CN105006892B - 一种基于嵌入式arm和多通信协议的配电网智能馈线终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端，包括：交流输入模块，与输电线路耦合连接，用于采集交流模拟量；测控模块，与交流输入模块连接，用于获取交流模拟量并转换为数字量，根据所述数字量计算并保存遥测信息；开关输入输出模块，用于获取遥信变位信息，并接收测控模块的遥控信息输出；通信模块，配置有多种通信协议，用于实现信息交换；人机交互模块，用于显示参数设置信息；电源管理模块，提供电源；其中，所述测控模块、通信模块、人机交互模块各由一片ARM处理器作为控制核心。与现有技术相比，本发明具有增加了配电网自动化馈线终端的安全性和可靠性等优点。

Description

一种基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端

技术领域

本发明涉及配电网技术领域，尤其是涉及一种基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端。

背景技术

配电网自动化馈线终端装置是整个配电自动化系统的重要控制单元，它具有配电网运行参数的采集、故障信息和遥信变位信息的保存、切断配电网故障区域供电、保障非故障区域的供电、连接控制中心系统等功能。实现了对配电网运行的监控，而且针对配电网的运行情况和故障情况，可以远程遥控或本地操作来实现保护功能。

上世纪配电网自动化馈线终端装置主要依靠51系列单片机。近年来也出现使用ARM+DSP多CPU结构的配电自动化馈线终端装置，但该种系统硬件设计复杂，存在两个CPU不兼容的问题。虽然配电自动化馈线终端装置在不断发展，但是在通信方面的发展却并不能满足现代电力系统的要求。电力系统是一个庞大的、瞬变的多输入多输出系统，为了保证其安全运行，不仅需要实时地检测各个节点的运行状况，及时地发现电力系统的不正常状态及故障状态，在本地进行快速地控制和处理，或者通知运行人员，接受监控主站的遥控指令来处理实时的故障情况。这要求安装在配电网节点的馈线自动化终端装置不仅能快速测得电网的运行参数，还需要能够在最短的时间内和监控主站进行稳定、安全的数据交换。然而现有的配电网自动化馈线终端装置不能满足上述需求，还存在通信模块电路设计和软件设计的可靠性和稳定性差的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种数据兼容性高、数据采集精确的基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端，包括：

交流输入模块，与输电线路耦合连接，用于采集交流模拟量；

测控模块，与交流输入模块连接，用于获取交流模拟量并转换为数字量，根据所述数字量计算并保存遥测信息；

开关输入输出模块，与测控模块连接，用于获取遥信变位信息，并接收测控模块的遥控信息输出；

通信模块，与测控模块连接，配置有多种通信协议，用于实现信息交换；

人机交互模块，与通信模块连接，用于显示参数设置信息；

电源管理模块，分别连接测控模块、开关输入输出模块、通信模块和人机交互模块，提供电源；

其中，所述测控模块、通信模块、人机交互模块各由一片ARM处理器作为控制核心，构成多ARM处理器架构。

所述测控模块包括依次连接的运放电路、AD芯片、第一ARM处理器和存储单元，所述运放电路与交流输入模块连接，所述第一ARM处理器通过CAN总线与通信模块连接，所述存储单元包括SRAM芯片和Flash芯片。

所述通信模块包括第二ARM处理器，该第二ARM处理器连接有电平转换芯片和PHY芯片。

所述通信模块在嵌入式操作系统μC/OS-II和通信协议组所组成的软件环境下开发，所述通信协议组包括Modbus RTU、Modbus/TCP、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104和无线通信协议。

该配电网智能馈线终端匹配多种的通信网络，在与各种外部智能设备相连接时，不经由任何通信协议转换设备。

所述人机交互模块包括第三ARM处理器、用于修改参数信息的键盘和用于显示的显示屏，所述第三ARM处理器分别连接通信模块、键盘和显示屏。

还包括无线模块，该无线模块分别连接测控模块、通信模块和电源管理模块。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明测控模块、通信模块和人机交互模块各采用一片ARM芯片作为主控芯片，为多ARM架构，三片ARM芯片各司其职，协同工作，且具有很好的数据兼容性，保证了信息采集的精确性，事故处理操作的准确性和通信的兼容性、稳 定性；

2、采用基于嵌入式多ARM处理器结构的硬件设计方式，所有CPU相互兼容，内部数据传输稳定，不需要配置特殊接口电路；

3、通信模块的ARM芯片为互联型，其以太网口设计简单，稳定性好，在嵌入式操作系统μCOS-II和多种通信协议组所组成的软件平台下设计功能任务，以实现兼容不同通信网络介质，并能转发通信网络上智能设备的报文信息。

