CN112087052A - 一种智能配电终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能配电终端，包括：数据采集模块，用于进行实时数据采样；保护功能模块，用于对采样的实时数据进行暂态、稳态算法分析和逻辑判断，实现配电线路故障的快速识别与精确隔离；通信与信息安全功能模块，用于配电终端的运行状态的监视、控制及参数配置；历史数据存储模块，用于对历史数据进行存储；故障录波模块，用于对配电线路故障进行录波；系统参数模块，用于设置系统参数；BOOT远程升级模块，用于完成主程序的远程升级功能；液晶显示模块，用于进行数据显示；外接转发设备模块，用于实现外接扩展任务；每个模块均提供对外接口函数供应用任务调用。本发明基于国网芯进行软硬件架构设计，能够满足多种应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及配电设备技术领域，特别涉及一种基于“国网芯”的智能配电终端。
背景技术
目前，国家电网公司对配电自动化设备的功能、性能要求逐年提高，国内传统的配电终端均采用进口的MCU芯片，无自主知识产权且扩展功能受限。“国网芯”是国家电网公司泛在电力物联网建设应用创新之一，基于“国网芯”(芯片型号：SCMXXX)智能配电终端的研制不仅能提升产品功能、性能，在信息安全、泛在电力物联网接入等方面都有明显优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能配电终端，基于“国网芯”进行软硬件架构设计，应用功能丰富，能够满足多种配电自动化终端的多种应用需求。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种智能配电终端，包括基于国网芯和嵌入式实时操作系统的数据采集模块、保护功能模块、通信与信息安全功能模块、历史数据存储模块、故障录波模块、系统参数模块、BOOT远程升级模块、液晶显示模块、外接转发设备模块；
所述数据采集模块用于进行实时数据采样；
所述保护功能模块用于对采样的实时数据进行暂态、稳态算法分析和逻辑判断，实现配电线路故障的快速识别与精确隔离；
所述通信与信息安全功能模块用于配电终端的运行状态的监视、控制及参数配置；
所述历史数据存储模块用于对历史数据进行存储；
所述故障录波模块用于对配电线路故障进行录波；
所述系统参数模块用于设置系统参数；
所述BOOT远程升级模块用于完成主程序的远程升级功能，并且独立于主程序运行；
所述液晶显示模块用于进行数据显示及实现人机交互；
所述外接转发设备模块用于实现外接扩展任务；
每个模块均包括对外接口，并提供对外接口函数供应用任务调用。
优选地，所述智能配电终端的硬件结构包括：国网芯；通过FSMC外设总线与所述国网芯连接的SRAM芯片、两片AD7616芯片、并行IO扩展芯片、背板总线；通过SPI总线与所述国网芯连接的大容量NorFlash芯片、国网加密芯片SC1161Y、W5500以太网；通过IIC总线与所述国网芯连接的时钟芯片、铁电存储器、对外扩展端口；通过CAN总线与所述国网芯连接的多路RS232/RS485串口、JTAG调试接口、多路AI直流通道。
优选地，所述应用任务包括采样与保护任务、IEC101/IEC104主通信任务、Flash读写任务、外接扩展任务、IO操作任务、线损任务；所述应用任务采用抢占式多任务调度机制，其中，采样与保护任务享有最高优先级。
优选地，所述应用任务的运行环境包括中断机制，所述中断机制具有最高优先级，能够抢占任何应用任务运行且不可打断；
所述中断机制包括采样中断、定时中断、以太网通信中断、串口通信中断。
优选地，所述数据采集模块包括设置在交流采样板上的两片AD7616芯片，背板总线采用数字信号，ADC采样使用全波傅式算法计算有效值，每周波256个采样点，单线路馈线终端和多线路站所终端能够兼容使用。
优选地，所述保护功能模块的输入接口包括采样的实时数据、输入事件、保护参数，所述保护功能模块的输出接口包括输出事件；
其中，采样的实时数据用于故障线路暂态、稳态算法分析和逻辑判断；
