（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的电力负荷管理终端的设计.pdf

基于d s p 的电力负荷管理终端的设计 摘要 电力负荷管理系统与配电调度自动化系统的相互结合，促进了电网管理向现 代化方向发展，提高了电力调度自动化、电力营销管理现代化的实用水平。 本文概要介绍了电力负荷管理系统的概念和发展，以及负荷管理中心站、负 荷管理通信信道和负荷管理终端的特点。在此基础上，本文设计了一种基于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片的新型电力负荷管理终端，对终端的设计思想、硬件组 成和软件设计均做了详细的论述，并给出了关键的硬件电路图和软件流程图。 本文首先分析了负荷管理终端的功能，接着详细阐述了终端各硬件模块的工 作原理和设计内容，包括电源模块、数据采集模块、控制模块、通信模块和人 机接口模块；然后以实时任务调度为核心设计了终端软件的总体结构。具体划 分了系统的功能模块，并主要阐述了模拟量实时采集、f f t 算法处理、负荷监测、 远程抄表、人机交互等模块的实现；最后详细阐述了负荷管理终端中嵌入式g p r s 通信的设计，主要阐述了g p r s 设备驱动、g p r s 通信协议和电力负荷管理规约的 实现。 关键词：电力负荷管理，电力负荷管理终端，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，数据采集， 实时任务调度，f f t ，负荷监测，g p r s 通信 t h e d e s i g no fp o w e r l o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l b a s e do n d s p a b s t r a c t t h ei n t e g r a t i o no fp o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e ma n dd i s t r i b u t i o nd i s p a t c h a u t o m a t i o ns y s t e m ，p r o m o t e st h em o d e r n i z a t i o no fp o w e rg n d sm a n a g e m e n t ，a n d i m p m v e st h ep r a c t i c a ll e v e lo fp o w e rd i s p a t c ha u t o m a t i o na n dp o w e rm a r k e t i n g m a n a g e m e n t sm o d e r n i z a t i o n t h i sp a p e rg e n e r a l l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n dd e v e l o p m e n to fp o w e rl o a d m a n a g e m e n ts y s t e m a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a dm a n a g e m e n tm a s t e r s t a t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e la n dt h el o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l o nt h i sb a s i s ， t h i sp a p e rd e s i g n san e wl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a lu n i t , w h i c hi sb a s e do nt h ed s p c h i po ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2 w h a ti sm o r e , t h em e t h o do fd e s i g n i n g , t h ec o m p o n e n to f h a r d w a r ea n dt h e 矗, 8 n l eo f s o a r ea r ee x p l a i n e di n d e t a i l ，a n ds o m ec i r c u i td i a g r a m s a n ds o f t w a r ef l o wc h a r t sa r eg i v e n t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef u n c t i o n so ft h el o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a la tf i r s t , a