4、解决了目前配电自动化馈线终端装置硬件设计复杂、基于ARM+DSP的硬件设计方式中两个CPU不兼容、通信模块电路设计和软件设计的可靠性和稳定性较差等问题，馈线自动化装置的信息采集的准确性、事故判断和处理的准确性以及馈线自动化装置运行的稳定性等都得到了显著提高(属于对以上三个改进的总结)。

5、本发明使用模块化设计理念，可明显提高配电网自动化馈线终端信息采集和处理的精确性和实时性，增加了配电网自动化馈线终端的安全性和可靠性，维护和升级更加方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明配电网分布式系统的通信链路拓扑结构图；

图3为本发明通信模块IEC60870-5-101协议处理流程；

图4为本发明通信模块IEC60870-5-104协议处理流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端，包括交流输入模块1、测控模块2、开关输入输出模块3、通信模块4、人机交互模块5和电源管理模块6。其中，测控模块2、通信模块4、人机交互模块5各由一片ARM处理器作为控制核心。

交流输入模块1包括RC滤波电路13以及分别与RC滤波电路连接的5路电压互感器11和4路电流互感器12，通过一定的方式与输电线路“耦合”，可以采 集5路交流电压、3路交流电流和1路零序电流。

测控模块2包括依次连接的运放电路23、AD芯片22、第一ARM处理器21和存储单元，运放电路23与交流输入模块1连接，第一ARM处理器21通过CAN总线26与通信模块4连接，存储单元包括SRAM芯片24和Flash芯片25，第一ARM处理器21上还连接有JTAG接口27和RTC时钟28。测控模块从交流输入模块获得交流模拟量，由16位高速高精度AD芯片AD6706转换为数字量，并将数据通过SPI口送到第一ARM处理器，第一ARM处理器利用内部FFT算法将数据进行处理获得遥测量，并按照一定时间(1-5ms)扫描开关量输入输出模块，获得遥信量的变位信息。测控模块将遥测和遥信信息通过CAN总线接口传送给通信模块，同时通信模块通过CAN总线向测控模块发送远方遥控命令。测控模块在接收到遥控命令后，通过开关量输入输出模块，控制相应的功率继电器动作，开、合现场设备。

开关输入输出模块3与测控模块2连接，包括光电耦合器31以及分别与光电耦合器31连接的8路开关量输入单元32、8路开关量输出单元33和4路继电器输出单元34，光电耦合器31通过总线收发器与测控模块2连接。开关输入输出模块3可配置16路开关量变位遥信，4路无源空节点遥控输出，开关量变位遥信输入和遥控量均经过24V光电耦合器隔离变换。测控模块按照一定的时间间隔(1-5ms)扫描遥信变位信息，或根据遥控信息，测控模块通过开关量输入输出模块输出遥控信息。

通信模块4与测控模块2连接，配置有多种通信协议，用于实现信息交换。通信模块4包括第二ARM处理器41，该第二ARM处理器41通过电平转换芯片MAX3232和MAX3485配置4个RS232串行通信网络接口42和2个RS485串行通信网络接口43，第二ARM处理器41的以太网模块的MAC控制器外设外接PHY芯片DM9161A，配置2个10/100M以太网通信网络接口44，可以兼容目前各种配电网终端设备和监控主站的物理接口，，在ARM芯片上构建基于嵌入式操作系统μCOS-II和通信协议组的软件平台，在该软件平台下设计功能任务，实现包括ModbusRTU、Modbus/TCP、IEC60870-5-101和IEC60870-5-104在内的多种通信协议，兼容不同通信网络介质，并能转发通信网络上智能设备的报文信息。

人机交互模块5与通信模块4连接，用于通过通信模块接收测控模块的遥测信息并显示，同时接收参数设置信息。人机交互模块5包括第三ARM处理器51、用 于参数设置的键盘52和用于显示的显示屏53，第三ARM处理器51分别连接通信模块4、键盘52和显示屏53。人机交互模块5的ARM处理器使用USART接口，利用电平转换芯片AMAX3232来配置RS232串口，然后与通信模块相连接，人机交互模块可设置相关参数，设置好的参数通过RS232接口送到通信模块，通信模块的ARM芯片将参数信息通过CAN总线发送给测控模块，测控模块的ARM芯片接收到参数信息后，修改相关参数信息。

电源管理模块6分别连接测控模块2、开关输入输出模块3、通信模块4和人机交互模块5，提供电源。

本发明另一实施例中还包括无线模块7，该无线模块7包括蓝牙71和GPRS72，分别连接测控模块2、通信模块4和电源管理模块6，实现无线通信。

图2所示为本发明装置所在分布式系统的通信链路拓扑结构图，本装置作为系统中的分布式远程终端FTU，通过串行链路或网络与区域子站完成通信，并进一步与监控主站实现信息交换，通信协议有Modbus系列通信协议和IEC60870-5系列协议等。

