e s sn o to n l yn e e dg o o dm a n a g e m e n t ， d e c i s i o n - m a k i n gs y s t e ma n dp l a n n i n gr e a s o n a b l e ，i ti sa l s oi m p o r t a n tt h a tt h e l o c a ld a t ah a v e b e e nc o l l e c t e da c c u r a c ya n db e e ns e n tf a s t i nt h i si s s u e 。u s i n gl p c 2 2 1 4a st h em a s t e rc o n t r o ls y s t e mc h i p s a d i s b l a c k f i n 5 3 2a sac o p r o c e s s o rf o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a n do nt h eb a s i s o ft h e m w i t ht h en e c e s s a r yp e r i p h e r a lc h i p st oa c h i e v er s 4 8 5b u sc o m m u n i c a t i o n s ， g s ms m st r a n s c e i v e r 。u s bh i s t o r i c a ld a t ad o w n l o a d t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h er e a l t i m ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nd e v i c e i nt h ep o w e rs y s t e ma sw e l la ss o m ep o p u l a rd e s i g np l a n t h et h i r dc h a p t e r i n t r o d u c e dt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，a n dt h er e l i a b l eh a r d w a r ec o n n e c t i o ne n s u r e t h a ta 1 1t h et o ps o f t w a r ec a nw o r kw e l l i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h ea r ms y s t e m i si n t r o d u c e d f i r s t ，a n dt h e ni su c o sb a s i ck n o w l e d g e 。 a sw e l la s t r a n s p l a n t a t i o no ft h eo p e r a t i n gs y s t e mi nt h el p c 2 2 1 4 f i n a lw r i t et h ev a r i o u s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed r i v e r sb a s e do nt h eu c 0 s c h a p t e rf i v ed e s c r i b e s as y s t e mf o c u s e do nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed r i v e ra n dt h eu p p e rm a n i p u l a t i o n f u n c t i o n s ，s p e c i a lo nu s ba n df i l e s y s t e mi nt h er e a l i z a t i o no ft h ep l a t f o r m , i t s s y s t e mi n t e r f a c ed r i v e rb e c o m e ss i m p l eb e c a u s eo fu s i n gt h ee x t e r n a l ，b u ti t s t h er e a l i z a t i o no ft h eu p p e ra n dc a l l e dr e l a t i o n sw i l lb eq u i t ec o m p l e x k e y w o r d a r m ，u s bh o s t ，i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 签名：轴年隰 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 签名妨 i x 导师签 日期：2 ，扩岁j 一 第一常绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统酶概述 髓蓿社会的日益信息佳，计彝机和嘲络融缀渗透到了日常生活中的每一个角落。