n d t h e ne x p l a i n st h eo p e r a t i o np r i n c i # ea n dd e s i g nc o n t e n to fh a r d w a r em o d u l e si n d e t a i l ，i n c l u d i n gp o w e rm o d u l e , d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e , c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e t h i sp a p e rd e s i g n st h e w h o l ef r a m e w o r ko fs o r w a r ew i t hr e a l - t i m et a s ks c h e d u l i n g ，a n dd i v i d e st h ew h o l e s o f t w a r ei n t os o m ef u n c t i o nm o d u l e sc o n e r c t e l y ，t h e ne x p l a i n st h er e a l i z a t i o no f r e a l - t i m ea c q u i s i t i o no fa n a l o gs i g n a l s ，f f ta l g o r i t h ma n a l y s i s ，l o a dm o n i t o r i n g , r e m o t em e t e rr o r d i n ga n dh u m a n - m a n c h i n ei n t e r a c t i o n i nt h ee n d ，t h i sp a p e r m a k e sad e t a i l e ds t a t e m e n to ft h ed e s i g no fe m b e d d e dg p r sc o m m u n i c a t i o n , a n d m a i n l ye x p l a i n st h er e a l i z a t i o no fg p r sd e v i c ed r i v e r s ，g p r sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dp o w e rl o a dm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：p o w e rl o a dm a n a g e m e n t ，p o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l ， t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，r e a l - t i m et a s ks c h e d u l i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，f f r ， l o a dm o n i t o r i n g , g p r sc o m m u n i c a t i o n s 插图索引 图i - i 电力负荷管理系统总体结构图1 图2 - i 负荷管理终端硬件总体结构图9 图2 - 2 终端供电结构图1 1 图2 - 3 模拟量采集电路原理图1 2 圈2 - 4r s 4 8 5 通信电路原理图1 4 图2 - 5g p r s 通信电路原理图1 5 图2 - 6 通用定时器模块图。1 6 图2 7 红外通信电路原理图1 7 图2 - 8 串行数据的红外调制波形图1 7 图2 9 液晶显示电路原理图1 9 图3 一l 负荷管理终端软件总体结构圈2 0 图3 - 2 捕捉中断流程图2 2 图3 - 3 模拟量采样转换流程图2 4 图3 4 四象限功率状态分布图2 7 图3 - 5 四象限功率状态下电压和电流采集波形图2 8 图3 - 6 电能表数据采集流程图3 1 图3 7 液晶显示菜单结构图3 4 图4 - lg p r s 通信总体结构图。3 7 图4 2u a r t 中断处理流程图3 9 图4 - 3p p p 协议报文处理流程图4 2 图4 _ 4p p p 链路协商流程图“ 图4 - 5 负荷管理规约处理流程图4 7 表格索弓 表3 1 四象限功率计算结果2 9 表3 - 2d l t 6 4 5 协议帧结构3 0 表4 - 1t l l 6 c 7 5 2 b 主要寄存器的功能3 7 表4 2i p 数据报格式4 5 表4 3 电力负荷管理规约帧格式4 6 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g e 王些盍堂 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 屉椿 签字日期：2 i 刀年f 明阡e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些盔堂有关保留、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。