低压集中器系统的研究与设计

范 羽

（肇庆科技职业技术学院，广东肇庆526020）

2010年初，国家电网公司制定了《关于加快推进坚强智能电网建设的意见》，确定了建设坚强智能电网的基本原则和总体目标，目的就是建设一个强大、坚固、有力、互动、高效、灵便的智能电网（Smart Power Grids）。在这样的大背景下，再加上近年来国内电子行业发展迅速，各种有线通讯、无线通讯、工业控制技术都得到有效的利用和推广，为国家发展智能电网奠定了牢固的基础。在本文中介绍的的低压集中器系统，就是建设智能电网的一个重要组成部分。

低压集中器是指收集各采集终端或电能表的数据，并进行处理储存，同时能和主站或手持设备进行数据交换的设备，简称为集中器。以本文的设计为例，通俗地说，集中器就是利用低压电力线载波通讯、RS485通讯收集此系统管理下的各用户用电的数据信息，再通过相关的运算存储，定时地通过GPRS无线通讯向主站系统发送需要的相关数据信息，使相关的物业管理机构，能够实现对用户用电进行实时监控及远程自动抄表，使整个管理机构运作更加方便、高效。

1 系统组成框架

在智能电网中，集中器的主要功能，主要体现在远程自动抄表方面。集中器利用载波通讯和RS485通讯连接所要管理的电表，利用GPRS通讯，连接主站系统，构成整个自动抄表系统。抄表系统框架图如图1所示。

主站系统是中心控制环节，管理人员可以通过主站系统的人机界面，向集中器发送操作指令，管理人员想要获取的各种信息，也是通过主站系统接收集中器发送上来的数据信息。一个主站系统下面可以挂载多个集中器，实现一对多的区域分布式管理。

采集器的作用，相当于扩展口，由于RS485通讯线连接节点最多大概在200个左右，而集中器设计的时候，要求能够联接的电能表往往大于200台。先接一个采集器，再在采集器下面联接电能表，一个采集器能够联接的电能表大概在30台左右，利用这种联接方式，达到集中器管理电能表的数目增加的目的。采集器也能够把从电能表采集到的数据，做一些相应的处理，再上传到集中器中。

图1 抄表系统框架图

各种电能表作为系统的执行终端，负责采集单一用户的各种信息，包括当前电能表的电能数据、交直流模拟量、状态量、电能质量统计数据等，这些数据是整个系统的直接数据来源。

集中器是把主站系统和各种电能表联接起来的纽带，是整个系统不可或缺的中心环节。首先，集中器会负责采集电能表的各种数据信息，进行综合处理并存储；另一方面，需要接收来自主站系统的指令，并返回相应操作信息，或者是转发主站系统直接下达给电能表的指令。一台集中器最多可以管理1 024台电能表，需要采集处理的数据信息比较多，所以集中器的设计，无论是硬件平台还是软件平台，都要求能够保证数据信息的安全性和可靠性。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计框图如图2所示，主要构成由RAM7微控制器LPC2468为系统核心控制单元，以电源电路、上行通道GPRS电路和红外通讯电路、下行通道RS485电路和载波通讯电路、外部扩展数字存储电路、时钟电路、LED显示电路组成。

图2 系统硬件设计框图

2.1 电路的基本结构

集中器使用交流三相四线供电，在断一相或两相电压的条件下，交流电源也能维持集中器正常工作和通信。分别接在A、B、C三相的3个变压器，次级输出通过滤波整流之后，分成三路直流电源：

一路供给LPC2468及其外围电路、GPRS电路、红外通讯电路、外部扩展数字存储电路、时钟电路、LED显示电路；

第二路直流电源直接给载波模块电路供电，这一路直流电源可以与第一路直流电源共地，中间加一磁珠隔离；

第三路直流电源只给下行RS485电路发送差分信号部分电路供电，要求与第一、第二路电源隔离。

2.2 微控制器的选择

微控制器选择的是PHILIPS公司的LPC2468，LPC2468微控制器是NXP围绕32位的ARM7TDMI-S CPU内核设计的，ARM7TDMI-S处理器运行频率可高达72 MHz，内部有98 kB片内SRAM和512 kB片内Flash程序存储器，Flash程序存储器具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）的功能，Flash程序存储器在ARM局部总线上，可供高性能的CPU访问。

LPC2468微控制器同时具有多种通讯硬件端口，十分适用于多种用途的通信应用。在此设计中，用到的资源包括：UART串行接口、SPI控制器、I2C总线接口、AHB总线，还有其他的用于程序运行的内部时钟、定时器、ADC、看门狗等。

2.3 上行通道电路

上行通道电路，包括GPRS电路和红外通讯电路。

GPRS电路部分，采用了西门子公司的EM310模块，主要用到该模块的短信息和GPRS上网业务。该模块与LPC2468的数据通讯主要通过UART串行接口完成的，再配合LPC2468的I/O口连接到模块的开关机控制脚、复位脚和整个模块的电源开关控制电路，来控制整个GPRS电路的运行。由于该模块的供电电源是4 V，与LPC2468供电3.3 V有电平差异，两部分电路连接时，中间加了SN74LVC4245，用于电平转换。

