楊明冬

（南京易司拓電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

電壓質(zhì)量是衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)之一，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定和電力設(shè)備安全運(yùn)行具有重大影響。根據(jù)國家電力監(jiān)管委員會(huì)和國家電網(wǎng)有限公司（以下簡稱“國網(wǎng)”）要求，對(duì)A類（變電站10 kV母線）、B類（35 kV及以上專線用戶）、C類（非專線用戶和10 kV用戶）以及D類（低壓臺(tái)區(qū)）開展電壓合格率監(jiān)測(cè)，其中電壓合格率應(yīng)滿足《電壓監(jiān)測(cè)儀使用技術(shù)條件》（DLT 500—2017）和《國網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW 1819—2013）特定功能規(guī)范的監(jiān)測(cè)要求。中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司規(guī)定各省供電電壓需符合《供電監(jiān)管辦法》的要求。隨著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)發(fā)展，2019年國網(wǎng)又出臺(tái)了最新的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)要求，發(fā)布《國網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW 1819—2019），要求各省梳理電網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將電壓監(jiān)測(cè)工作推向了一個(gè)新高度[1-3]。

同時(shí)，國外芯片在安全性和市場(chǎng)供應(yīng)方面存在極大隱患，而“缺芯潮”的到來導(dǎo)致設(shè)備芯片成本急劇上升。針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，亟需對(duì)電壓監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行國產(chǎn)化改造，在兼顧國產(chǎn)化要求的同時(shí)降低終端成本[4]。

1 電壓監(jiān)測(cè)終端功能原理

電壓監(jiān)測(cè)終端的功能模塊主要包括采樣模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊、存儲(chǔ)模塊、加密模塊以及主站通信模塊，基本原理如圖1所示。

圖1 電壓監(jiān)測(cè)終端功能原理

第一，采樣模塊對(duì)被監(jiān)測(cè)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，每分鐘統(tǒng)計(jì)1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，取平均值作為被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的即時(shí)運(yùn)行電壓。

第二，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊接收采樣模塊發(fā)送的電壓、每分鐘平均值數(shù)據(jù)，通過顯示模塊顯示，并實(shí)時(shí)刷新電壓小時(shí)統(tǒng)計(jì)、日統(tǒng)計(jì)、月統(tǒng)計(jì)、最大/最小值、出現(xiàn)時(shí)刻、超上限/下限率、超上限/下限時(shí)間以及電壓合格率等數(shù)據(jù)，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)項(xiàng)通過存儲(chǔ)模塊進(jìn)行本地持久化存儲(chǔ)。此外，統(tǒng)計(jì)模塊發(fā)送各數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)和電壓告警信息，用于主站通信模塊主動(dòng)上送數(shù)據(jù)[5,6]。

第三，主站通信模塊依據(jù)不同的規(guī)約，通過無線4G或以太網(wǎng)通信方式將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)告警信息加密后上報(bào)給主站系統(tǒng)，同時(shí)主站通信模塊支持終端的遠(yuǎn)程升級(jí)和遠(yuǎn)程維護(hù)。

第四，存儲(chǔ)模塊采用yaffs2文件系統(tǒng)，以文件形式存儲(chǔ)裝置相關(guān)參數(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及日志等。

第五，終端集成了專用安全芯片，支持RSA、SM1、SM2算法，支持ISO7816接口和串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）通信。

2 國產(chǎn)化替代方案

設(shè)計(jì)選用的國產(chǎn)主控制器為基于兆易創(chuàng)新GD32F450系 列 微 控 制 單 元（Multi Control Unit，MCU）。該系列芯片基于 ARM?Cortex?-M4內(nèi)核的32位通用微控制器，工作主頻最高可達(dá)200 MHz，提供了完整的數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）指令集、并行計(jì)算能力以及專用浮點(diǎn)運(yùn)算單元（Floating Point Unit，F(xiàn)PU）來滿足高級(jí)計(jì)算需求，具備超高的計(jì)算性能和良好的擴(kuò)展性。它的RAM空間為512 kB，提供高達(dá)3 024 kB的片上FLASH。該芯片具有豐富的外設(shè)接口，包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、I2C、SPI、通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）以及控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）等，同時(shí)芯片的工作溫度范圍為-40～+85 ℃（工業(yè)級(jí)）。綜合分析表明，GD32F450系列MCU能夠滿足電壓監(jiān)測(cè)終端的計(jì)算能力、存儲(chǔ)以及工作環(huán)境的需求。

在系統(tǒng)的外圍電路芯片國產(chǎn)替代選型方面應(yīng)兼顧硬件兼容性，盡量做到PIN2PIN替代，以減少硬件印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的改動(dòng)，縮短國產(chǎn)化改造周期。存儲(chǔ)芯片選擇W29N01HVSINA（華邦），存儲(chǔ)容量為1 GB，電壓范圍為2.7～3.6 V，工業(yè)級(jí)，PIN2PIN替代。網(wǎng)絡(luò)芯片選擇CH9121（南京沁恒微），集成傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和串口數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸，串口波特率最高可支持921 600 b/s，可通過上位機(jī)配置?？撮T狗選擇SGM706（北京圣邦微），具有上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位以及低電壓報(bào)警等功能。接口芯片選擇UM232EESE（上海英聯(lián)），具有高ESD保護(hù)和失效保護(hù)的單電源供電RS232收發(fā)器。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片選擇SE8025TC，支持I2C總線的高速模式，寬范圍接口電壓為2.0～5.5 V，PIN2PIN替代。各外圍電路芯片的國產(chǎn)替代關(guān)系見表1。