本人授权金胆 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) 学位论文作者签名：膨万浓 签字日期：m 7 年忙月f 千e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 勒繇词忡 签字日期：d 7 年l z , q 呼日 电话： 邮编： 致谢 在本文所涉及课题的学习和研究过程中，我的导师陶维青副教授给予了悉心 的指导，让我受益匪浅。在和陶老师相处的日子里，他精湛的专业知识，宽广 的胸怀，务实的科研作风和忘我的工作精神深深地影响着我，给我留下了深刻 的印象，陶老师的这些优秀品行将是我今后工作和学习中的楷模。 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。 本次论文工作之所以得以顺利完成还要感谢任谦、王付军、郭凯、孙健、余 淼、张庆生、李林、杨梅、罗清林等同学给予我的鼓励和帮助。 作者：任玮蒙 2 0 0 7 年1 1 月 第一章引言 1 1 电力负荷管理系统概述 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。 目前，电力负荷管理系统的作用不仅包括了建立正常的供用电秩序，保证电 力平衡，保障电网安全，增强营销管理等方面，还增加了用电信息服务、用户 数据联网、远程抄表、防窃电、购电控管理、线损分析、供电可靠性分析等功 能。系统功能的扩展不仅为电力企业带来巨大的经济效益，也提高了负荷管理 系统的经济价值和生命力。 在系统的数据处理方面也打破了以往的局限性，扩展了网络功能。电力负荷 管理中心通过数据库和网桥与不同的网络相连接，实现电力负荷管理系统和电 力公司的管理网、调度网、营业网之间的信息共享，有利于电力企业开展电力 负荷预测、发电计划制订、输配电网络规划和用电需求分析等工作“1 。 电力负荷管理系统通常由负荷管理中心站、负荷管理通信信道、负荷管理终 端三部分组成，系统总体结构如图i - i 所示。 图卜i 电力负荷管理系统总体结构图 由于地理环境、供电网络、用电管理和行政管理的情况各不相同，各个系统 的实际组成不尽相同。总的来说，负荷管理系统的特点是终端数量特别多，分 布地域广，通信信道多样化，信息量大，且直接管理着用户动力，因此对整个 系统的可靠性和稳定性有很高的要求。 1 2 电力负荷管理系统的发展 一、国外电力负荷管理系统的发展 1 9 1 3 年，都德尔在i e e e 上发表一篇论文，论述了把一个2 0 0 h z l o v 的电压 信号叠加到供电网络上，去控制路灯和热水器的方案，这是最早的音频控制方 法。1 9 世纪7 0 年代，计算机技术和微电子技术的迅猛发展，促进了电力负荷控 制技术的发展，提高了负荷控制设备的性能，音频控制技术得以在欧洲各国广 泛地发展和应用。 由于电力资源丰富，发电装机备用容量很大，美国开始并不重视负荷控制技 术。1 9 7 3 年的石油危机导致能源价格暴涨，发电成本上升，电力价格随之猛增， 严重影响了全世界尤其是欧美发达国家的经济发展，节能的任务迫切地摆在人 们的面前，消费者、能源部门甚至全社会都意识到了其重要性，提出了。节能 与负荷管理”的概念。美国逐渐认识到合理利用能源的重要性，开始大力研究 负荷控制技术，起先引进了瑞士的音频脉冲控制设备，后又开发了无线电负荷 控制、配电载波负荷控制和工频电压波形畸变控制等多种负荷控制设备，到1 9 8 0 年美国已经有了1 7 0 多个电力负荷控制系统。 1 9 8 6 年，美国电力科学院正式提出了电力需求侧管理( d s m ，d e m a n ds i d e m a n a g e m e n t ) 的概念，d s m 将供电侧管理和用电侧管理相结合，由电力公司采取 有效的激励和诱导措施以及合适的运作方式，与客户共同协力提高终端用电效 率，改变用电方式，以平衡电力供需，减少电能消耗。1 。 d s m 计划自8 0 年代起首先在美国开始推行，已取得明显的效果，并逐渐在 世界各地得到推广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。各国电力部门根据本国电力行业的 实际情况，采取灵活多变的负荷管理战略，以应对来自各方面的挑战。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 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。 二、我国电力负荷管理系统的发展 在我国，电力负荷控制技术的研究起步较晚。在计划用电和电力供需矛盾 十分突出的情况下，电力负荷控制技术的研究和应用问题开始引起重视。 1 9 7 7 年至1 9 8 6 年问，我国研究了国外电力负荷控制所采用的各种方法，自 行研制了音频、工频波形畸变、电力线载波和无线电控制等多种设备，并在全 国的各主要城市对国产的音频和无线电负荷控制系统进行试点，然后逐渐在所 2 有地( 市) 级城市中全面推广。