每个人都或多 或少的拥有一些使用嵌入式技术的电子产晶，比如m p 3 ，p d a ，g b 或是一些数字化的家瓤产品，车 载电予设备。通常，嵌入式系统被定义为以赏域某种麻朋为目的，以微处理器( m c u ) 为核心，软 硬f l ：均可裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积，功耗严格要求的专用计算机系统。 目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在数鬣上已经远远超过了通用计算机。尤其魁在工业和 服努领域，使川嵌入式技术的数字机床、智能：c 具、工业控制机、娱乐产品，正在慢慢地改变社会 嫩产、嫩活的方式方法。 1 1 1 嵌入式处理器的分类 嵌入式系统舱椽0 部锌楚备静类型l l 孽暇入戏锾娩理器，霹蘸屠不完全统诗，全氆器嵌入式鲶理 嚣瓣秘黉已经超过了1 0 0 0 多韩，流露的髂系缎籀露3 0 多穆。蔽攥其理状，可班分为4 类 l l ： 嵌入式徽娃理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n 轻e m p 汝巍入式壤建理器敕蒸萋窭楚遴耀谤舞枧辛 静c 双j 。它具有体积，j 、重量轻、成本低、西纛链糕麓优点。餐是，在电路板土描籁毯撼韶镳器、 慧线接口，各种终设等器件，降低了系统的w 纛性，技术保密性也较差。嵌入式徽处理器秘魏盘要 静a m l 8 6 8 8 ，3 8 6 e x , s c - 4 0 0 ，p o w e rp c ，6 8 0 0 0 , m i p s ，a r m 系列。 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t , m c u ) 嵌入式微控制器以某一种微处理器内核为梭心，将 整个计算机系统集成到一块芯片中。它的主鼹特点楚单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下 降。w 靠性提高。嵌入式微控制器主要是5 1 系硎的产品。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行 了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 谱分析等方面d s p 算法j e 在大量进入嵌入式领域，所以。嵌入式d s p 处理器获得了广泛的应用。比较 材代袭性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系岁n 和m a t o m l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 撒入式片上系统( s y s t e mo nc h i p , s o c ) 麓辫e d i 的推广羊, i i v l s i 设计的普及纯，以及半导体”慧的 遗遮发袋，在一个建冀上实现一令更为复杂的系绞，遮藏是嵌入式舞上系统。s o c 可分灸通燃穗l 专 蠲瓣炎，逶瑙s o c 翔l n f i n e o n ( s i e m e n s ) 戆t r i c o r e , m o t o r o l a l 鳇赫o 溉e 曲e l 和m a t o f o l a 袋仑麟翱灼 n e u r o n 蕊菏等：专翊s o c 一般专蠲予菜个竣蘩类系绞巾，絮p h i l i p s 戆s m a r t x a o 。由于整个 茨入式系统 豹犬魏分功麓都集中在一块或j t 块芯片主，波羽电路变褥菲常篱滔，对于减小俸积和磅耗，掇蔚西 纛憔番i 保密性都非常有裁。 1 1 2 嵌入式操作系统的发展 许多简单的嵌入式系统并不需要嵌入式操作系统。但是，随着嵌入式系统复杂性的增加，操作 系统龆得越来越重要。因此，必须对复杂的嵌入溅软件系统进行合理的控制。目前，嵌入溅撵作系 统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明最的阶段： i 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，慰以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。同 时具有与j l 拄测、伺服、指示设备相配合的功能。遮阶段系统的主要特点是：系统结构和功能郝棚对 单一，处理效率较低，存储容鼙较小，几乎没裔脚户接日。由于这种嵌入式系统使用简便，价格镞 低，默蘸在国瞧一【韭领域瘴糟较为普遍，健怒融经远远不能适应瘫效鲍，需要大容量存铸奔餍的溪 鼗豫王照控裁稿囊兴靛痿患家电等壤域豹霉袋。 2 ，第二魏蔽是鞋巍 式e 豫必基礁，漩簿攀撵稼系统秀孩心戆巍入式系统。这一除蔽系统煞主要 特点楚：c p u 稚类繁多，遴| l 牲沈较弱：系统努镪小，效率高；搡露系统其有一定豹兼容瞧帮扩袋往： 燧用软稍二较专韭，用户界嚣不够友好，系统囊鼹m 采控裁系统负载以及监控应掰程跨运杼。 