基于双核嵌入式微处理器的智能配变终端研制

李玉凌，徐斌，孙军平，许保平

(1.中国电力科学研究院，北京市，100192;2.陕西省渭南市供电局，陕西省渭南市，714000)

0 引言

配电变压器监测终端(简称配变终端)是一种对变压器进行实时数据采集与控制的自动化终端设备，它可以通过通信网络与配网自动化系统相连，并上报监测的各种数据［1-2］。传统配变终端的主要功能包括三相电压及电流测量、数据记录、统计分析、通信、电容器投切控制以及保护等功能［3-5］。随着智能电网的建设及发展，配电台区已向信息化、自动化和互动化发展，传统的配变监控终端已不能满足用户的需求。因此，国家电网公司依据建设坚强智能电网总体部署，为适应农网智能化发展需要，满足客户对供电能力、供电质量和供电服务的新要求，提出了农网智能配变终端(简称智能配变终端)的概念。

智能配变终端是对配电变压器、进出线开关、剩余电流动作保护器、智能电能表等运行信息进行采集和用户用电信息收集的设备，完成配变计量总表监测、剩余电流动作保护器监测、状态监测、负荷管理、动态无功补偿、三相不平衡治理、谐波治理、安全防护、互动化管理、资产管理、视频监视、环境监测和分布式电源接入管理等功能［6］，适应了农网智能化的发展趋势，是实现智能配电台区的关键设备。

本文依据模块化设计理念，采用TI公司生产的双核嵌入式微处理器OMAP-L138为核心芯片，研制了基于分立板卡式结构的智能配变终端。

1 智能配变终端的功能简介

智能配变终端对传统的配变监测、控制、保护、通信以及电能质量管理等操作进行了深化和拓展，同时增加了适应配电台区智能化发展的功能。

(1)状态监测。实时监测配电变压器油温和瓦斯浓度，台区出线开关状态等，具备异常报警功能。

(2)电能质量管理。具备快速无功补偿及有源电力滤波功能，并可对台区负荷三相不平衡问题进行治理。

(3)安全防护。具备防盗、防窃电功能，同时通过硬件安全模块对数据进行加密。

(4)互动化管理。提供无线连接等接入方式，与运行维护人员和用户完成双向数据交互。通过电价策略引导用户采取合理的用电结构和方式，提高电力资源利用效率。

(5)分布式电源接入管理。对接入公用电网的用户侧分布式电源系统进行监测与控制。

(6)资产管理。利用射频识别(radio frequency identification，RFID)技术实现配电台区主要设备的“身份”管理。

(7)视频监视。通过图像传感器监视配电台区安全运行情况，随时发送警情图片。

(8)环境监测。通过温、湿度传感器实时对户外配电箱、配电站和箱变的温、湿度信息进行监测。

2 模块化的功能及结构设计

智能配变终端按功能分成的独立模块(板卡)，通过背板(总线插槽)进行连接，主要包括主板、电源板、数据采集板、通用输入/输出板、通信板和电能质量管理模块等，如图1所示。

图1 智能配变终端板卡结构Fig.1 Board structure of the terminal

图1中的各功能板卡均可方便地插拔和更换，且均通过总线接口与中央处理模块进行数据传输。模块化和总线技术使终端具备良好的扩展性，便于实现局部或整体的升级，从而保证终端功能的先进性，以适应智能电网各种新技术、应用和服务的发展。

3 智能配变终端的实现方案

智能配变终端采用双核微处理器OMAP-L138作为核心芯片。OMAP-L138是TI公司推出的高性能、低功耗处理器芯片，采用 TMS320C6748浮点DSP内核与ARM926EJ内核的双核结构，可实现高达456 MHz的内核频率，同时含有丰富的外设资源［7］，适用于数据采集与处理、工业控制、人机交互等场合。DSP与ARM可以通过片内的128 kB共享随机存取存储器(random access memory，RAM)方便地实现双方之间的数据交互，同时可以利用切换式中心资源(switched central resource，SCR)访问片内外设，避免共享冲突，如图2所示。