至1 9 9 6 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。目前，许多负荷控制系统已经通过实用化考核和国家电网及网、省 公司实用化验收，正在向县级公司推广应用。 进入2 0 世纪9 0 年代中期，随着国家经济体制改革的不断深入以及社会主 义市场经济的不断发展和完善，电网和电厂的建设也有了相当的规模，电力供 需矛盾趋于缓和，大部分地区不缺电，限电断电的现象已经基本消失，某些地 区还形成了供过于求的局面，卖方市场的形成要求电力企业迸一步转变观念， 加强管理。完善服务，促进销售。 随着电力部门市场化进程的加快，对电力负荷控制技术的发展提出了新的 更高层次的要求，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和不断改进企业管理增强企业效益的要求，在电力负荷控 制系统的基础上加强和完善了负荷管理的功能。电力负荷管理系统数据传输规 约已经逐步地推广和应用，标志着“电力负荷管理系统”初步的形成。 现有的电力负荷管理系统多是根据符合我国国情自主开发研制的，具有完善 的“三遥”功能和。远方及当地控制”功能，网络技术的发展和应用，使负荷 管理系统很方便地与其他电力自动化系统联网，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 是负荷与电量管理，适应了当前电力市场发展、用电管理和营销管理的需要 1 3 电力负荷管理中心站 负荷管理中心站是整个系统的核心部分，是电力负荷管理系统运行和管理 的指挥中心，由计算机系统( 包括网络数据服务器、前置计算机、各类工作站、 大屏幕显示器、集线器、网关或路由器等) 、专用通信设备( 如无线数传机、调 制解调器、光端机、移动公网设备等) 和电源系统组成“1 。 计算机系统为分布式结构，由若干台服务器和工作站及配套设备组成，不 同的管理单元分布于不同的计算机节点上。 数据库服务器负责数据管理，将信息进行统计和归档处理，主备用服务器 采取双机备份工作，数据库系统选用大型关系型分布式数据库，对外提供标准 的数据库调用接口，具有较高的容错能力和恢复能力，提供较强的安全机制。 网关设备负责省、市、县各级负荷管理网络间的互联，并将负荷管理网络与电 力系统的m i s 网络、s c a d a 网络连接，实现数据共享。数据打印服务器负责数据 分析，统计打印，人机交互工作。信息发布服务器负责用电信息、电量信息、 负荷信息等信息的网络w e b 浏览发布。 前置机负责管理负荷管理系统的无线、有线网络的通信，根据不同工作站 的要求，向终端组织并发送数据报文，同时接收并解释终端响应的信息，回送 3 给相应的工作站。各类工作站主要进行数据处理，完成各项操作并承担了系统 的各项管理任务，包括运行管理工作站、后台查询工作站、用户信息管理工作 站、用电营销管理工作站、领导管理工作站等。 1 4 电力负荷管理通信信道 通信信道是电力负荷管理系统的通信线路，负责在电力负荷管理中心站和 电力负荷管理终端之间传送信息。目前可采用的通信信道分为有线和无线两类， 其中有线通信方式包括电缆、电话线、a d s l 和光缆等，无线通信方式包括电力 线载波、短波通信、g p r s 网络通信、c d m a 网络通信、卫星通信等”1 主要的通 信信道介绍如下： 一、电力线载波通信 电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，是指利用电力线，通过载波方 式将模拟方式或数字信号进行高速传输的技术。其优点是不需要重新架设网络， 只要有电线，就能进行数据传输，大大节省了投资。 由于配电网的结构复杂，配电变压器、电容器、分支线等会对载波信号造成 较大的衰减和失真，联络开关处的断开点和故障时开关跳闸形成的断开点，还 会使通信完全中断，丽且电力线本身存在脉冲干扰。当电力线上负荷很重，且 线路阻抗较高时，会造成载波信号的高衰减，降低信号传输距离，同时电力线 载波通信传输速率偏低也限制了它的应用”1 。 二、无线专网通信 无线专网通信是一种覆盖面广的通信方式，它不需要传输线，通过无线数传 设备和无线智能化中继站，能够构成双向的无线通信信道。专网通信模式是基 于国家无线电管理委员会分配的专用频段，由各省市电力公司自主架设的无线 通信网络平台。其特点是初期网络建设费用高，但是后期的维护费用低，而且 电力负荷管理系统采用2 3 0 m h z 专用无线频段，并由电力运营商自主维护，不会 因为非技术的原因导致网络无法使用。无线专网通信适合中小型城市，大城市 近郊和乡村地区，在我国的电力负荷管理通信中仍旧发挥着重要的作用。 三、移动公网通信 目前，移动公网通信主要借助于国内移动通信运营商已经建立的通信网络， 即全球移动通信系统( g s m ，g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 网络。 g s m 是一种起源于欧洲的移动通信技术，其特点是系统具有高频谱效率、网络容 量大、安全性较高，稳定性强不易受干扰、信息灵敏并提供了开放的网络接口。 