3 第三阶段是以嵌入式操作系统为标蒜的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点楚；嵌入式操 l 东南大学硕十学位论文 作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系统内核小、效率高，并且具有高度 的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等 功能：具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单：嵌入式应用软件丰富。 4 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多 数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电，工业 控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 1 1 3 嵌入式系统的网络化 工控设备、信息家电和个人通讯产品等嵌入式系统的智能化、网络化越来越要求具有网络功能： 企业的信息化改造也需要将大量的非网络设备接入网络，并且通过w e b 浏览器对这些设备进行监控和 统一管理。该技术把网络引入到广泛使用的微处理器的软件平台上，拓宽了网络的应用领域，同时 也给嵌入式系统带来了新的发展契机 目前，国内外的嵌入式系统接入i n t e r n e t 主要有以下几种方式“1 ： ( 1 ) 肼c u 加t c p p 协议方式 此种方式一般需m c u 象p c 机一样直接处理t c p i p 协议，一般需要高档的处理器，如3 2 位的a 删， s h 3 ，m i p s 等m c u 和一些单周期指令速度较高的8 位m 叫如a v r ，s x 等。 ( 2 ) m c l j 加专用的t c p p 协议芯片或模块 该方案的软硬件设计相对简单，对矾c 【j 的硬件资源需求也较低，只需内嵌t c p i p 协议的芯片即可 实现i n t e r n e t 互联 ( 3 ) m c u 加上支持i n t e r n e t 的r t 0 s r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 实时操作系统是运行在嵌入式平台上的一种操作系统。具 有内核小，高度的模块化，较完备的文件目录管理，多任务，图形窗口以及用户界面的功能。该方 案通过r t o s 自身内核或是附加网络组件提供对t c p i p 协议的支持。 ( 4 ) 采用专用嵌入式网络协议 该方案最具有代表性的如e m w a r e 公司的e m i t ( e m b e d d e dm i c r o i n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 由 e m n e t $ 1 e m g a t e w a y 两部分组成，e m n e t 协议运行在m c u 内部，是为嵌入式系统和其他网络( 如r s 4 8 5 ，i r ， r f 和电力线等) 进行连接的网络协议。同时e m n e t 使得集成f i c r o 的嵌入式系统能够和嵌入式微控制 器网关e m g a t e w a y 进行有效的通信。嵌入式微控制器网关( r p e m g a t e w a y ) 运行在计算机、t v 机顶盒或 专川的家用电器服务器中，它是设备网络和i n t e r n e t 之问连接的桥梁。 1 2 嵌入式系统的现状和发展趋势 由于嵌入式系统具有了体积小、可靠性高、实时性强、功耗低等优点：其在军事国防、消费电 子、信息家电、网络通信、汽车电子、：i ：业控制等领域都得到了广泛的麻用。社会经济的不断发展 产生了一些新的需求，同时也极人地促进了嵌入式技术的广泛。中国己成为世界制造大国，但远不 是技术强国。近几年，在消费电子、工业应朋、军事国防、网络设备等领域的嵌入式应用，为中国 提供了难得的发展机遇。嵌入式技术又刺激了许多新的应用需求，过去在工业过程控制、电力系统、 石油化工系统等方面，人部分低端型设备主要采用8 位单片机。随着技术发展，目前许多设备除了进 行实时控制，还需低成本地实现将设备状态、传感器的信息等在显示屏上实时显示和远距离传送， 低端8 位显然难以完成。嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术的产生一信息家电、医疗电子病历、 微小型智能武器等方面应用也日益广泛，应用深度也进一步加强。 互联网的普及、微电子加工工艺的提高、3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e r ) 技术的普遍融 合、使_ f j 者需求的增多、信息服务应用的生活化、技术的渗透性和融合性、设备的关联性以及个性 化服务的普遍需求，2 1 世纪人们要求移动化处理信息，即随时随地攻取信息、处理信息等，这些己 成为信息社会把握先机而制胜的必然武器。 