基于SCM701的电力数据采集终端设计

描述

 

摘 要 为解决现有电力数据采集终端采集速度慢功能扩展差的问题提出了一种基于 SCM701 的电力数据采集终端设计方案该方案以新一代自主研发的 SCM701 型处理器为管理核心以操作系统平台为基础以独立应用为支撑以硬件模块化软件功能 APP 化为设计思路经过实验室大量试验和现场长时间运行表明基于该方案设计的采集终端采集速率和数据传输稳定性均有较大提升可扩展性强可根据现场用户需求灵活配置硬件功能模块和软件应用 APP大大降低了现场运维成本是新一代电力数据采集终端面向未来需求的一种较好发展方向

 

0 引 言

按国家发展和改革委员会国家能源局工业和信息化部联合发布的关于推进互联网+智慧能源发展的指导意见相关要求[1-3]结合采集系统的建设现状采集系统将向云计算大数据+计量清洁能源互动化采集系统共享复用等方向发展[4-5]为此要求电力数据采集终端以下简称采集终端”)应满足相应系统发展要求适应大云物移的发展方向现有的采集终端设备结构单一功能配置固定资源配置偏低难以满足各种采集现场的个性化安装及使用要求采集终端设备面临着升级换代的问题[6-9]

 

1 需求分析

通过总结当前采集终端功能应用情况和应用经验[10-12]分析应用中的不足制定新一代采集终端需求如下

1硬件功能可扩展根据不同的应用需求设计各类应用模块不同规格的模块以统一接口方式连接形成适应不同业务需求的终端实现采集功能

2管理统一化采用统一操作系统为平台方便管理采集终端文件系统及各应用接口实现统一管控

3业务软件可升级充分利用面向对象的抽象性封装性继承性和多态性等特性使系统易于维护便于扩展可升级

 

2 硬件设计

针对以上需求,面向未来应用,融合业界成熟的新技术,提出新型用电信息采集终端模块化平台化设计思路包含主控加密时钟蓝牙通信电源控制交流采样以太网USB按键LED指示液晶显示支持热插拔更换的模块有HPLC模块4G模块控制模块485模块和备用模块其中备用模块可以根据用户自身需求灵活配置以实现个性化功能硬件架构如图1所示

控制模块

2.1 主控单元
 

主控单元是采集终端的大脑”,负责系统的逻辑运算数据分析存储及控制指令处理器采用国产芯片SCM701该芯片是以ARM Cortex-A7为内核的4核工业级处理器主频最高可达1.2 GHz外设接口支持SATA2.08UART4 SPI/5通道I2C接口 网络接口支持接入WiFi/3G/4G网络支持千兆+百兆双网口同时工作支持两路USB2.0 Host1OTG丰富的设备接口与模块化设计要求吻合
 2.2 控制模块
 控制模块接收主控单元的控制命令对外部设备进行拉合闸操作控制单元采用国产32MCU这款MCU的内核是ARM公司出品的Cortex-M0具有较强的运算处理能力和丰富的片上外设控制模块的运行可靠性要求很高为确保拉合闸操作准确控制单元对合闸进行完备的闭环检测并使用逻辑方式结合软件算法防止电磁干扰带来的误动2为控制模块拉合闸闭环检测电路控制模块

2.3 4G 模块

为确保在寒冷地区SIM卡可以正常通信4G模块增加SIM卡预热电路通过读取运行环境温度采取相应措施当环境温度低 -20 开启SIM卡预热电路当环境温度达到 -20 以上时关闭加热电路此举可有效保证采集终端在极寒条件下的4G通信稳定性34G模块SIM卡预热电路通过三极管Q7完成加热电路的开启和关闭实现方式简单成本低性能可靠