输入事件包括遥信事件和时间事件，用于作为复杂馈线自动化功能的判别条件；遥信事件包括开关分合闸、相间过流、零序过流、线路失压、线路重合闸；时间事件为定期触发或延迟触发条件，为模块内部逻辑运行的时间基准；
保护参数根据配电线路实际情况及所要投退的功能进行设置，具有自动校核、数据备份功能；
输出事件为对外输出信号，包括继电器动作、故障时间上报、信号复归。
优选地，所述通信与信息安全功能模块包括业务层、应用层、规约层、信息安全层和物理层；
所述物理层为原始数据收发通道，数据收发采用DMA方式，包含多个通信端口，每个通信端口均包括接收缓存区以及参数变量配置区，接收到数据后向应用任务发布一条消息；
所述信息安全层用于信息安全业务的处理以及原始报文的加解密，如果数据仅包含信息安全业务数据，那么在所述信息安全层直接进行数据回复，而不再向上层传递数据，如果参数显示数据为明文，则直接跳过所述信息安全层；
所述规约层用于数据格式校验以及IEC101/IEC104规约帧头、帧尾的拆解和组装、以及断线重连、报文重发工作；
所述应用层用于IEC101/IEC104规约中的ASDU层数据的处理，两种规约共用一套ASDU层协议，所述应用层根据ASDU类型标识将数据流疏散到不同的业务层去处理，并给各个业务层的数据封装ASDU类型标识信息；
所述业务层用于安装IEC101/IEC104规约报文通信流程执行业务逻辑，实现配电终端的运行状态的监视、控制及参数配置。
优选地，所述历史数据存储模块包括两个存储空间，分别为外部FLASH芯片和铁电FRAM内存，所述铁电FRAM内存主要用于系统参数以及变比系数的存储，系统参数按照需求分为多个定值区，定义到铁电FRAM内存以便于内存指针直接访问，所述外部FLASH芯片用于历史数据的存储。
优选地，所有历史数据优先缓存到铁电FRAM内存中，在以下三种情况下会立即将缓存的数据搬移到外部FLASH芯片中：
缓存达到阈值；
发生掉电事件；
发生文件读取的事件。
优选地，所述BOOT远程升级模块包括重新定义的中断向量表，当无固件升级标志时直接跳转到主程序运行；
固件升级包括出厂固件升级和远程固件升级两种情况：
所述出厂固件升级首先通过串口或JLINK驱动烧录写入所述BOOT远程升级模块，所述BOOT远程升级模块通过IEC101/IEC104规约接收主程序可执行文件、写SRAM和片内Flash，接收完成后跳转到主程序正常运行；
所述远程固件升级时，主程序正常运行，由主程序接收新的固件程序、写SRAM和片内Flash，接收完成后设备重启，重新加载所述BOOT远程升级模块并跳转到更新后的主程序。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
1)基于“国网芯”进行软硬件架构设计，具有自主知识产权且预留多种可扩展外设接口，易于接入国网硬件加密芯片，便于支持未来信息安全扩展功能；
2)PCB布线简单，抗干扰能力强；
3)采用中断加抢占式应用任务的调度机制，具有高实时性、高可靠性的特点；
4)按最小功能单元进行模块化设计，模块间无耦合关系，易于软件功能扩展升级；
5)满足精确到毫秒级的故障定位、实时数据响应需求；
6)应用功能丰富，可满足多种配电自动化终端的多种应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种智能配电终端的结构框架示意图；
图2是本发明实施例提供的一种智能配电终端的硬件架构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种交流采样板背板数字总线的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例提供了一种智能配电终端，如图1所示，所述智能配电终端包括基于国网芯和嵌入式实时操作系统的数据采集模块、保护功能模块、通信与信息安全功能模块、历史数据存储模块、故障录波模块、系统参数模块、BOOT远程升级模块、液晶显示模块、外接转发设备模块；
其中，数据采集模块用于进行实时数据采样；
保护功能模块用于对采样的实时数据进行暂态、稳态算法分析和逻辑判断，实现配电线路故障的快速识别与精确隔离；