2 第一章绪论 1 3 课题研究的背景和意义 电力系统是一个复杂、非线性、高维、互联的大系统，不同的场合的需求也各异，并且设备的 工作环境相对恶劣。这些都使得在实现电力系统信息化的过程中，不仅需要对上层的管理、决策、 监控系统进行合理的设计规划，更重要的是对一f 层工作现场数据信息的采集精度以及他们之间信息 的传输质量提出了更高的要求。目前我国电力系统中的电流、电压、谐波、电能以及其他现场数据 的采集主要采用c t p t 采集模拟信号鼍后经集成的专用电能芯片处理后交给m c u ，再由m c u 通过基于 r s 4 8 5 总线的一些电力传输协议( 如1 0 2 ，6 4 5 规约等) 将数据交给上层系统的方式来实现。这种信号 采集方式的优点是：1 ) 数据采集的实现比较简单，数据的处理主要由专用芯片完成；2 ) 整个采集 部分的实现成本较低。但是它的缺点也是同样的明显：1 ) 由于数据的处理主要由专用芯片完成使得 他的采集的数据的精度受专用芯片的制约，并且采集的数据的种类也受到芯片功能的限制：2 ) 由于 通信接口普遍采用r s 4 8 5 串行总线，使得它的传输速度较慢、传输的距离也比较近同时还受波特率的 影响。 目前，随着电力系统的不断发展，对数据采集的要求也不断的提高。比如现在的电能计量一般 均分时段分时区的计量，对电压，电流，功率的计量的精度均要求0 5 级，甚至0 2 、0 1 级。这些要 求的提山无疑大大增加了数据处理量，同时为了满足实时性的要求对数据处理以及数据传输的速度 的要求也提高了。这就使得现行的数据采集的方案很难满足不断增加的数据最以及速度要求的不断 提高。 在这样的前提和背景下，提出并实现处理数据更快更多的方案就十分的有必要。在本课题的研 究中也将致力于寻找并实现能满足当前以及将来一段时间电力实时信息系统发展需求的数据采集设 备。目前微处理器，比如ar m ，dsp 芯片的迅猛发展给电力实时信息系统信息采集殴备的研究 打下了良好的基础，其中a r m 芯片可作为m c u 实现整个采集系统得控制，而dsp 芯片将被用 来代替传统专h j 电能计量芯片，使得数据处理的数量和精度大大提高。 1 4 课题在理论或实际应用方面的价值 该课题具有广阔的应用前景，能使得电力实时信息系统的信息采集部分的性能大大的提高，从 而使得整个电力实时信息系统的实时性、准确性、可靠性有所提高。 目前国内的采集系统一般采用c t p t 采集模拟信号鼍后经集成的专用电能芯片处理后交给m c u ， 再由m c u 通过基于r s 4 8 5 总线的一些电力传输协议( 如1 0 2 ，6 4 5 规约等) 将数据交给上层系统的方式 来实现。其中像江苏斯菲尔的数显表，湖南威胜的民用挂表都是国内比较成功的产品。 但是，正如上面所述，这些产品的缺点同样的明显。处理数据的精度不高，数据传输的速度不 快均制约了电力实时信息系统得发展，在采用新的数字信号处理芯片采集并处理数据后数据的精度 将大大提高，稳定性也将大大提高；在采用a r m 作为m c u 并且在其中嵌入u c o s 的实时嵌入式操作系统 后，整个采集系统的鲁棒性进一步提高，同时使得采集装置和电力实时信息系统中的上位机的数据 传输不再局限于串口通讯，他可以通过g s m 网络发送短信的形式快速、及时地向用户报告事件的发生； 利用u s b 接口转存电表中的历史数据；使用t c p i p 协议栈来实现通过以太网传输数据，从而提高数据 传输的实时性和准确性。 本文( 课题) 的研究意义在于将数字信号处理芯片和a r m 芯片以及嵌入式操作系统结合起来，提 出了一个新型的电力实时信息系统的数据采集方案，对电力实时信息系统性能的提高有着重要的作 用。 1 5 论文工作 本论文主要讨论如何开发一个应用了数字信号处理芯片、a r m 芯片以及嵌入式操作系统技术的信 号采集系统。 针对传统的数据采集系统的处理精度不高、数据传输速度不快等问题，该采集系统提出了完善 的解决方案。首先，本系统是采用了在a 删中嵌入u c o s 实现整个系统的任务调度、中断响应的方案， 该方案的稳定性和实时性已经在很多类似的系统应用并被证明是值得信赖的，因此在整个电力实时 3 东南大学硕士学位论文 信息系统中使用这样的机制作为前端采集装置的基础可以保证系统的整体性能。另一方面。本系统 将数字信号处理技术和电能数据采集相结合，使得数据的精度不在依赖专用芯片，同时避免了因芯 片的问题导致的数据波动、数据不全等问题。 本系统的开发工具将使用a d s l 2 和c c s 3 1 。为保证系统的准确性，实时性，和鲁棒性电力实时 信息系统的信息采集系统的研究需要做好以下几个方面的工作： 对数字信号处理技术算法进行研究，其中包括对其基本原理、基本算法的研究； 对d s p 芯片使用和开发进行深入的学习和实践； 对a 跚芯片使用和开发进行深入的学习和实践； 对u c 0 s 的实时嵌入式操作系统进行研究； 对整个系统的电路进行合理的设计，并合理布线。 本章小结 本章简述了嵌入式处理器的分类，以及嵌入式实时操作系统的发展，嵌入式系统网络化更是嵌 入式系统必然发展趋势，并且指出了在现代电力系统采集中嵌入式系统占据的重要地位。后半部分 说明了本课题研究的背景、意义以及本课题所需要完成的工作。 