控制模块

2.4 交流采样电路

采集终端不是法定计量器具其交采采样数据不用于电费结算但在实际应用中其采样数据对台区线损治理计量参考等具有重要意义因此对终端的计量精度也提出较高要求本设计方案中采用珠海炬泉出品的三相计量芯片ATT7022E该芯片是三相多功能防窃电电能专业计量芯片集成了七路二阶 sigma-delta ADC其中三路用于三相电压采样三路用于三相电流采样还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样 输出采样数据和有效值芯片本身特性配合合适的外围电路可以实现0.5级精度的电能计量满足实际应用需求在设计中为避免电压采样电阻网络发热引起计量误差电阻网络的电阻封装选择1206大焊盘利于散热阻值选型经过计算留有充足的余量并在 PCB LAYOUT时合理布局避免密度过大引起局部热量聚集造成电阻阻值漂移交流采样电阻网络如图4所示

控制模块

 

3 操作系统及固件设计
 3.1 操作系统移植
 操作系统性能指标
 1进程创建平均时长小于 1 ms
 2进程删除平均时长小于 1 ms
 3从上电到进入登录界面的平均时长小于 1 min
 4本地管道通信平均延时应小于 80 ms
 5信号量平均延时应小于 300 μs
 6内存连续读写平均时延应小于 300 ns
 7内存随机访问平均时延应小于 500 ns
 8安装容器平均时长应小于 30 s
 9卸载容器平均时长应小于 10 s
 10安装应用软件平均时长应小于 30 s
 3.2 HAL 层设计
 为降低开发复杂度与移植难度本设计采用层次化设计方法引入HAL硬件抽象层),将操作系统划分出一个可直接与硬件通信的层次隐藏不同硬件设备的具体实现细节为各类应用软件提供标准化硬件驱动接口然后为其上层提供抽象支持下层通过API的形式向上层提供服务上层在进行硬件操作时无需了解设备的具体细节层次化设计大大降低了系统理解和开发复杂度
 LED模块为例给出了HAL模块代码示例和HAL接口调用示例
 HAL模块部分代码

控制模块

控制模块

 

4 应用设计

应用基于嵌入式操作系统采集终端的功能应用划分为基础APP高级业务APP边缘计算APP

1基础APP是高级业务APP的共用部分包括系统管理数据中心无线远程拨号管理本地抄表模块管理模组管理器等

2高级业务APP基于基础APP结合业务自身逻辑实现包括居民家庭用能管理大用户用能管理电动汽车有序充电分布式能源管理企业能效管理台区智能监测等

3边缘计算APP基于业务APP实现是对业务APP的扩展应用

 

5 实验验证

为全面验证该型采集终端的性能针对该设计开展了两个阶段的验证 实验室验证和现场试运行验证现场试运行验证在实验室验证满足要求后开展通过两个阶段实验的验证结果表明该型终端在功能和性能上完全满足标准要求部分性能超出标准要求

5.1 实验室验证

依据国家标准和国家电网企业标准共开展各类检测项目共计40余项试验项目涵盖电气性能电磁兼容环境影响机械性能和功能我们从中抽取功率消耗试验和数据传输试验的结果向大家展示表1所列为功率消耗实验结果可以看出该型采集终端的有功功率消耗相当于技术要求的1/4远远高于标准的技术要求这也符合我国低碳发展的要求

控制模块

该型采集终端数据传输信道的各项性能指标测试结果如图5所示发现采集终端的该项指标高于标准的技术要求尤其是终端带载能力中的纹波电压远远高于指标要求也从另一方面说明终端供电电源的质量较高为终端未来现场持续稳定运行提供了有力保障

控制模块

5.2 现场试运行

选取××城市的5个小区10个台区作为试点经过长达3个月的运行整机运行稳定产品在通信速度通信稳定性等方面表现出良好性能具有较好的推广价值

 

6 结 语

通过大量验证结果表明基于 SCM701 的采集终端采用软件 APP 硬件模组化的设计思路使得该产品具有极大的灵活性能够适应不同的应用场景用户可以根据自身需求灵活选择硬件模块和安装相应功能 APP提升产品的通用性该型采集终端在现场经过长期运行各方面展现出的性能指标相比之前的终端有较大提升具有较好的推广价值为用电信息采集设备的发展提供了一种思路但对一些具体的算法研究还需进一步优化

审核编辑 :李倩

 


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