通信与信息安全功能模块用于配电终端的运行状态的监视、控制及参数配置；
历史数据存储模块用于对历史数据进行存储；
故障录波模块用于对配电线路故障进行录波；
系统参数模块用于设置系统参数；
BOOT远程升级模块用于完成主程序的远程升级功能，并且独立于主程序运行；
液晶显示模块用于进行数据显示及实现人机交互；
外接转发设备模块用于实现外接扩展任务；
每个模块均包括对外接口，并提供对外接口函数供应用任务调用。
本发明实施例提供的智能配电终端基于“国网芯”进行软硬件架构设计，具有自主知识产权且预留多种可扩展外设接口，易于接入国网硬件加密芯片，便于支持未来信息安全扩展功能。所述智能配电终端按最小功能单元进行模块化设计，模块间无耦合关系，易于软件功能扩展升级。在实际应用中，所述智能配电终端能够实现精确到毫秒级的故障定位、实时数据响应需求，应用功能丰富，可满足多种应用需求。
图2是本发明实施例提供的一种智能配电终端的硬件架构示意图。如图2所示，所述智能配电终端的硬件结构基于“国网芯”(芯片型号：SCMXXX)设计研发，包括：国网芯；通过FSMC外设总线与国网芯连接的SRAM芯片、两片AD7616芯片、并行IO扩展芯片、背板总线；通过SPI总线与国网芯连接的大容量NorFlash芯片、国网加密芯片SC1161Y、W5500以太网；通过IIC总线与国网芯连接的时钟芯片、铁电存储器、对外扩展端口；通过CAN总线与国网芯连接的多路RS232/RS485串口、JTAG调试接口、多路AI直流通道。
需要说明的是，上述硬件架构只是本发明的一种优选实施方式，不构成对本发明的限制。本发明提供的智能配电终端还可以采用基于国网芯的其他硬件架构实现，只要能够满足相应的功能模块即可，此处不再赘述。
在本发明的实施例中，所述应用任务主要包括采样与保护任务、IEC101/IEC104主通信任务、Flash读写任务、外接扩展任务、IO操作任务、线损任务等。各个应用任务采用抢占式多任务调度机制，为保证故障判别的准确性与实时性，采样与保护任务享有最高优先级。
应用任务的运行环境包括中断机制，中断机制是系统实时性的保证，具有最高优先级，能够抢占任何应用任务运行且不可打断。在本发明的实施例中，中断机制包括采样中断、定时中断、以太网通信中断、串口通信中断等。本发明采用中断加抢占式应用任务的调度机制，具有高实时性、高可靠性的特点。
具体地，所有应用任务程序设计时不使用任何延时操作，保证每个应用任务在最短的时间内执行完成并进入挂起状态。应用任务之间采用消息机制进行交互，CPU空闲时所有应用任务均处于挂起状态，当中断或应用任务执行过程中时需要启动其他某个应用任务时，采用消息机制唤醒该应用任务执行一次，应用任务执行顺序按优先级高低抢占运行，同优先级的应用任务按时间片轮转执行。
进一步地，如图3所示，数据采集模块包括设置在交流采样板上的两片AD7616芯片，背板总线采用数字信号，ADC采样使用全波傅式算法计算有效值，每周波256个采样点，单线路馈线终端(FTU)和多线路站所终端(DTU)能够兼容使用。本发明实施例中的PCB具有布线简单，抗干扰能力强的优点。
进一步地，保护功能模块的输入接口包括采样的实时数据、输入事件、保护参数，保护功能模块的输出接口包括输出事件；
其中，采样的实时数据用于故障线路暂态、稳态算法分析和逻辑判断；
输入事件包括遥信事件和时间事件，用于作为复杂馈线自动化功能的判别条件；遥信事件包括开关分合闸、相间过流、零序过流、线路失压、线路重合闸；时间事件为定期触发或延迟触发条件，为模块内部逻辑运行的时间基准；
保护参数根据配电线路实际情况及所要投退的功能进行设置，具有自动校核、数据备份功能；此外，还能够提示用户设置的不合理的保护参数，以及实现铁电和片外Flash双备份；
输出事件为对外输出信号，包括继电器动作、故障时间上报、信号复归。
进一步地，通信与信息安全功能模块采用IEC101/IEC104协议，可同时与配电主站、工程运维软件连接，IEC101/IEC104规约共享一个通信任务，按照数据流的处理方式，该模块包括一个5层结构模型，分别为业务层、应用层、规约层、信息安全层和物理层。