4 第二章电力实时信息采集技术的现状与发展 第二章电力实时信息采集技术的现状与发展 2 1 电力s c a d a 系统的介绍 监视控制及数据采集系统又称s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统。它是以 计算机为基础的生产过程控制与调度管理自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制， 以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。该系统己广泛的应用 到了电力系统、市政公用、供水系统、石油、化工、环保等诸多领域。 s c a d a 系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。s c a d a 系统发展到今天己经经历 了三代【5 】口 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统。7 0 年代8 0 年代初主要采用第一代 s c a d a 系统。 第二代是基于通用计算机的s c a d a 系统，广泛的采用v a x d 、型计算机以及其它通用工作站，操 作系统一般是通用的u n i x 操作系统。 第三代s c a d a 系统开始应用p c 机和网络技术，同时系统逐步从集中式结构转向到客户机服务 器结构。 第四代s c a d a 的雏形己经出现，它以智能化、网络化为标志。主要特征是采用因特网技术、面 向对象技术、模糊控制以及数据挖掘等技术，实现了s c a d a 系统与其它信息系统的增值集成，实 现控制和管理过程的自动化。 s c a d a 系统主要包括：远程终端设备r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 、通信网络以及控制中心三大 部分。 远程终端设备( r t u ) s c a d a 系统中在远端现场完成测控任务的设备叫远程终端设备( r t u1 ，又称为从站或子站。主 要作用是进行数据采集及本地控制，进行数据采集时作为系统中一个独立的工作站，这时r t u 可以 完成连锁控制、前馈控制、p i d 控制等，t 业上常用的控制调节功能：进行通信时作为一个远程数据通 讯单元，完成或响应子站与控制中心或其它子站的通讯利控制任务。 通信网络 主要用于从站与控制中心或从站与其它从站的通讯。链路种类有无线和有线两种。通讯方式有 控制中心触发的通讯方式，包括轮询方式、广播方式以及控制命令下发方式等；从站触发的通讯方 式，包括事件触发方式、突发传输方式以及从站对从站的通讯等。 控翻中心 主要由一个计算机局域网构成，可包括多个工作站和支持网络功能的设备，以完成不同的t 作。 它通过控制中心软件管理系统数据库，可以通过主控软件监测远端现场的工作状态和参数，下发控 制命令进行控制，并完成报表显示及打印等功能。 整个系统的结构图如下： 5 东南大学硕士学位论文 图2 1s c a d a 系统结构图 【注】：图中的下位机层和现场层均属于r t u 部分。 在这样的体系结构一f s c a d a 系统具有以下几个特点： ( 1 ) 分散测控、集中管理。分散测控是s c a d a 系统的特点决定的，分散控制，分散危险，提 高了系统的可靠性：集中管理可以大大降低监控管理成本，解决了人工巡检的困难，做到了及时响应， 实时控制。 ( 2 ) r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 的智能化。r t u 是采州微处理器或d s p 的智能测控模块，完成 各种远端现场的智能测控，独立运行数据通信任务的智能化模块。 ( 3 ) 系统的环境适应能力强，可靠性高。针对不同的现场环境s c a d a 系统可以采用不同的 通信方式，来实现数据传输和通信。 ( 4 ) 数据通信的多样化。随着通信技术的发展，目前s c a d a 的通信方式也日趋多样化。如： r s - 4 8 5 现场总线、电力载波币i p s t n 公用电话网、v h f ，u h f 电台、i s m 扩频电台、g s m 移动电 话网【5 】以及卫星通信等。 ( 5 ) 可扩展性和可维护性好。r t u 端主要由以微处理器和d s p 为核心的智能模块化结构，易 于添加和更换模块。由于：l ：业现场总线的协议有通_ i j 的标准，采用相同总线的模块在扩展时，不必 考虑兼容性和电平转换问题，给系统的扩展和维护带来了很人的好处。 如上图所示，本文表述的电力实时信息采集装置在整个s c a d a 系统中属于远程终端设备 ( r t u ) ，它在整个电力s c a d a 系统中具有电压、电流、电能、谐波等实时数据的采集作j f j 。在采 集装置与中心的服务器的数据传输上有几种方案可以选择： ( 1 ) 由装置的r s 4 8 5 接口与网络测控器或数采仪进行通讯，再由他们将实时数据通过以太网交 给中心服务器。 ( 2 ) 随着嵌入式系统的发展，采集装置可以自带以太网或是g s m 模块来实现与中心服务器的数 据交换。 