CN102231075A - 一种电力测控装置通用平台及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电力测控装置通用平台及控制方法，属电力监控设备领域。适用于电力、交通、能源等行业的电气量自动化监测和控制。包括硬件部分和控制软件，所述的硬件部分包括中央处理模块、数据采集模块、通信模块以及控制输出模块，中央处理模块分别与数据采集模块、通信模块、控制输出模块相连，所述的控制软件包括操作系统以及作用在该操作系统的各种应用软件。CPU上电时，自动运行引导程序(Boot Loader)，初始化硬件设备。与现有技术相比，能够根据实际需求配置、扩展软硬件功能，可以解决目前电力系统监控产品开发难度大、周期长、通用性差、扩展不灵活、设计成本高的问题，适用于各种电力系统智能设备。

Description

一种电力测控装置通用平台及控制方法

技术领域

一种电力测控装置通用平台及控制方法，属电力监控设备领域。适用于电力、交通、能源等行业的电气量自动化监测和控制。

背景技术

随着计算机技术、微电子技术以及网络通信技术的发展，许多新技术、新器件在电力系统中开始应用，特别是智慧电网的发展，对电力监控设备提出了更高的要求。在现有技术的实际应用中，由于电力监控设备种类繁多、要求各异，为了适用各种需求和出于成本考虑，各厂家往往针对不同需求单独设计产品，这种开发方式虽然可以降低单台装置的硬件成本，但增加了开发周期和后期维护费用，工程师需要对硬件底层深入了解才能开发应用，增加了开发的难度；而且这种方式很难适应开发过程中的需求更改以及产品的后期维护，势必会造成社会资源的浪费。还有些厂家采用工控机的方式实现类似的应用，但工控机在成本和可靠性以及结构设计方面存在先天不足，特别是在外围扩展、实时性能等方面很难满足电力系统要求。

中国专利申请号200810243659.4，发明名称：一种电力测控嵌入式系统通用支撑平台，公开的方法是利用Serial Rapid IO高速数据总线实现模块间的互联，但要求各个模块都是智能模块，都需要核心控制板通过通信协议实现模块互联，势必会带来通信速度慢(需校验)、抗干扰差、时钟不统一和成本偏高等一系列问题。

中国专利申请号200920234350.9，实用新型名称：基于FGPA的测控装置，公开的装置包括ARM处理器、以太网接口和人机接口以及FPGA现场可编程门阵列，FPGA与ARM相连；每条电力线路所需测量的模拟信号均与一片16位差分AD芯片相连，多片AD转换芯片通过一条地址线和数据线与FPGA连接。测控部分使用FPGA代替传统的DSP，负责启动AD采样、数据计算处理、开入采集、开出控制等任务，采集的数据单一，没有扩展埠，专用于变电站的测控，移植性不强。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种电力测控装置通用平台及控制方法，能够根据实际需求配置、扩展软硬件功能，且只需一个中央处理模块，支持各种电力测控系统，适用于开发故障录波器、微机保护装置、配电自动化监控装置和配电变压器监控装置等各种电力系统智能设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该一种电力测控装置通用平台，其特征在于：包括硬件部分和控制软件，所述的硬件部分包括中央处理模块、数据采集模块、通信模块以及控制输出模块，中央处理模块分别与数据采集模块、通信模块、控制输出模块相连，所述的控制软件包括操作系统以及作用在该操作系统的各种应用软件。