红外通讯部分，红外接收管用的型号为KSN1838，红外发射管用的型号为KSN803，信号数据线分别连接到LPC2468的UART串行接口的接收端口和发送端口。其中发射管部分，还需要一个38 k的调制信号，由LPC2468的一个能输出PWM波形的I/O口产生。调制信号与串口的发送端口信号，作为74HC02或非门的两路输入信号，输出信号则连接到发射管控制电路。

2.4 下行载波通讯电路

下行载波通讯电路，采用的是由青岛鼎信通讯有限公司开发的载波通讯模块。该公司设计的载波模块，算是一个比较成熟的方案，已应用在某些地区的电网中。模块内置的自动中继协议，可以完成12级中继功能，使模块的通讯距离达到2 km，完全可以满足集中器抄表的要求。载波模块对外使用标准异步通讯协议，连接到LPC2468的UART串行端口。

RS485电路中，用于转换TTL电平和RS485通讯的差分信号的芯片是MAX485，从LPC2468的UART串行端口连接到MAX485的线，都通过光耦PS2501隔离，对应硬件的设计中光耦速率的限制，RS485电路通讯的波特率选用2400 bps。

2.5 其他电路部分

外部扩展数字存储电路中扩展的存储空间类型，包括Flash、SRAM、FRAM。Flash扩展选用的是 ATMEL公司的AT26DF321，数据通讯口采用串行SPI接口，容量为32 Mbit，在此集中器设计中，3片AT26DF321并在一起用，才能满足数据存储的空间。SRAM扩展选用的是ISSI公司的IS61LV2568L，容量256 k×8bit，接在LPC2468的AHB总线上。FRAM扩展选用的是RAMTRON公司的FM25CL64，容量为64 kbit，数据通讯口也是串行SPI接口。以上的Flash和FRAM并联在一起，接到LPC2468的硬件串行SPI端口。

外部时钟电路，选用的是RX8025。此款芯片，在电子设计中应用非常广泛，可靠性比较高。RX8025与LPC2468数据通讯采用串行I2C总线的方式。LPC2468同时会启动内部时钟电路，只会定时与外部时钟对时，以确保时钟的准确性。

LED显示电路，与LPC2468相应的I/O口连接，显示相应信道的通讯状态。

3 系统软件设计

微控制器LPC2468作为本系统的核心控制单元，需要处理任务是比较多的，包括所有信道的通讯控制、数据的接收和发送、数据的处理和存储、系统的故障检测和反馈等，往往很多任务的操作，是需要并行处理的，甚至有些任务要求实时性比较强。在这样的前提下，提出该系统的软件在Linux嵌入式操作系统的平台上构建，是必要的，也是提高系统可靠性的保证。系统的软件设计框架如图3所示。

图3 系统软件设计框架图

在Linux操作系统的平台上，把软件所要完成的任务，按功能和逻辑，分成图3所示的8个任务：

（1）显示任务。完成的就是控制LED显示电路按系统的运行状态正确、实时地把所需要显示的状态量显示出来。

（2）定时处理任务。完成集中器设计中所要求系统在某时间段要完成的操作任务，例如定时给主站系统上传冻结电量、定时抄读所管理电能表的某些电能参数等。

（3）抄表任务。通过下行通道载波方式或者RS485方式，向所管理的电能表依次发送抄表指令，并依次接收电能表返回的参数。

（4）数据处理任务。对集中器采集的某些数据按设计要求做相应的处理，例如对每日或每月的电量进行冻结、重点用户用电数据进行曲线处理等。

（5）协议解析任务。集中器系统与主站或者电能表通讯，都是使用相对应的电力行业标准通讯协议，与主站通讯用的是的DL/T 698.41-200X协议，与电能表通讯用的是 DL/T 645-2007协议。因此，主站与两者通讯时，所用到的数据时，都要调用此任务，实现数据指令与相应数据帧之间的格式转换。

（6）存储器管理任务。这里描述的存储器包括Flash、SRAM、FRAM。Flash所存储的有数据量比较大且不常调用的数据，例如日冻结电量、月冻结电量等，存储时候需要给所有的存储信息分配好存储空间，以便日后调用或更新。SRAM作为系统运行时候的内存缓冲，由于SRAM掉电会丢失数据，系统要求记录下来且不可丢失的数据不可存放于SRAM中。FRAM是用于存放系统运行时经常要调用但不可丢失的数据信息的。

（7）GPRS通讯管理任务。检测GPRS模块的网络状态，控制GPRS模块开关机、复位，并处理通过GPRS通讯发送、接收的数据。

（8）红外通讯管理任务。管理人员有时会用手抄器PDA把集中器的数据通过红外通讯的方式抄入PDA中，再带回主站系统录入。此任务就是完成集中器把数据上传到PDA的操作。

4 结束语

智能电网的目标，是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全。电网能实现这些目标，就可以称其为智能电网。智能电网必须更加可靠，智能电网不管用记在何时何地，都能提供可靠的电力供应。

本文介绍了基于LPC2468的低压集中器系统的设计，是按照国家电网公司最新发布的《电力用户用电信息采集系统集中器型式规范》的要求设计的，通讯协议也是按照国家电网公司发布的最新规约。集中器的样机初步测试已通过，现正在挂网进行长期运行测试。

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