所述Modbus系列通信协议包括串行链路协议Modbus/RTU和网络协议Modbus/TCP；所述IEC60870-5系列通信协议包括串行链路协议IEC60870-5-101和网络协议IEC60870-5-104，在本发明中，馈线自动化智能终端装置内部集成了多种通信协议规约，形成了通信协议组，链接在通信网络中的馈线自动化终端装置可以通过人机交互界面设置通信协议，匹配相应的网络。馈线自动化终端装置也可以不经有任何协议转换设备，链接到网络或者其他智能设备上，完成数据交换、报文转发等功能。

图3所示为本发明装置一种通信机制主流程图。IEC60870-5-101协议通信程序的思路：首先系统进行初始化，再通过接收中断函数来完成IEC60870-5-101协议帧数据的接收，并将其存入接收缓冲区中；然后通过IEC60870-5-101协议帧处理函数比较接收写指针和读指针的大小，区分出每一帧；按照每一帧的启动字符来分辨是可变帧还是固定帧，再按照相应的帧格式进行校验，在所需要的校验正确完成后，固定帧通过控制域来判断请求的报文类型，可变帧通过链路用户数据中的类型标识来判断请求的报文类型，通过相应的数据处理函数来发送写指针，写指针按照帧的两种帧格式进行打包，打包结束后发送中断；发送中断函数通过发送读指针将打包完成的数据发送出去，直到全部发送完毕。至此，完整的收发数据处理过程结 束。

图4所示为本发明装置另一种通信机制主流程图。IEC60870-5-104协议通信程序的流程：FTU终端一直处于监听状态，等待连接请求。当客户端发出连接请求后，建立TCP连接。然后判断是否有遥信变位信息，确认有遥信信息时，主动上送遥信变位信息和SOE报文，然后结束；无遥信变位信息，则判断数据正确性，若数据错误，则直接结束；否则通过控制域字符判断接收报文的格式。当FTU收到U格式的报文STARTDT后，回应确认报文，然后开始传输数据，数据传输时则主要使用I格式，对于来自客户端的各种命令报文，包括：总召唤，时钟同步，遥测，遥信，遥控等功能，进行输入有效性检查，并回应客户端；然后结束。

综上所述，本发明可以实现10kV配电线路的遥测、遥信和遥控功能。例如：实时采集线路的电流、电压、功率、谐波等数据，采集的数据可以秒为时间单位及时上传，为配电自动化提供数据支持；准确检测线路发生的故障情况，包括相间短路、过电流、单相接地、过压、欠压、缺相、断电等故障或者异常状态，并实现故障精确定位，具备远方遥控和本地操作模式，在精确确定故障时，可就地通过控制柱上开关，把故障区段隔离出来，恢复其他无故障区段的供电；架空线路所带负载变动大，线路改造频繁，线路的输送功率和供电方向经常变动，因此判断故障的数值需要随之改动，这些改动都可以通过本发明由后台管理中心远程改变，使用灵活。总之，本发明不但可以提高配电自动化水平，而且可以增加配电的安全性、稳定性和可靠性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照最佳实施例对本发明做了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者同等的替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端，其特征在于，包括：

交流输入模块，与输电线路耦合连接，用于采集交流模拟量；

测控模块，与交流输入模块连接，用于获取交流模拟量并转换为数字量，根据所述数字量计算并保存遥测信息；

开关输入输出模块，与测控模块连接，用于获取遥信变位信息，并接收测控模块的遥控信息输出；

通信模块，与测控模块连接，配置有多种通信协议，用于实现信息交换；

人机交互模块，与通信模块连接，用于显示参数设置信息；

电源管理模块，分别连接测控模块、开关输入输出模块、通信模块和人机交互模块，提供电源；

其中，所述测控模块包括第一ARM处理器，所述通信模块包括第二ARM处理器，所述人机交互模块包括第三ARM处理器，构成多ARM处理器架构；

该配电网智能馈线终端匹配多种通信网络，在与各种外部智能设备相连接时，不经由任何通信协议转换设备；

所述通信模块在嵌入式操作系统μC/OS-II和通信协议组所组成的软件环境下开发，所述通信协议组包括Modbus RTU、Modbus/TCP、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104和无线通信协议。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端，其特征在于，所述测控模块包括依次连接的运放电路、AD芯片、第一ARM处理器和存储单元，所述运放电路与交流输入模块连接，所述第一ARM处理器通过CAN总线与通信模块连接，所述存储单元包括SRAM芯片和Flash芯片。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式ARM和多通信协议的配电网智能馈线终端，其特征在于，还包括无线模块，该无线模块分别连接测控模块、通信模块和电源管理模块。