所述的中央处理模块采用具有数字信号处理DSP能力和丰富的外围接口的高速集成中央处理器CPU。

所述的数据采集模块选用具有闪存flash模式的现场可编程门阵列FPGA芯片、多路开关MUX、高速16位模数转换器ADC以及并入串出移位寄存器。

所述数据采集模块FPGA自行配置包括多路选择引脚ACMUXA、数据信号引脚SDATA、时钟信号引脚SCLK、启动模数转换引脚AD_START、数字锁存、数字时钟和数字数据引脚、采样触发引脚的多组引脚，多路选择引脚ACMUXA与多路开关MUX的选择输入端相连；启动模数转换引脚AD_START与高速16位模数转换器ADC相连；数字锁存、数字时钟和数字数据引脚分别与移位寄存器相连；数据信号引脚SDATA、时钟信号引脚SCLK及现场可编程门阵列FRAME引脚连接CPU的高速串行口SPORT0；高速串行引脚SPORT_YX连接CPU的高速串行口SPORT1；采样触发引脚与CPU的一个TIMER输出引脚相连；复位引脚与CPU的一个通用接口GPIO管脚相连；多路开关MUX的数据输出端与ADC的数据输入端相连；CPU与控制输出模块之间采用I²C总线相连；也可同时扩展输出通道的数量；与通信模块采用UART、CAN总线和以太网连接方式；硬件部分通过SPI、GPIO接口连接指示灯、人机界面，并保留其扩展接口。

所述的CPU选用32位的Blackfin微处理器。

所述的控制软件操作系统采用定制的硬件嵌入式uClinux操作系统，所述的应用程序包括分布式智能控制、继电保护、故障隔离与供电、SCADA测量及短路故障检测。

一种实现电力测控装置通用平台的控制方法，其特征在于：所述控制软件的启动流程如下：

CPU上电时，自动运行引导程序(Boot Loader)，初始化硬件设备；

加载RTOS内核，初始化系统以及开放、调度其它任务；

初始化进程；

进入用户主进程，读取配置文件，进行系统初始化、参数库更新和系统维护；

启动应用程序，实现各种应用。

与现有技术相比，本发明一种电力测控装置通用平台及控制方法所具有的有益效果是：

1、电力测控装置通用平台通用性高，模块可升级、可扩展，采样类型、信道数量可配置，控制输出灵活可靠，通信方式多样，满足各种通信规约应用需求。

2、各个模块间联机简洁，抗干扰性好。

3、采样数据利用2维DMA模式直接按顺序存放到数据存储器内，减少CPU占用率。

4、FPGA通过串行数据线读取并入串出移位寄存器锁存的状态量数据，减少了模块间联机数量并增加了可靠性。

5、嵌入式实时操作系统的应用可以降低程序的复杂度，缩短开发周期。引入了“PC机”程序设计理念，将数据与应用分离；对底层资源和数据进行归类、封装，应用程序通过API接口访问数据，实现了软件设计的层次化、模块化；能够动态加载、卸载应用程序，可对系统进行裁减，或者扩展新的应用功能，控制方法先进。

6、应用范围广，可用于开发故障录波器、保护装置、配网自动化监控装置、配电变压器监控装置以及数字化变电站智能设备、合并单元以及传统互感器模拟量数字化转换装置等。

附图说明

图1是本发明一种电力测控装置通用平台的硬件部分的电路原理框图；

图2是本发明一种电力测控装置通用平台的硬件部分的电路原理图；

图3是本发明一种电力测控装置通用平台的控制软件的原理框图；

图4是本发明一种电力测控装置通用平台的控制软件流程图。

图1～4是本发明一种电力测控装置通用平台及控制方法的最佳实施例。

具体实施方式

下面结合附图1～4对本发明的一种电力测控装置通用平台及控制方法做进一步说明：

参照附图1～4：

本一种电力测控装置通用平台的硬件部分采用高性能处理器，利用FPGA器件设计灵活的数据采集模块，综合考虑各种电力系统监控装置的特征，归纳出相同的模块和部件，对于存在差异的部分，采用扩展子板的设计形式，各模块功能独立，模块间接口定义简单明确，可以方便进行模块的升级。可移植嵌入式实时操作系统uClinux，提供底层硬件的驱动和常用的服务包。

图1所示为本发明一种电力测控装置通用平台的硬件部分的电路原理框图，本发明由中央处理模块、数据采集模块、通信模块及控制输出模块组成，其中中央处理模块分别与数据采集模块、通信模块以及控制输出模块相连。