g p r s 是通用分组无线业务技术( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称， 是一种基于g s m 网络的无线分组交换技术，g p r s 突破了g s m 网络只能提供电路 交换的方式，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造，实 现了分组数据交换服务。g p r s 网络用户可以随时和网络保持联系，实现了“永 4 远在线”的连接；g p r s 网络采用分组交换技术，提供了较高的传输速率，最大 可达l1 4 k b p s ；6 p r s 网络数据采用封包式传输，按照数据包的传输流量计费； g p r s 网络通过t c p i p 和x 2 5 业务，为用户提供了移动终端和因特网之间的连 接服务和数据传输。 随着移动通信技术的不断进步及公共通信网络建设的日益完善，移动公网通 信在电力负荷管理通信中逐渐得到了广泛的应用。公网通信的网络覆盖面积广， 通信技术完善，安全性较好，电力公司无需进行初期的网络建设，网络维护工 作多由移动运营商负责完成，但是公网通信的后期运行费用高，且在节假日或 大型活动期间公共网络业务比较繁忙，会出现网络的拥挤甚至阻塞现象，影响 到负荷管理系统的实时数据采集和传输。 四、光纤通信 光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维为传输介质的通信方式。光纤 通信的特点是通信容量大、传输速率高、传输距离远：通信稳定性好、抗电磁 干扰能力强、传输质量佳；信号串扰小，保密性能好；光纤尺寸小、重量轻， 便于铺设和运输。 目前，各地电力公司的通信网络的主干线和主要的变电站上，都已经建立了 光纤信道，部分城市也在主要的配电网络上建立了光纤通道，但是光纤通信设 备的投资巨大，且负荷管理终端的分布地域广泛，不可能直接连接到每一个终 端用户，所以一般采用光纤网络和其它通信方式混合组网来满足实际需求。 1 5 电力负荷管理终端 电力负荷管理终端的投入运行，可以对用电负荷进行有效地管理和控制，改 善用电负荷曲线，改变客户的用电方式，提高发供电设备的利用率，提高用户 的用电效率，节约电能资源，防止拉闸限电，既提高了电力系统运行的经济性 和稳定性，又有利于维持社会生产和生活的正常秩序。 目前，电力负荷管理终端的应用领域覆盖了3 1 5 k v a 及以上的重工业用户和 商业用户的专用变压器、小型城乡工业用户、变电站、公用配电变压器、i o k v 配电网及居民用户等，主要完成大用户负荷管理、配电变压器监测、电表数据 集抄、配电线路监测等工作。 为了满足电力现场应用对终端设备的不同需求咖，电力负荷管理终端的功能 要求包括： 一、数据采集功能。终端应能够采集状态量、嗽冲量、交流模拟量、直流模 拟量和电能表数据信息。 二、数据处理功能。终端应能够处理和存储各种实时和当前数据。 三、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、电压和电流限值、功率时段和定值、电能表定值和抄表参数等。 四、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。 五、事件记录功能。终端应能够根据主站设置的事件属性按照重要事件( 如 遥控跳闸) 和一般事件( 如终端停电) 分类记录。 六、数据传输功能。终端应能够与负荷管理主站通信，与电能表通信等。 七、本地功能。终端应能够当地显示各种信息，如实时数据、终端参数等。 八、维护功能。终端应具备白检测、自恢复、远方初始化和软件更新功能。 1 - 6 本论文的主要工作和章节安捧 近年来，随着d s p 技术的日趋成熟，将先迸的数字信号处理技术应用到电力 负荷管理终端的设计中来，充分发挥其快速强大的数学运算和并行处理能力， 对于满足电力负荷管理系统的实时监控、数据处理、信息管理和通信传输等要 求，提高我国电力负荷管理系统的自动化、现代化水平具有深远的意义。 本论文基于先进的d s p 技术，采用以t i 公司的3 2 位d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的嵌入式软硬件平台，依据电力负荷管理系统功能规范、电力负荷 管理系统通用技术条件和 电力负荷管理系统传输规约等国家标准，提出 并设计了一种新型的电力负荷管理终端。较之以前依靠1 6 位的单片机或d s p 芯 片设计完成的终端设备有了进一步的提高。 本论文研究的主要内容如下： 一、f 2 8 1 2 具有高性能的微处理器和丰富的片内外设，在本文中探讨了如何 充分地利用f 2 8 1 2 的各种资源，调度各种硬件、软件模块协同工作。 二、在本文中探讨了如何对实时数据进行准确地采集和处理，如何设计各种 数据采集电路，如何提高模拟量采集的精度，如何利用傅立叶算法准确地计算 各种电参量，对测量点进行负荷监测和电能计量。 三、在本文中探讨了如何在终端中实现嵌入式6 p r s 通信，如何设计g p r s 通信电路和硬件驱动，如何设计和调度g p r s 通信协议的各个模块，如何在终端 与g p r s 网络之间建立连接和传输数据。 四、在本文中探讨了如何设计r $ 4 8 5 通信电路，如何根据电表数据传输规约 对电能表数据进行准确地采集和处理，实现远程抄表；同时，探讨了如何设计 红外通信电路，如何实现基于红外通信的串行数据传输。 