图2 ARM与DSP之间的数据交互及外设的访问Fig.2 Data exchange and peripheral accessing between ARM and DSP

其中，DSP核进行数据采集、信号处理及实时控制;ARM核则通过嵌入式Linux操作系统实现人机交互、数据存储、通信等功能。DSP与ARM分工明确，且双方之间可以灵活地共享片内外设、实现数据传输，提高了系统的工作效率，同时也避免了采用分立芯片所带来的印制电路板(printed circuit board，PCB)设计的复杂性与不可靠性。

智能配变终端的中央处理模块由微处理器OMAP-L138、DDR2 SDRAM、NAND Flash、时钟及复位电路构成。中央处理模块及其外围电路、接口实现了终端的各项功能。

3.1 数据采集模块

数据采集模块包括交流模拟信号(采集电路如图3所示。三相电压、电流信号)、4～20 mA直流电流信号的采集(遥测)。

图3 交流模拟信号采集电路Fig.3 Circuit of AC analog signal acquisition

图3中，交流模拟信号的采集利用互感器、信号调理电路及AD7656实现。AD7656是美国ADI公司推出的6通道、16-bit高精度逐次逼近型ADC，采样率可达250 kSPS。AD7656采用了ADI公司专利的工业CMOS工艺，能采集真正的双极性信号，具备高性能、低功耗、小封装等优点［8］，适合电力行业的数据采集。

遥测电路用于采集温、湿度变送器、瓦斯浓度变送器输出的4～20 mA电流信号，并将其转换为1～5 V电压信号，从而进行A/D转换。该部分电路实现了环境监测、变压器油温及瓦斯浓度监测的功能。

3.2 通用输入/输出模块

通用输入/输出模块包括遥信和遥控电路。其中遥控电路主要利用光耦和继电器实现信号隔离及远程控制;遥信电路利用光耦、稳压二极管等器件实现远程开关信号的检测。遥控接口实现台区进出线开关控制、配电柜内风机控制、发声/光设备控制等功能;遥信接口可以监测台区出线开关状态、柜门行程开关状态、红外探测器输出的报警信号等。红外探测器可对变压器等关键设施进行在线监测，当监测到异常信息时便发出报警信号，终端会及时将信息进行上报，通知相关工作人员，保护电力设施不被偷盗。

3.3 电能质量管理模块

电能质量管理主要包括基于晶闸管投切电容(thyristor switched capacitor，TSC)的无功补偿和有源电力滤波2个部分。

其中TSC控制部分的电路如图4所示。处理器通过采集的交流模拟信号进行功率因数分析，依据无功补偿算法利用总线接口控制复合开关投切电容器，从而实现对无功功率的补偿。

图4 基于TSC的无功功率补偿原理图Fig.4 Schematic of reactive power compensation based on TSC

有源电力滤波部分主要由光/电、电/光转换电路、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)驱动模块以及IGBT管构成，其工作原理如图5所示。

图5 有源电力滤波工作原理图Fig.5 Schematic of active power filter

处理器通过脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号和允许信号控制IGBT驱动模块2SD315A，从而驱动IGBT产生补偿电流，达到有源滤波的效果。CONCEPT公司推出的2SD315A是一种集成度很高的驱动模块，内部包含2路IGBT驱动电路，可以用于驱动1.7 kV的IGBT，它具有安全性、智能性与易用性的特点［9-10］。由于IGBT驱动模块与终端距离通常较远，因此控制信号必须通过光纤进线传输。