表1 終端芯片國產(chǎn)化替代

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主板硬件整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電壓監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)圖

第一，系統(tǒng)MCU為兆易Cortex-M4系列的GD32F450，作為業(yè)界最高性能的Cortex-M4微控制器，同主頻下的代碼執(zhí)行效率相比市場(chǎng)同類Cortex-M4產(chǎn)品提高10%～20%，并已全面超越Cortex-M3產(chǎn)品，性能提升超過40%。

第二，交流輸入電源經(jīng)開關(guān)電源產(chǎn)生主直流電源和副直流電源，分別為4.25 V和5 V。交流輸入范圍可達(dá)70～456 V，經(jīng)電源轉(zhuǎn)換芯片SP6205輸出穩(wěn)定的3.3 V電壓，用于芯片的供電。在交流電斷開情況下，裝置自帶的電池供電，經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換芯片SP6205穩(wěn)定輸出3.3 V電壓，提供整機(jī)的電源。此電池在斷電情況下，用于備用電源、數(shù)據(jù)上傳等[7,8]。

第三，采樣模塊電路的交流采樣輸入電壓經(jīng)過精密電阻和互感器等元器件，將大的交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉慕涣餍盘?hào)再進(jìn)入采樣芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過USART口與主控制器通信。

第四，RTC芯片通過I2C接口與主控制器通信，為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，在裝置不工作的情況下也能保持時(shí)鐘不停止。

第五，系統(tǒng)通過USART口提供RS232串口通信通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向外傳輸?shù)挠布ǖ溃С执谂c主站系統(tǒng)通信和串口升級(jí)等功能，利用光耦隔離電路實(shí)現(xiàn)分離。

第六，系統(tǒng)采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)芯片方式實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能，同時(shí)通過串口與4G模塊互通，實(shí)現(xiàn)4G遠(yuǎn)程通信功能。

第七，加密模塊通過SPI總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支撐終端與主站的加密通信。

第八，系統(tǒng)采用NAND FLASH作為存儲(chǔ)部件，以文件形式存儲(chǔ)裝置相關(guān)參數(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及日志等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)采用模塊化、層次化以及可擴(kuò)展等思路設(shè)計(jì)，依托MCU、FLASH、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）以及RS232等物理載體，基于開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用功能。終端業(yè)務(wù)功能需求的實(shí)現(xiàn)由應(yīng)用層直接調(diào)用相應(yīng)驅(qū)動(dòng)接口作為銜接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理接口的輸入/輸出（Input/Output，I/O）調(diào)用。系統(tǒng)為每個(gè)業(yè)務(wù)模塊創(chuàng)建1個(gè)TASK，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)度。系統(tǒng)軟件總體分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件總體分層結(jié)構(gòu)

考慮后續(xù)終端軟件擴(kuò)展性和平臺(tái)可移植性，應(yīng)用層應(yīng)避免以各種形式直接調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)代碼（包含操作系統(tǒng)的API）。系統(tǒng)應(yīng)用層和底層必須以標(biāo)準(zhǔn)API接口進(jìn)行交互，以防應(yīng)用層系統(tǒng)在不同硬件平臺(tái)間進(jìn)行移植時(shí)出現(xiàn)不兼容問題[9,10]。

電壓監(jiān)測(cè)終端主要芯片由國產(chǎn)化產(chǎn)品替代，尤其是主控制器替代后，終端軟件需要進(jìn)行移植開發(fā)工作。由于終端國產(chǎn)化替代前的軟件采用了嚴(yán)格的分層設(shè)計(jì)原則，應(yīng)用層與驅(qū)動(dòng)層之間耦合度較低，應(yīng)用層部分無須進(jìn)行適配性改造。軟件的移植工作主要集中在驅(qū)動(dòng)層開發(fā)，主要包括MCU各外圍接口驅(qū)動(dòng)，如USART接口、I2C接口、SPI接口、EXMC以及GPI0的重定義等。各外圍接口驅(qū)動(dòng)程序完成移植調(diào)試后，加載軟件應(yīng)用層代碼進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)，以便驗(yàn)證軟件的各項(xiàng)功能和性能。

5 結(jié) 論

文章提出一種芯片國產(chǎn)化替代的電壓監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)了芯片100%國產(chǎn)化替代。通過分析試驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行效果，終端的各項(xiàng)功能與性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求。本次電壓監(jiān)測(cè)終端的國產(chǎn)化替代實(shí)踐可以為類似系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供參考，推進(jìn)電力芯片國產(chǎn)化進(jìn)程。