五、在本文中探讨了如何设计和实现键盘和液晶显示操作，如何调度各类显 示菜单和组织各种显示画面，实现人机交互功能。 本论文的章节安排如下： 第一章：首先介绍了电力负荷管理系统的概念及其在国内外的发展，然后阐 述了负荷管理中心站，通信信道，以及负荷管理终端的特点和功能，最后交代 了本论文的主要工作。 6 第二章：首先介绍了终端硬件的总体结构，然后对各硬件模块的设计内容 和工作原理做了详细的说明，包括核心模块、电源模块、数据采集模块、控制 模块、通信模块和人机交互模块。硬件设计在满足系统功能需求的同时，注意 了与软件设计的相互配合。 第三章：首先介绍了终端软件的总体结构，以及软件的模块化设计：接着重 点阐述了模拟量采集和处理模块的实现，包括模拟信号采样转换、电参量计算、 四象限的功率和电能计算等；然后阐述了电能表数据采集和处理，包括与电表 的4 8 5 通信和电表传输规约的设计；最后阐述了键盘和液晶显示器的操作，以 及结构化菜单的调度和显示画面的组织。 第四章：首先介绍了嵌入式g p r s 通信的总体结构，接着阐述了串口芯片和 g p r s 模块的驱动设计；然后阐述了p p p 协议模块的设计，p p p 链路协商的具体 过程，以及i p 协议模块的设计；最后阐述了电力负荷管理规约在终端中的实现。 第五章：总结了本论文的工作，并展望了负荷管理终端需要改进和提高的地 方。 7 第二章负荷管理终端的硬件设计 z 1 终端硬件概述 硬件电路设计是整个系统设计的基础，硬件设计的好坏不仅直接影响到整个 系统功能的实现，而且对于系统软件的设计与实现有着很大的影响。所以硬件 电路设计既要考虑到系统功能的实现，又要考虑到如何与系统软件设计相互配 合，使软件的设计方便、可靠。 电力负荷管理终端是安装在用户侧的设备嗍，终端的基本功能包括： 一、终端应能够响应负荷管理中心站发来的各种命令，迸行负荷控制或向中 心站发送采集的电网运行信息。目前，终端与中心站之间主要通过g p r s 网络进 行通信，所以终端需要具备g p r s 通信的能力，需要设计合适的g p r s 通信硬件 电路和通信协议软件。 二、终端应能够实时采集现场的电压、电流、功率、谐波、电量、温度等模 拟量信息，并对数据进行准确地分析和处理，实现对测量点的负荷监测和电能 计量，所以终端需要具备模拟量采集和处理的能力，同时电能计量对采集精度 的要求较高，需要设计合适的采集电路和处理算法。 三、终端应能够采集开关状态等数字量信息，及时记录重要事件并上报中心 站，同时终端应能够采集电表的脉冲量输出，计算电能、需量数据，需要设计 合适的采集电路。 四、终端应能够对采集的数据进行保存和统计，在日末形成各种历史日数据， 在月末形成各种历史月数据，并向中心站提供长期的用户侧信息，由于历史数 据的数量较大，需要设计大容量且性能稳定的存储器件。 五、终端应能够按照中心站要求，对用户侧进行负荷控制和电能控制，如设 定功率和电能定值，在用户用电接近或超过限额时，终端及时告警提示用户， 并按照一定的步骤控制相应的被控负荷开关，需要设计可靠的执行机构和控制 策略。 六、终端应能够远程抄取多功能电表的数据，根据电表通信规约处理数据， 并能将电表信息传送给中心站，需要设计合适的通信硬件电路和通信协议软件。 七、终端应具有液晶显示器、键盘、红外、r s 2 3 2 等设备，便于现场操作。 可见，负荷管理终端的功能较为复杂，应用领域广泛、对本身硬件的可靠性、 稳定性、抗干扰等各个方面均有着较高的要求。 在硬件设计中，参考了大量的文献资料并比较了同类产品设备的性能，最终 决定以t i 公司的3 2 位高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的微处理器来设计 系统。终端的硬件装置结构由三块电路板组成，包括电源及信号板、主控器件 板和通信扩展板，并根据功能要求将每块板划分为相互独立的硬件模块，各个 模块设计完成后，再有机地整合到一起，组成完整的系统。硬件总体结构如图 2 一l 所示。 图2 - 1 负荷管理终端硬件总体结构图 2 2 核心模块 一、微处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用高性能静态c m o s 技术，主频最高可达1 5 0 m h z ：采用高性 能3 2 位中央处理器，其具有改进型的哈佛总线、精简指令集计算功能、微型控 制器结构。芯片内包含了时钟和系统控制逻辑、c p u 中断和p i e 中断模块、随机 存储器s r a m 和闪存存储器f l a s h 、及外部存储器接口x i n t f ；具有3 2 位c p u 定 时器、事件管理器吖、同步串行接口s p i 、异步串行接口s c i 、通用输入输出 引脚g p i o 等外设。f 2 8 1 2 既具有强大的数字信号处理和数学运算能力，又具有 事件管理能力和嵌入式控制功能n 0 1 ，非常适合于应用在负荷管理终端的开发中。 二、时钟 时钟芯片d s l 3 0 6 在终端中是不可缺少的，它为终端的工作提供了精确的时 间同步基准，作为存储数据、记录事件和控制动作的时间标准。d s l 3 0 6 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 ，d s p 进行内部计时。