3.4 通信模块

通信信息平台是智能电网的支撑点［10］，为了满足日益发展的通信技术的需求，智能配变终端具备多样、可靠、标准的通信接口。

智能配变终端的通信模块分为远程通信模块和本地通信模块。其中远程通信模块用于终端与主站之间的数据传输，支持GPRS无线公网、230 M无线专网及光纤以太网等通信方式;本地通信模块支持低压电力线载波、微功率无线、RS485、以太网等通信方式。通信方式的多样化可以满足不同地区和环境的需求。

3.5 人机交互及互动化

人机交互部分包括带触摸屏的薄膜场效应晶体管(thin film transistor，TFT)彩色 LCD 屏、按键、指示灯，如图6所示。OMAP-L138利用芯片内部集成的LCD控制接口实现对液晶屏的图形操作，通过SPI接口和触摸屏控制器实现对触摸点位置信息的获取。在Linux环境下，利用图形界面开发套件QT实现了基于LCD屏美观而友好的人机界面，使得人机交互更简洁、方便。

图6 人机交互模块Fig.6 Human-machine interaction module

在互动化管理方面，智能配变终端提供无线Web Service服务，配电台区运行维护人员可以利用无线手持仪实时查询设备工作情况和现场运行数据，并可配置终端的相关运行参数。图7中，终端利用内置的WIFI模块及嵌入式数据库，提供加密的无线Web Service服务(加密用于增强信息安全，防止非法访问)，维护人员可使用无线手持设备以浏览网页的方式与终端进行数据交互，避免登杆等繁琐操作。

图7 智能配变终端与无线手持仪的交互Fig.7 Interaction between the terminal and wireless handhelds

终端可以通过外置式LED显示屏向用户实时发布综合电价管理、用电量、催费停送电、用电检查、故障抢修等信息，同时通过电价策略引导用户采取合理的用电结构和用电方式，全面提高配电台区信息化及互动化管理水平。当配电箱距离居民区较近时，LED屏可嵌在配电箱上，通过RS485总线与终端通信;如果配电箱位置偏僻，LED屏可安装在居民区公共场所，利用无线通信的方式与终端进行数据传输。

4 结论

(1)利用高性能双核嵌入式微处理器OMAPL138设计了智能配变终端的实现方案，满足了智能配电台区的功能需求。DSP与ARM独立运行，且具有良好的数据交互及外设访问机制，提高了系统的整体性能。

(2)终端的设计采用了模块化和总线技术，具备功能的扩展性，可方便地实现系统的升级，缩短开发周期。

(3)为了使终端具备良好开放性及柔性特征，后续工作中应考虑采用业界标准的总线接口进行设计;同时充分考虑现场应用时的电磁兼容性问题，提高系统的可靠性。

［1］陈少华，陶涛，陈章宝，等.智能配电变压器监测终端的设计［J］.电力系统保护与控制，2008，36(21):56-60.

［2］路小军，吴在军，郑建勇，等.基于GPRS通信技术的新型配变远程监控系统［J］.电力系统及其自动化学报，2005，17(3):82-86.

［3］李如雄，林梅金.基于GPRS网络的配变监控终端TTU的设计［J］.微计算机信息，2006，22(3):146-148.

［4］曹建平，倪瑛.配电变压器监测终端现状及发展［J］.电气应用，2005，24(1):18-21，25.

［5］丁丹一，蔡勇，李晶.基于UcLinux操作系统的配电变压器远程监测终端设计［J］.电测与仪表，2009，46(10):60-62.

［6］Q/GDW 615—2011农网智能配变终端功能规范和技术条件［S］.北京:中国电力出版社，2011.

［7］TI Corporation.OMAP-L138 Low-Power Applications Processor［Z］.

［8］陈国磊，舒双宝，季振山.电能质量监测高速数据采集系统的设计和实现［J］.电力系统保护与控制，2009，37(3):69-72.

［9］孙稚，孙梅生，王磊.大功率IGBT驱动模块2SD315A的特性及其应用［J］.电力电子技术，2002，36(6):73-75.

［10］蓝毓俊.智能电网及其关键技术［J］.上海节能，2010(3):9-11.