張明明，秦平，陳永進(jìn)，賈恒杰，王兆健

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026； 2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510670）

引言

低壓配電臺區(qū)，作為直接面向電力客戶的最后一個智能環(huán)節(jié)，是我國智能配電網(wǎng)建設(shè)的重要組成環(huán)境。高效的智能臺區(qū)建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)高度智能、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測及控制等綜合功能，將大幅度提高電力現(xiàn)場應(yīng)用和管理效率，并且可以更好服務(wù)終端客戶，切實(shí)加強(qiáng)為電力客戶服務(wù)的實(shí)惠度，為電力客戶提供高質(zhì)量、高可靠性的電力能源[1-3]。

智能臺區(qū)監(jiān)控終端是智能臺區(qū)項(xiàng)目技術(shù)研究工程應(yīng)用落地與實(shí)踐的核心裝置。智能臺區(qū)監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)對臺區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)的匯集、分析與上報等功能，同時依靠終端運(yùn)算處理器和嵌入式優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)臺區(qū)設(shè)備的協(xié)調(diào)趨優(yōu)控制，提高現(xiàn)有配變臺區(qū)智能化水平[4-6]。

本文將結(jié)合當(dāng)前嵌入式發(fā)展技術(shù)，基于高性能控制器，采用模塊化設(shè)計思路實(shí)現(xiàn)高性能的控制終端硬件研發(fā)。同時將嵌入式Linux應(yīng)用于控制終端軟件系統(tǒng)開發(fā)，借助嵌入式Linux豐富的驅(qū)動和管理資源，加快控制終端軟件研發(fā)。所研發(fā)的新一代智能臺區(qū)監(jiān)控終端，具有高精度的數(shù)據(jù)采集、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)通信、強(qiáng)大的全業(yè)務(wù)支撐和高效的邊緣處理等能力。

1 監(jiān)控終端設(shè)計思路

智能臺區(qū)監(jiān)控終端基于“硬件平臺化，軟件模塊化”的設(shè)計理念，建立一個具有標(biāo)準(zhǔn)化通信接口的硬件平臺，采用交互式容器技術(shù)，能支持多業(yè)務(wù)部署的軟件平臺。監(jiān)控終端功能由各模塊獨(dú)立定義和裝載，后臺主站對接，靈活擴(kuò)展。

基于上述監(jiān)控終端硬件、軟件開發(fā)系統(tǒng)，不同電氣設(shè)備廠家的終端設(shè)備或系統(tǒng)只需要符合硬件、軟件規(guī)范，便可通過統(tǒng)一的接口，與本監(jiān)控終端無縫連接，其中電力業(yè)務(wù)的功能性內(nèi)容可靈活劃分到不同智能終端，由對應(yīng)的硬件或軟件模塊實(shí)現(xiàn)[7]。

監(jiān)控終端支持計量自動化、電能質(zhì)量分析、配變臺區(qū)低壓設(shè)備（如低壓監(jiān)控終端、無功補(bǔ)償裝置等）接入與監(jiān)測、各種告警和保護(hù)等業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)低壓配網(wǎng)業(yè)務(wù)的靈活、快速部署[8]；依托臺區(qū)就地化決策和云端協(xié)同機(jī)制，助推低壓配電網(wǎng)由被動管理向主動管理模式變革，提升臺區(qū)精益化管理水平。在邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)透明化感知、預(yù)警與本地協(xié)同控制。

監(jiān)控終端基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有邊緣計算、就地決策，以智能配變終端為建設(shè)核心，依托邊緣計算的分布式運(yùn)算服務(wù)和臺區(qū)就地決策，對低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、線損管理、拓?fù)渥R別、電能質(zhì)量、三相不平衡、分布式能源接入、微網(wǎng)負(fù)荷有序性進(jìn)行智能化管控[9-11]。

新一代的智能臺區(qū)監(jiān)控終端，需要具備硬件和軟件功能協(xié)同處理能力，對監(jiān)控終端的硬件和軟件性能提出了更高要求。傳統(tǒng)的單片機(jī)或單處理器結(jié)構(gòu)，不容易實(shí)現(xiàn)平臺化需求的硬件系統(tǒng)；傳統(tǒng)的大循環(huán)輔以中斷的處理器軟件架構(gòu)，也無法滿足日趨復(fù)雜的軟件功能需求。本文結(jié)合當(dāng)前半導(dǎo)體、通信網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)一種新型的智能臺區(qū)監(jiān)控終端，該監(jiān)控終端硬件上以雙核控制器為核心，構(gòu)建高效彈性的平臺化硬件結(jié)構(gòu)；軟件上采用嵌入式Linux，利用嵌入式Linux高效的調(diào)度能力實(shí)現(xiàn)多個功能應(yīng)用程序的并發(fā)處理，直接利用嵌入式Linux現(xiàn)成豐富庫資源，完成新一代監(jiān)控終端涉及到的硬件驅(qū)動、通信協(xié)議等復(fù)雜功能。