6 第二章电力实时信息采集技术的现状与发展 2 2 几种电力实时信息采集技术的特点和比较 传统的电力实时信息的采集主要依靠传统的模拟电表的实时的显示，人工定时的对其进行读数 并记录。随着我国电力事业的迅速发展，工业和民用电能表日益增多，出现了一户一表，甚至一户 多表的情况。为了促进均衡用电，很多地方采用分时计费策略。如此一来，电能和电量数据的采集 和管理成了一项非常繁杂的：t ：作。传统的抄表方式在这种情况一f 将不可避免地出现以下问题：数据统 计不准确，无法真实反映用户用电情况：当需要抄取多项数据时( 特别是多费率电能表) ，操作繁琐难 以实施；用户众多造成了抄表的延时性，不能及时反映系统用电状况：消耗大量人力、物力，成本高 且效率低。这使得无论是_ h ；i 电管理部门还是用户都迫切需要现代化管理手段的介入，这样管理部门 能及时根据抄同来的数据调整供电方案，而用户则能及时查看自己的用屯情况来调整自己的用电安 排。电力实时信息采集技术是将数据采集、传输和处理应用于电能供应与管理系统中的一项新技术， 采用通讯和计算机网络等新技术自动读取和处理表计数据。它从根木上克服了传统的人工抄表模式 的弊端，给电能管理的现代化创造了良好的条件。目前，美国、欧洲等发达国家己把电力实时信息 采集技术广泛应于配屯管理。虽然我国对自动抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。随着 电力市场管理改革的不断深入，对电力实时信息采集技术的研究己经成为热点。 电能计量装置设在电能生产、传输和使用等各个环节中，用来计量发电鼍、场用电量、供电量、 损耗电量、销售电量等。如何准确及时、可靠地将这些计量出的电量抄读同来，对电力部门来说是 致关重要的事情，它的意义不仅仅反映电能的使用情况，更重要的是它可直接反映出我们电力企业 的销售量，实现的产值以及相关的各项经济指标的完成情况，对于我们分析用电负荷的发展趋势、 h j 户的用电行为、加强营业管理、线损管理、表计管理、_ 】户管理都是密切相关的。但目前人- j ：抄 表方式效率低、成本高、质量差已成为我们经营管理中的老大难问题，直接影响到我们电力企业的 经济效益和社会效益成本。主要存在以下几个问题”“： ( 1 ) 成本高，劳动强度大 ( 2 ) 造成线损统计不准 ( 3 ) 抄表质量低，不明损失增加 ( 4 ) 无法对用户用电行为有效监控 ( 5 ) 无法适应用电信息采集 ( 6 ) 限制了对用户监控及收费制度的改革 ( 7 ) 阻碍了抄表核收业务现代化 目前，s c a d a 系统获取电能鼍信息的渠道主要有两种方式：一种是通过所采集的电力交换关口的 有功功率遥测值按时间轴方向进行积分( t = i m i n 或5m i n ) ，求得实时电鼋：另一种是通过r t u 直接 采集关口脉冲电能表的脉冲，直接累计计算出实际电量。这两种方式的主要缺陷在于： ( 1 ) 国内现有的r t u 对电能量的处理非常简单，仅累计其脉冲数，在现场不保存也不能实际反映 t 时段中的电量值。 ( 2 ) 现行的部颁规约只能传送脉冲累计数，不能传送t 时段中电量的历史值。 ( 3 ) 功率积分存在精度较差、可靠性低等现象，只能作参考而不能作为计费标准。 ( 4 ) 受专用通道的制约，无法借用公共通信网络。对部分无专用通道的用户和小水屯站，无法 获取实时信息。以电力线载波为主要通信手段的地区电网自动化系统，受通道故障、线路计划检修 影响非常大，无法保证自动化系统信息的完整可靠“。 随着电子技术、通讯技术和嵌入式技术的发展，电力实时信息采集技术旱现多元化发展，涌现 了多种实现的方案。按数据采集的位置可以分为本地采集和远程采集。前者需要人员到现场抄取数 据。但与以往不同的是，不再是纸和笔的操作，而是通过手抄器或i c 卡实现的。后者无需人员到场， 电能表数据通过有线或无线的方式直接传给供电管理部门。按照数据传送的媒介可分为有线传送和 无线传送。有线传送包括电话线、电力线和专线。无线传送则包括红外线和无线射频。下面就这儿 种方案分别介绍： 通过电力线采集： 电力线载波通信技术出现于上世纪二十年代初期。它以电力线路为传输信道，具有投资少见效 7 东南大学硕+ 学位论文 快、与电网建设同步的优点。但是利用电力线对数据传输有许多限制。 ( i ) 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范 围内传送； ( 2 ) 三相电力线间有很大信号损失。通讯距离很近时，不同相问信号可能会互相干扰各自的信 号，一般电力载波信号只能在单相电力线上传输； ( 3 ) 不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同； ( 4 ) 电力线存在本身同有的脉冲干扰： 另外电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通讯媒介。虽然国内的 电网发展速度非常快，但是电网的稳定性以及国内现有的相关设备都还未达剑国外先进的水平。因 此电力线载波抄表还没达到大面积推广的程度。 通过电话线采集： 基于电话的自动抄表技术是一种己经应用了2 5 年的成熟的技术。电能表可以经过专用的调制解 调器通过公用的电话网与供电管理部门进行通信。