d s l 3 0 6 通过s p i 总线与d s p 相连接，d s p 可从d s l 3 0 6 读取当前的时间和日期以调整内 部走时，或根据远方主站的校时命令设置d s l 3 0 6 的时钟。为了在终端断电时， d s l 3 0 6 的时钟仍能继续维持工作，外接了锂电池电路。当芯片检测到电源电压 过低，则自动切换到锂电池供电“。 三、存储器 d s p 片内的1 8 k 字s r a m 可用于存储数据变量和微型操作系统内核；片内1 2 8 k 9 字f l a s h 用于固化保存软件程序代码。f l a s h 采用多扇区分段结构，支持随机访 问和页访问，并可根据c p u 频率配置访问等待周期，特有基于预取机制的f l a s h 流水线，减少f l a s h 等待状态对代码执行的影响，极大地改善了f l a s h 程序执 行的效率。f l a s h 编程电压为3 3 v ，利用在线f l a s h 编程技术，可以实现终端 程序的远程更新u ”。 终端应能够长期保存大量的历史数据，这些数据需要定时存储和更新( 如小 时冻结数据) 。在设计中扩展了2 m 字的f l a s h 芯片s s t 3 9 v f 3 2 0 1 ，由于d s p 的外扩 地址总线为1 9 位，x i n t f 的单区仅能映像访问最大0 5 m 字的存储空间，因此利用 d s p 的两个g p i o 弓 脚与外扩f l a s h 地址总线的a 1 9 、a 2 0 连接“”，通过数字引脚输 出的高低电平切换选择a 1 9 、a 2 0 位。外扩f l a s h 的低1 9 位地址总线与d s p 的地址 总线相连接，1 6 位数据总线与d s p 的数据总线连接，根据芯片的读写定时参数， 设置合适的x i n t f t 方问等待周期，可有效地访问外扩f l a s h 的存储空间。 终端应能够长期保存一些参数和定值数据，这些数据需要由厂商或用户进行 本地配置、远方读取或修改，数据的正确性直接影响到终端的正常工作( 如终 端通信参数) ，需要可靠地存储。在设计中扩展了4 k 字节的e e p r o m 芯片x 5 3 2 3 ， 通过s p i 总线与d s p 相连接，采用数据页编程方式，利用x 5 3 2 3 的写使能闭锁机制 和数据块写保护功能，可防止在受到外界干扰对，参数或定值数据被意外修改。 2 3 电源模块 在设计中终端采用线性直流稳压电源，将来自电网的交流电压转换为幅值稳 定，纹波电压较小的直流电压。直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路 和稳压调整电路组成。 输入终端的频率为5 0 h z 、2 2 0 v 的交流电压信号，通过线性电源变压器降压 处理，在变压器前端还添加了压敏电阻保护电源免受浪涌干扰。两组变压器副 边电压信号分别经过单相全桥整流电路由交流电压转换为直流电压。在整流后， 利用低通滤波电路将脉动的直流电压转变为平滑的直流电压，并尽可能完全滤 去信号内的交流成分。整流、滤波后的直流电压输入以i j 4 2 5 7 6 芯片为核心的集 成稳压电路中，分别调整为+ 1 2 v 和+ 5 v 的直流电压输出。稳压电路使电源输出 的信号不易受电网电压波动和负载电阻变化，从而获得较高的稳定性。电源输 出电路前端并联有法拉电容和后备电池电路，在外部电压跌落或断电时维持终 端工作1 。 直流电源的+ 5 y 电压输送到主控器件板，作为5 v 数模器件( 如l m 2 9 0 2 ) 的 电源，同时经过以t p s 7 5 7 3 3 芯片为核心的电源转换电路输出+ 3 。3 v 电压信号， 为d s p 外围部分和3 3 v 数模器件( 如s s t 3 9 v f 3 2 0 1 ) 供电。当t p s 7 5 7 3 3 输出电 压稳定后，其p g 引脚置低，以使能电源芯片t p s 7 6 8 1 8 的工作，进一步将+ 3 3 v 变换为+ 1 8 v 电压信号，为d s p 内核供电，遵循了f 2 8 1 2 芯片外围部分先上电， 1 0 核心部分后上电的供电时序。直流电源的+ 1 2 v 信号输送到主控器件板，一部分 经过7 8 l 0 5 芯片转换为5 v 电压给r s 4 8 5 接口电路提供独立的电源，同时也输送 到数字量输入输出接口电路( 如继电器) 。通讯扩展板由5 v 直流电压供电，作 为g p r s 模块和r s 2 3 2 接口电路的电源，如图2 2 所示。 电源及信号板 主控器件板 直流! v 直流12 - v 图2 2 终端供电结构图 2 4 数据采集模块 一、状态量和脉冲量采集 状态量采集主要是实时采集位置状态和其他状态信息( 如断路器位置、手动 合闸、手动分闸) ，既要记录当前遥信状态，又要记录遥信变位信息。脉冲量采 集主要是采集电能表输出的脉冲，并根据电能表脉冲常数和互感器变比计算电 能量。 由于脉冲量和状态量均是开关量，将两者的输入接口电路统一处理，在终端、 中设计了八通道的数字量输入接口电路。外部输入的强电信号，通过光电耦合 器t l p l 8 1 进行电气隔离和缓冲，减少电源冲击、抑制尖脉冲和噪声的干扰， t l p l 8 1 输出的弱电信号送入i ) s p 的i 0 引脚进行检测。