2 監(jiān)控終端硬件系統(tǒng)

由于監(jiān)控終端硬件功能要求越來越高，單靠一個控制器不容易滿足所有功能，因此，新型的監(jiān)控終端多采用DSP+MUC、FPGA+MUC和FPGA+DSP等多個控制器芯片組合的方式，由于這些控制器屬于不同芯片，涉及數(shù)據(jù)交換、功能協(xié)調(diào)等較為復(fù)雜內(nèi)容，需要較為龐大的額外開銷[12]。

為了降低多個控制器的交互成本，本文采用高性能的OMAPL138單芯雙核（控制器）作為主控制器，構(gòu)建新一代監(jiān)控終端硬件平臺。OMAPL138控制器單芯片集結(jié)了DSP+ARM兩個工業(yè)處理器 ，大大降低了雙核通訊的開發(fā)難度，可充分滿足電力工業(yè)應(yīng)用的高能效、連通性設(shè)計對高集成度外設(shè)、更低熱量耗散以及更長電池使用壽命的需求。

監(jiān)控終端硬件功能以主控制器OMAPL138為核心，采用插件式方式，可以通過現(xiàn)場應(yīng)用需要靈活配備所需的插件，將各個硬件單元按功能進(jìn)行合理的模塊劃分，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量、模擬量以及不同性質(zhì)和電壓等級電氣量的有效隔離，使其能長時間高可靠性地運(yùn)行在電磁影響較為惡劣的電力現(xiàn)場中[10,11]。除了控制器插件外，還包括電源插件、交流采樣插件、人機(jī)界面插件、通信插件和遙信插件，如圖1所示。

圖1 智能臺區(qū)終端硬件系統(tǒng)

1）控制器插件是監(jiān)控終端的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定整個監(jiān)控終端的性能主要由處理器、緩存和內(nèi)存構(gòu)成的最小硬件系統(tǒng)，終端其它部分硬件圍繞著該硬件平臺配合運(yùn)行。

控制器插件由CPU、RAM、Flash，以及終端運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)等組成。監(jiān)控終端可以存儲數(shù)據(jù)十年，時鐘正常運(yùn)行五年，完全滿足配電網(wǎng)智能設(shè)備運(yùn)行要求。

本文，核心處理模塊是終端的主要運(yùn)算處理硬件平臺，考慮到新一代監(jiān)控終端需要完成多項(xiàng)綜合功能，而ARM具有強(qiáng)大的管理功能，由ARM完成通信管理、人機(jī)界面、低功耗管理、后備電源管理、實(shí)時鐘管理、系統(tǒng)電源監(jiān)控、故障自恢復(fù)系統(tǒng)等功能。

2）電源系插件是監(jiān)控終端的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)整個終端設(shè)備的能源供給，以電磁兼容、安規(guī)、功耗、電源質(zhì)量以及輸出穩(wěn)定性作為關(guān)鍵指標(biāo)。包括了額定電源輸入與保護(hù)、處理器系統(tǒng)數(shù)字部分電源、模擬部分電源、上行通信電源、下行通信電源、后備電源等部分。

3）交流采樣插件負(fù)責(zé)配電網(wǎng)電氣量的數(shù)據(jù)采集，交流采用精度直接影響著整個監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)精度。本監(jiān)控終端采用高精度的16 Bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行三相四線電壓電流采樣、零線電流采樣，并采用模擬信號調(diào)理電路，確保電氣量采樣轉(zhuǎn)換的精度。

4）本監(jiān)控終端具有良好的模數(shù)轉(zhuǎn)換速度和精度，實(shí)現(xiàn)配變臺區(qū)首端電壓和電流實(shí)時采集計算，精度、量程和處理速度滿足高級應(yīng)用與研究的數(shù)據(jù)要求。交流采樣準(zhǔn)確度等級達(dá)到：有功電量1.0，無功電量2.0。

5）良好的人機(jī)交互有助于方便電力現(xiàn)場運(yùn)行人員更高效利用本監(jiān)控設(shè)備。本監(jiān)控終端除了配備LCD顯示屏和工業(yè)按鍵等經(jīng)典電力智能設(shè)備人機(jī)接口外，還配備了本地維護(hù)通信接口，用于本地操作及終端維護(hù)。