电话线抄表方案充分利用了现有资源，无需投入 火晕资金进行线路改造，而且现在的电话线的通信质量非常高，特别适合快速传送大量的数据。但 是供电部门需要向电信部门租用电话线，因此该方案只适合城市和电话网络普及的地区。 通过红外线采集： 红外通信由于价格低廉，使用方便，因而被广泛使用在抄表系统当中。为了实现各类产品的互 连，国际红外数据通信协会( i r d a ：i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 制定了一系列的红外通信标准。这 些标准规范了产品的设计，同时还进一步扩展了红外通信的功能和应_ h j 领域。红外通讯技术的特点： ( 1 ) 它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持； ( 2 ) 通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发； ( 3 ) 主要是用来取代点对点的线缆连接； ( 4 ) 方向性强，点对点直线数据传输，保密性强。 其缺点是： ( 1 ) 易受外界环境( 温度、热源、光源) 的影响，通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通 讯中断： ( 2 ) 目前广泛使用的s i r 标准通讯速率较低( 11 5 2 k b i t s ) ； ( 3 ) 红外通讯技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一。 通过无线射频采集： 无线射频抄表是以电磁波作为载体传输电能表数据。与红外抄表相比，它克服了距离短、方向 性强和不能有障碍物等缺点，是红外抄表很好的替代方案。为了达剑远距离传输的目的，无线射频 需要在每个数据采集点设置大功率的电台，而且必须向有关部fj 中请并租l f j 所需的频道。它与红外 抄表相比，成本高，功耗人是它的缺点。由于无线电波自身具有的衍射特性，其保密性差，易受干 扰是主要的问题。总之无线射频抄表适用于远距离且人员不易到达的地区。 通过i c 卡采集： i c 卡抄表是一种本地抄表模式，也是一种预付费模式。用户先到供电部门买电，供电部门将所 买电量数据存入i c 卡中，_ h | 户再把i c 卡插入自己家中的电能表，将电量数据转存入电能表中，同时 电能表也将当前的状态存入i c 卡中，电能表在电量用完后自动跳闸。这种方式实际是把以前抄表员 的j 二作转嫁到了用户身上。 2 3 电力实时信息采集方案的介绍 相对于传统的电力实时信息的采集而言，现在电力信息采集系统采集方案可以分为三种方案l “l ： 1 使用单芯片的方案，这种方案的特点是，整个系统的结构简单，成本低廉，但是它的系统外 8 第二章电力实时信息采集技术的现状与发展 设基本由所采用的芯片所固定，很难对其进行后续的扩展。 2 使用m c u + 采集芯片的方案，这样的方案隔离了信息采集部分和后台的处理部分，这样给 系统带来了非常好的可扩展性，同时专业的采集芯片对电力信息采集的精度也有所提高。 3 采用m c u + d s p 的方案，这样的方案大大增加了数据采集系统的成本，但是它在提高了系统 的可扩展性的同时使得系统的数据采集的精度也大大提高了，同时采集的数据内容也可以完全的属 于自己控制的范围，这样做相对于电能采集专用芯片最大的优势就是增加了电网谐波数据的采集， 同时具备进一步开发有源滤波器的基础( 当然仅仅是有这样的平台。具体的谐波算法有很人的区别) 。 在本系统的开发中我们选择了第三种方案。 2 4 本系统实现的信息采集方式 在本课题设计的系统中，为了适应不同地区不同的用户的需求我们的信息采集了三种不同的方 式： 1 现在通用的r s 4 8 5 串行通讯接口； 2 u s b 的本地信息采集； 3 g s m 无线短信信息采集。 其中的r s 4 8 5 是目前电力系统中常t f 的远程此采集方法，4 8 5 总线的协议传输距离可以达到1 2 0 0 米的，如果再加上放大器的化可以达至u 9 6 0 0 米，传输的速率一般在3 0 0 - 1 1 5 2 0 0 b p s 范围内，但是为了 保证传输的可靠性距离越远传输速率越低。在长距离传输的时候，可以使j i j 光纤作为媒介“”。 这里之所以加上u s b 的本地数据采集功能，主要是为了方便传输和转载一些数据量较大而且实时 性要求不高的数据。 最后的g s m 数据采集方式是一种无线采集方式，它用来为一些事件和故障的报错提供即时的信息 输出，它的应用可以使得信息采集装置通过移动公司的无线网络及时的向变电站和负责人报告故障 信息和一些重要的实时数据，但是它应j l l j 的成本较高。 在以后的发展中，我们可以通过t c p i p 协议来代替第一和第二种采集方式的功能，那样数据传 输的可靠性和数据传输的速度和数据量均火人的提高，目前国内实现这种通讯方式主要是通过嵌入 一些自带t c p i p 协议的操作系统来实现。但是这就对微处理器的性能提出了更高的要求，在考虑了 成本的问题后，我们在这个方案中选用了a r m 7 处理器，而没有采j i j a r m 9 处理器，所以我们仅仅嵌入了 u c o s 。它的开源代码中不包含t c p i p 协议，所以我们也就没有去实现这种更好的方案。 