中央处理模块主要完成采样控制、数据处理、逻辑判断等功能，数据采集模块按中央处理模块发来的采样控制信号完成模拟量、状态量的采集，通信模块根据特定的通信接口和规约进行数据的收发，控制输出模块主要进行功能扩展，如采用GPIO或I²C、SPI总线进行开关量输出控制电路扩展、人机接口的扩展、GPS脉冲信号接收等。

如图2所示，数据采集模块FPGA自行配置包括多路选择引脚ACMUXA、数据信号引脚SDATA、时钟信号引脚SCLK、启动模数转换引脚AD_START、数字锁存、数字时钟和数字数据引脚、采样触发引脚的多组引脚，多路选择引脚ACMUXA与多路开关MUX的选择输入端相连；启动模数转换引脚AD_START与高速16位模数转换器ADC相连；数字锁存、数字时钟和数字数据引脚分别与移位寄存器相连；数据信号引脚SDATA、时钟信号引脚SCLK及现场可编程门阵列FRAME引脚连接CPU的高速串行口SPORT0；高速串行引脚SPORT_YX连接CPU的高速串行口SPORT1；采样触发引脚与CPU的一个TIMER输出引脚相连；复位引脚与CPU的一个通用接口SPI、GPIO管脚相连；多路开关MUX的数据输出端与高速16位模数转换器ADC的数据输入端相连；CPU与控制输出模块之间采用I²C总线相连；也可同时扩展输出通道的数量；与通信模块采用UART、CAN总线和以太网连接方式；硬件部分通过SPI、GPIO接口连接指示灯、人机界面，并保留其扩展接口。

中央处理模块选用具有MCU+DSP集成模式的高速处理芯片Blackfin，同时具有逻辑控制能力和数字信号处理能力，优化对嵌入式操作系统的硬件支持，并且具有丰富的外围接口，如以太网、CAN、SPORT、PPI、具有PWM功能的TIMER、SPI、I²C、UART和通用输入输出口GPIO等。

选用高速串行口连接CPU和数据采集模块，完成数据接收和参数配置等功能，并可以接收GPS时钟的1PPS信号进行采样同步操作。

选用具有flash内存的FPGA芯片和多路开关、高速16位ADC以及并入串出移位寄存器构成模拟量及状态量的数据采集模块。

选用I²C总线扩展控制控制输出模块的输出，在进行输出前验证的同时还可扩展输出通道的数量。硬件部分还可通过SPI、GPIO等进行外围扩展。同时扩展通信埠、GPIO端口和I²C总线的控制输出模块，如指示灯、人机接口等。

通信模块具有多种通信接口，支持RS-232、RS-485、CAN以及以太网通信，支持多种通信协议。

本发明一种电力测控装置通用平台的控制软件依赖于如上所述的硬件部分，操作系统采用uCLinux，封装底层驱动和服务包以及处理器优化的算法库，用户只需专注于应用程序的开发。采用嵌入式实时操作系统底层封装技术，引入“PC机”程序设计理念，将数据与应用分离；对底层资源和数据进行归类、封装，应用程序通过API接口访问数据，且能够动态加载、卸载应用程序。