本地維護(hù)通信接口，主要用于監(jiān)控終端在調(diào)試過程中和現(xiàn)場運(yùn)行過程中的維護(hù)，本監(jiān)控終端提供串口通信接口，可以實(shí)現(xiàn)本地操作及終端維護(hù)工具的接入。

6）隨著智能臺區(qū)信息日益依賴通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，通信插件重要性也日益突出。監(jiān)控終端一方面需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯總，考慮到電力現(xiàn)場應(yīng)用的多樣化， 本監(jiān)控終端可支持寬帶載波、微功率無線、RS485等國內(nèi)電力主流通信方式及模塊。

另一方面，監(jiān)控終端還將臺區(qū)信息傳送到配電網(wǎng)后臺系統(tǒng)，與后臺進(jìn)行信息交互，因此，監(jiān)控終端可實(shí)現(xiàn)多種通信功能，支持5G/4G LTE/GPRS/CDMA、光纖以太網(wǎng)等多種通信方式。

7）遙信接口可實(shí)現(xiàn)智能配電控制系統(tǒng)的遙信開關(guān)量功能，完成配變臺區(qū)關(guān)鍵低壓設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)反饋與保護(hù)。本監(jiān)控終端具有良好的電磁兼容性，實(shí)現(xiàn)多路開關(guān)量遙信輸入接口與隔離保護(hù)，遙信輸入回路≥8路。

3 監(jiān)控終端軟件系統(tǒng)

監(jiān)控終端軟件功能為臺區(qū)的監(jiān)測分析和運(yùn)行控制提供基礎(chǔ)，新一代監(jiān)控終端，除了數(shù)據(jù)采集、匯總和上傳等軟件功能外，還具備邊緣計算能力，能具備告警、電能質(zhì)量監(jiān)控、對時和遠(yuǎn)程操作等功能，功能較為齊全[13]。

相較于傳統(tǒng)的電力監(jiān)控終端多采用單線程方式，新一代智能臺區(qū)監(jiān)控終端需要同時處理數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)通信、人機(jī)界面和各種管理功能，軟件日趨復(fù)雜。因此，ARM控制器通過引入當(dāng)前主流的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過充分利用嵌入式Linux現(xiàn)成的驅(qū)動功能、調(diào)度功能，以降低軟件開發(fā)程度[12,13]。利用Linux操作系統(tǒng)的這一特點(diǎn)，可方便的開發(fā)與DSP的數(shù)據(jù)交互、界面管理、通信協(xié)議等功能，具體軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端軟件功能結(jié)構(gòu)圖

智能臺區(qū)監(jiān)控終端的ARM控制核負(fù)責(zé)人機(jī)界面、通信等較為復(fù)雜的管理功能，因此ARM采用嵌入式Linux進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，以平衡多個管理任務(wù)的響應(yīng)情況。

在嵌入式Linux內(nèi)核移植基礎(chǔ)上，進(jìn)行監(jiān)控終端軟件的物理層、驅(qū)動層、協(xié)議層、應(yīng)用層的功能實(shí)現(xiàn)物理層相對簡單，主要是根據(jù)所選的器件芯片，進(jìn)行對應(yīng)的驅(qū)動選擇。

驅(qū)動層軟件開發(fā)包括采樣計量芯片驅(qū)動、按鍵驅(qū)動、LCD驅(qū)動、SPI、UART、USB和以太網(wǎng)等通信模塊驅(qū)動、外部RTC驅(qū)動、GPIO驅(qū)動和Nand Flash及文件系統(tǒng)等模塊。嵌入式Linux中提供了大量的芯片驅(qū)動程序，只需在物理層選擇對應(yīng)芯片的基礎(chǔ)上，進(jìn)行芯片邏輯地址等信息的配置，避免了傳統(tǒng)單片機(jī)需要開發(fā)人員撰寫對應(yīng)驅(qū)動程序的繁冗工作。

協(xié)議層簡化了通信開發(fā)難度，使得監(jiān)控終端具有較好的通信功能，借助于嵌入式Linux系統(tǒng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信交互。由于通信協(xié)議的多樣化和復(fù)雜化，以經(jīng)典的TCP/IP為例，基于傳統(tǒng)單片機(jī)的通信協(xié)議，需要花費(fèi)大量精力進(jìn)行通信協(xié)議編程開發(fā)。采用嵌入式Linux系統(tǒng)，可以利用Linux系統(tǒng)現(xiàn)成的通信協(xié)議，進(jìn)行通信應(yīng)用開發(fā)，加快了開發(fā)效率。