在实际应用的过程中，我们也同时提供了p c 机与实时采集系统的通讯和处理u s b 导出数据的上 位机处理程序。这样就可以方便的进行实时数据的管理以及打印，并进行历史数据的分析。 本章小结 本章简述了电力实时信息采集系统在齄个电力s c a d a 系统中的所处的地位，以及它们币i s c a d a 系 统中其他部分之间的关系。同时概述了电力实时信息采集系统的过去和现在，以及国内外电力信息 采集系统的现状与发展，阐明了大力发展电力信息采系统的必要性和重要性，然后简述了目前常用 的以及本系统采用的采集系统的方案以及采集数据后通讯的方式方法。 9 东南大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计方案 在嵌入式系统的设计中，系统的软件最终都是通过硬件来实现的。所以硬件的可靠性和稳定性 很大程度下决定了整个系统的 州有特性。在这一章中我们首先讲述系统的硬件构成，在下一章中阐 述系统的软件设计。本系统采用l p c 2 2 1 4 作为系统的主控制芯片，以a d i 公司的b l a e k f i n 5 3 2 作为 协处理器主要用于数字信号的处理，并在他们的基础上加上必要的外围芯片，从而实现g s m 短信收 发，u s b 的历史数据一f 载。信息的处理过程如下图所示： 后台操作( 存储、显示 、通讯) 图3 - 1信息的处理过程 3 1 本系统硬件平台的概述 在本课题中的电力信息采集系统，采用l p c 2 2 1 4 作为系统的主控制芯片，以a d i 公司的 b l a e k f i n 5 3 2 作为协处理器主要用于数字信号的处理，并在他们的基础上加上必要的外围芯片，从而 实现g s m 短信收发，u s b 的历史数据下载。他的具体结构图如图3 - 2 ： 图3 - 2系统结构框图 如上图所示，在我们的这个系统中以l p c 2 2 1 4 作为主控制芯片，由他进行整个系统的功能的的 调度。首先，在经过分压电阻和电流互感器后将需要采集的电压电流变为a d 7 3 3 6 0 识别的电压信号。 由7 3 3 6 0 完成模拟与数字信号之间的转换。然后d s p 芯片将通过s p o r t s 接口( 6 线的串口) 得到实 时的电量数字信息。d s p 使用傅立叶算法将电压、电流的有效值、功率、谐波分量一一计算出来。 而l p c 2 2 1 4 通过s p i 接口每秒向d s p 请求一次数据。同时l p c 2 2 1 4 将这些数据通过s p i 接口存储 到( f r a m ) 铁电中，通过一定的计算后同样是通过s p i 接口将电力系统负荷曲线的数据存储再 d a t a f l a s h 中。需要注意的是为了保证数据的可靠行d s p 将独自占用一路s p ! 口，而f r a m 和d a t a f l a s h 将一起共有一路。整个系统通过1 9 2 x 1 2 8 的液晶实现人机交互界面，该液晶由s i d l 3 7 0 0 液晶控制 芯片控制，而l p c 2 2 1 4 则通过系统外部总线将需要显示的数据发送到s i d l 3 7 0 0 液晶控制芯片。系 统的除了自身的功能外，与外部其他设备之间的通讯同样很重要。我们提供了2 种外部数据通讯的 方法，它们都是通过专用接口转换芯片来实现的，其中r s 4 8 5 的通讯使用m a x l 4 8 7 把u a r t 0 转 换成r s 4 8 4 ，而t c 3 5 通过a t 协议接受i j a r t i 接口的数据并将要发送的短信发送出去。 1 0 第三章系统硬件设计方案 3 2 系统硬件的接连 3 2 1u c 2 2 1 4 首先介绍a r m 处理器的特点： 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快： 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高： 6 、指令长度固定： 其中l p c 2 2 1 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s t m c p u 的微控制器， 并带有2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的廊用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码 规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。由丁二l p c 2 2 1 41 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定 时器、4 路1 0 位a d c 或8 路1 0 位a d c ( 6 4 脚和1 4 4 脚封装) 以及多达9 个外部中断使它们特别 适j j 于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。可使川的g p i o 高达7 6 ( 使用了外部存储器) 1 1 2 个( 单片应朋) 。由于内置