如图3所示，控制软件的结构如下：

操作系统，提供用户主进程、自定义用户标准接口API和底层封装如串行总线驱动、MMI驱动、串行接口驱动、以太网接口驱动、中断服务和数据采集等；

应用软件，具体到各种实际应用如分布式智能控制、继电保护、故障隔离与供电、SCADA测量、短路故障检测等。

图4所示，控制软件的启动流程如下：

CPU上电时，自动运行引导程序Boot Loader，初始化硬设备；

加载RTOS内核，初始化系统以及开放、调度其它任务；

初始化进程；

进入用户主进程，读取配置文件，进行系统初始化、参数库的更新和系统维护；

启动应用程序，实现各种应用。

工作原理与工作过程如下：

首先将本发明嵌入到所需测控的系统中，根据实际需要，选择好恰当的接口和通信协议，扩展其它的独有硬设备，如人机接口、各种指示灯、按钮等。

本平台上电后，CPU自动运行Boot Loader，初始化硬设备，然后加载RTOS内核，初始化系统以及开放、调度其它任务，初始化进程后进入用户主进程，读取配置文件。启动应用程序后，系统根据不同应用程序的不同应用需求自动通过API访问各种底层封装。CPU可控制发送具有PWM功能的TIMER信号给FPGA，随时调整其脉宽和周期，控制采样频率；TIMER可自动工作，不占用CPU资源。FPGA根据设定好的信道数和采样速率控制多路开关的切换和ADC采样时序，ADC的数据直接通过高速串行口SPORT0发送到处理器。FPGA同时锁存状态量，之后通过串行方式读入到内部寄存器。FPGA采集移位寄存器中的数字状态量到内部寄存器，再按照与处理器连接的高速串行口SPORT1的时序发送到处理器。两路高速串行口均采用DMA模式，收取一定数量的数据后中断通知处理器进行数据处理。

用户可配置不同的应用程序来完成通信以及其它IO操作，实现联机通信以及各种控制等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种电力测控装置通用平台，其特征在于：包括硬件部分和控制软件，所述的硬件部分包括中央处理模块、数据采集模块、通信模块以及控制输出模块，中央处理模块分别与数据采集模块、通信模块、控制输出模块相连，所述的控制软件包括操作系统以及作用在该操作系统的各种应用软件。

2.根据权利要求1所述的一种电力测控装置通用平台，其特征在于：所述的中央处理模块采用具有数字信号处理DSP能力和丰富的外围接口的高速集成中央处理器CPU。

3.根据权利要求1所述的一种电力测控装置通用平台，其特征在于：所述的数据采集模块采用具有闪存flash模式的现场可编程门阵列FPGA芯片、多路开关MUX、高速16位模数转换器ADC以及并入串出移位寄存器。

4.根据权利要求3所述的一种电力测控装置通用平台，其特征在于：所述数据采集模块FPGA自行配置包括多路选择引脚ACMUXA、数据信号引脚SDATA、时钟信号引脚SCLK、启动模数转换引脚AD_START、数字锁存、数字时钟和数字数据引脚、采样触发引脚的多组引脚，多路选择引脚ACMUXA与多路开关MUX的选择输入端相连；启动模数转换引脚AD_START与高速16位模数转换器ADC相连；数字锁存、数字时钟和数字数据引脚分别与移位寄存器相连；数据信号引脚SDATA、时钟信号引脚SCLK及现场可编程门阵列FRAME引脚连接CPU的高速串行口SPORT0；高速串行引脚SPORT_YX连接CPU的高速串行口SPORT1；采样触发引脚与CPU的一个TIMER输出引脚相连；复位引脚与CPU的一个通用接口GPIO管脚相连；多路开关MUX的数据输出端与ADC的数据输入端相连；CPU与控制输出模块之间采用I²C总线相连；通信模块具有UART、CAN总线和以太网连接方式；硬件部分通过SPI、GPIO接口连接指示灯、人机界面，并保留其扩展接口。

5.根据权利要求2所述的一种电力测控装置通用平台，其特征在于：所述的CPU选用32位的Blackfin微处理器。

6.根据权利要求1所述的一种电力测控装置通用平台，其特征在于：所述的控制软件操作系统采用定制的嵌入式操作系统uClinux，所述的应用软件包括分布式智能控制、继电保护、故障隔离与供电、SCADA测量及短路故障检测软件。

7.根据权利要求1或6所述的一种电力测控装置通用平台的控制方法，其特征在于：所述控制软件的启动流程如下：

CPU上电时，自动运行引导程序(Boot Loader)，初始化硬件设备；

加载RTOS内核，初始化系统以及开放、调度其它任务；

初始化进程；

进入用户主进程，读取配置文件，进行系统初始化、参数库更新和系统维护；

启动应用程序，实现各种应用。

Images