本文開發(fā)的監(jiān)控終端具備靈活的通信規(guī)約適配模塊，滿足不同的通信規(guī)約要求，通訊數(shù)據(jù)可由SPI、UART和以太網(wǎng)、無線等多種通信方式靈活進(jìn)行臺區(qū)數(shù)據(jù)的傳輸，并以LED驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的信號燈顯示，并具備LCD彩色屏的運(yùn)行狀態(tài)顯示功能。

智能臺區(qū)監(jiān)控終端面向電力用戶的功能主要體現(xiàn)在應(yīng)用層，涉及到電氣量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集和處理，通過分層次的軟件實(shí)現(xiàn)方法，可以將原先較為復(fù)雜的軟件功能以模塊化方式實(shí)現(xiàn)，在Linux中采用線程方式完成，提高了并行性。

借助于嵌入式Linux多線程技術(shù)，ARM控制器可以高效完成應(yīng)用層的電力高級應(yīng)用，具體包括：管理臺區(qū)用戶電表信息，抄讀電表的日凍結(jié)、月凍結(jié)數(shù)據(jù)，監(jiān)測電表的告警事件。監(jiān)控終端系統(tǒng)還可以對公變側(cè)三相四線交流進(jìn)線的采樣數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電能信息深化應(yīng)用，包括配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、相序判斷、電能質(zhì)量分析、電壓合格率分析、功率因數(shù)分析、諧波統(tǒng)計分析、三相不平衡度分析、低壓用戶的用電可靠性分析、三相不平衡優(yōu)化策略研究等高級應(yīng)用。

智能臺區(qū)監(jiān)控終端的DSP控制核主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理等實(shí)時性較高的要求，任務(wù)較為單一，還是采用經(jīng)典的單線程模塊方式以提高效率。DSP完成的單線程任務(wù)為完成初始化、采集交流信號、采集遙測信號、與ARM交換數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計算與分析任務(wù)。

4 應(yīng)用

所研發(fā)的新型智能臺區(qū)監(jiān)控終端，可以實(shí)時監(jiān)測智能臺區(qū)關(guān)鍵產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)，完成遠(yuǎn)程分合閘控制及對智能設(shè)備參數(shù)整定等功能，順利通過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試和動模測試后，已投入韶關(guān)市翁源供電局臺區(qū)應(yīng)用。

智能配變終端負(fù)責(zé)低壓總進(jìn)線的交流采樣計算，通過RS485總線采集各路出線的電參量數(shù)據(jù)；監(jiān)測低壓總進(jìn)線、各出線電能質(zhì)量及告警事件；另外通過以太網(wǎng)或者RS485總線與低壓集抄的集中器級聯(lián)，抄讀臺區(qū)下所有電能表15 min負(fù)荷記錄曲線數(shù)據(jù)，通過聚類分析、相關(guān)性分析等辨識算法將各路出線下的電能表劃分歸類，同時識別各個單相電能表的安裝相序，并識別串抄其他臺區(qū)下的電能表。

本文所述智能臺區(qū)監(jiān)控終端具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、通信功能，可以方便地將臺區(qū)數(shù)據(jù)傳遞到后臺，后臺可實(shí)現(xiàn)對整個臺區(qū)的有效監(jiān)控，包含電能質(zhì)量監(jiān)控、故障事件與歷史事件記錄、臺區(qū)歷史數(shù)據(jù)分析三個主要功能，如圖3所示。

圖3 智能臺區(qū)分析界面

當(dāng)需要分析詳細(xì)的龍仙臺區(qū)的某一項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行分析時，可調(diào)出歷史數(shù)據(jù)并繪制出規(guī)律曲線。例如龍縣臺區(qū)三相不平衡度較為明顯，可調(diào)出龍仙臺區(qū)三相電流數(shù)值，統(tǒng)計一個月內(nèi)的三相電流不平衡度，如圖4所示。

圖4 龍仙臺區(qū)B相不平衡度分析圖

所研發(fā)的新型監(jiān)控終端樣機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行半年以來，運(yùn)行效果良好，符合預(yù)期要求。

5 結(jié)語

監(jiān)控終端是智能臺區(qū)監(jiān)控的核心元件，本文結(jié)合當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，研發(fā)了一種新型的智能臺區(qū)監(jiān)控終端。該監(jiān)控終端以插件式方式，由八大功能模塊構(gòu)成主要硬件系統(tǒng)。軟件上以嵌入式Linux系統(tǒng)為核心，借助嵌入式Linux系統(tǒng)豐富的庫資源，降低軟件開發(fā)難度，并提高了電力應(yīng)用功能并行性。電力現(xiàn)場的應(yīng)用效果表明，所研發(fā)的新型監(jiān)控終端能滿足當(dāng)前智能臺區(qū)日趨復(fù)雜的全業(yè)務(wù)要求。