在强电信号输入端，添 加了瞬态电压抑制二极管( t v s ) ，使接口电路在承受高能量瞬时过压脉冲时不 至损坏，并使用小电容滤去信号中的毛刺，提高了信号采集的可靠性“”。 二、交流量和直流量采集 终端需要对来自电压互感器、电流互感器的交流信号进行实时采集，输入的 交流电压信号( 0 2 2 0 v ) 和交流电流信号( 0 6 a ) ，通过互感器变换、电阻取 样和电容滤波变换为适合采集的交流电压信号，输出到模数转换芯片内进行采 样转换。 负荷管理终端既要对电能量迸行计量，又要对电网信号的谐波分量进行测 量，因此不仅对基频信号的采样精度有很高的要求，还要求能够对高频信号准 确地采样转换。综合考虑，在设计中选择了t i 公司的模数转换芯片t l c 3 5 7 8 负责交流信号的采样转换。此a d 芯片不仅具有1 4 位的采样分辨率，2 0 0 k s p s 的转换速率，支持双极性模拟量输入，输入信号范围可调。而且提供了八路模 拟量输入通道，标准s p i 接口，外部采样触发方式“”，能够满足模拟量采集的 技术要求。在设计中，由相互隔离的5 v 模拟电源和3 3 v 数字电源分别为芯片 供电，同时因为芯片的参考电压的稳定程度直接影响到采样的精度，所以外接 了t i 公司的电压基准源r e f 3 0 4 0 为芯片提供参考电压基准，并在基准电路中添 加了电容对地滤波以消除干扰。因为是直接对电网的信号进行采集，电网中可 能出现的浪涌电压或电流会对采集电路造成很大的冲击，所以在互感器前端添 加了扼流圈和压敏电阻以增强抗浪涌干扰的能力。 d s p 通过s p i 总线向t l c 3 5 7 8 发送命令，t l c 3 5 7 8 将信息解码并执行相应操 作，电路连接如图2 - 3 所示。当芯片的c s 引脚为高电平时，s d o 输出为高阻态， s d i 的输入信号被忽略，使s p i 总线上的多个设备做到分时复用n 耵由c s 弓l 脚 的下降沿信号负责启动s p i 总线上的数据传输，使能s d o 、s d i 、s c l k 工作，在 s c l k 的时钟下降沿锁存s d i 的输入数据，或在s c l k 的时钟上升沿s d o 输出有效 数据。如图2 3 所示。 哪+ m+ 3 - - 3 v 吖 产卡i 戳d 赋 6 纠书1 1 7 w c嚣 1 9 捌睁p 2 0 期鞭伽 口孺 hi 俨 2 l 。o m ， 专 2 2 q m t 8 i i l t】【n r r l 茸m o 粉9 上l n 0 l 盯 8船 p 喁t d l o h1 0 堋l c s 54 1 c a l a 5q i 譬4 t r ol l 瑚2s d 0 3 4 0 噩，i s 。i l n1 2 瑚3s d i 1 3 4 s p i 女m o o e1 3 聃轼工娜e 强 i c1 4 i 肆5 + 5 v1 5 】群6 l _ i c l 0 4 71 6d 印 l n ， 图2 - 3 模拟量采集电路原理图 线性电源变压器二次侧的单相电压交流信号，输入到测频电路中。经过以 l m 2 9 0 3 为核心的方波变换电路将正弦信号变为同步方波信号( o 3 v ) 。输出到 d s p 的施米特触发捕捉引脚，用于电网频率的跟踪。 终端还需要对电源电压、环境温度等信号进行采集，以对终端的工作状态进 行监测。直流电源的+ 5 v 电压信号进入以l 1 4 2 9 0 3 为核心的反馈放大电路，将电 压信号放大为原来的1 0 倍( 外加限幅电路使电压最大不超过5 v ) ，输出到 t l c 3 5 7 8 中进行采集，对电源信号波动情况进行监测。由t c l 0 4 7 测温芯片对环 境温度进行测量，并输出与温度系数相匹配的电压信号至t l c 3 5 7 8 中进行采集， 对终端的工作温度进行监测。 1 2 2 5 控制模块 控制模块负责控制跳闸机构动作，控制电路包括多路锁存器、光电耦合器、 执行继电器等。终端接受远方主站下发的控制命令( 遥控) ；或是终端按照主站 下发的控制参数，根据当时用户用电情况进行控制( 当地闭环控制) ，来操作出 口继电器执行相应的动作。 d s p 将控制信号传送到锁存器7 4 h c 5 7 4 中，锁存器的输出信号驱动光电藕合 器t l p l 8 1 工作，t l p l 8 1 的输出驱动三极管开关电路中的三极管导通，使+ 1 2 v 电压加在继电器两端，继电器动作。继电器内有两组动作机构，通过连接到不 同输出端子可以实现常开触点、常闭触点。无控制动作时，光电藕合器不工作， 三极管处于截止状态，使继电器保持原有状态防止误动。为了避免外部出现的 高能量瞬时过压脉冲损坏内部器件，在继电器两端也并接了瞬态电压抑制二极 管。 2 6 通信模块 终端需要和电力负荷管理中心站、多功能电表、手持抄表设备等进行通信， 根据各种通信方式的特点构建了不同的通信电路，包括r s 4 8 5 通信电路、红外 通信电路和g p r s 通信电路。 2 6 1r s 4 8 5 通信 r s 4 8 5 通信方式具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多点连接能力优 点各节点通过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