其中，物理层为原始数据收发通道，数据收发采用DMA方式，包含多个通信端口，每个通信端口均包括接收缓存区以及参数变量配置区，接收到数据后向应用任务发布一条消息；
信息安全层用于信息安全业务的处理(例如：国网加密芯片SC1161Y信息安全业务的处理)以及原始报文的加解密，如果数据仅包含信息安全业务数据，那么在信息安全层直接进行数据回复，而不再向上层传递数据，如果参数显示数据为明文，则直接跳过信息安全层；
规约层用于数据格式校验以及IEC101/IEC104规约帧头、帧尾的拆解和组装、以及断线重连、报文重发等工作；
应用层用于IEC101/IEC104规约中的ASDU层数据的处理，两种规约共用一套ASDU层协议，应用层根据ASDU类型标识将数据流疏散到不同的业务层去处理，并给各个业务层的数据封装ASDU类型标识信息；
业务层用于安装IEC101/IEC104规约报文通信流程执行业务逻辑，实现配电终端的运行状态的监视、控制及参数配置。
进一步地，历史数据存储模块包括两个存储空间，分别为外部FLASH芯片和铁电FRAM内存，铁电FRAM内存主要用于系统参数以及变比系数的存储，系统参数按照需求分为多个定值区，定义到铁电FRAM内存以便于内存指针直接访问，外部FLASH芯片用于历史数据的存储。
通常，所有历史数据优先缓存到铁电FRAM内存中，在以下三种情况下会立即将缓存的数据搬移到外部FLASH芯片中：
缓存达到阈值；
发生掉电事件；
发生文件读取的事件。
历史数据存储功能为单独的一个任务，主要负责对外部FLASH芯片的操作，该任务通过接收其它任务的消息，选择将全部还是部分缓存中的数据存储到外部FLASH芯片中。片外使用NOR类型FLASH，为高效利用存储空间，不使用文件系统，并且除同步线损模块的文件以及录波文件外，其它所有历史数据在FLASH芯片中均以原始数据的形式保存。
作为本发明的一种实施方式，国网芯SCMXXX芯片内存为1MB，其中0-128K为BOOT存放空间，128K-1MB为主程序存放空间。本发明系统运行时首先执行BOOT远程升级模块，BOOT远程升级模块包括重新定义的中断向量表，当无固件升级标志时直接跳转到主程序运行。
固件升级包括出厂固件升级和远程固件升级两种情况：
出厂固件升级首先通过串口或JLINK驱动烧录写入BOOT远程升级模块，BOOT远程升级模块通过IEC101/IEC104规约接收主程序可执行文件、写SRAM和片内Flash，接收完成后跳转到主程序正常运行；
远程固件升级时，主程序正常运行，由主程序接收新的固件程序、写SRAM和片内Flash，接收完成后设备重启，重新加载BOOT远程升级模块并跳转到更新后的主程序。
综上所述，本发明实施例提供的智能配电终端具有以下优势：
1)基于“国网芯”进行软硬件架构设计，具有自主知识产权且预留多种可扩展外设接口，易于接入国网硬件加密芯片，便于支持未来信息安全扩展功能；
2)PCB布线简单，抗干扰能力强；
3)采用中断加抢占式应用任务的调度机制，具有高实时性、高可靠性的特点；
4)按最小功能单元进行模块化设计，模块间无耦合关系，易于软件功能扩展升级；
5)满足精确到毫秒级的故障定位、实时数据响应需求；
6)应用功能丰富，可满足多种配电自动化终端的多种应用需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能配电终端，其特征在于，包括基于国网芯和嵌入式实时操作系统的数据采集模块、保护功能模块、通信与信息安全功能模块、历史数据存储模块、故障录波模块、系统参数模块、BOOT远程升级模块、液晶显示模块、外接转发设备模块；
所述数据采集模块用于进行实时数据采样；
所述保护功能模块用于对采样的实时数据进行暂态、稳态算法分析和逻辑判断，实现配电线路故障的快速识别与精确隔离；
所述通信与信息安全功能模块用于配电终端的运行状态的监视、控制及参数配置；
所述历史数据存储模块用于对历史数据进行存储；
所述故障录波模块用于对配电线路故障进行录波；
所述系统参数模块用于设置系统参数；
所述BOOT远程升级模块用于完成主程序的远程升级功能，并且独立于主程序运行；
所述液晶显示模块用于进行数据显示及实现人机交互；
所述外接转发设备模块用于实现外接扩展任务；
每个模块均包括对外接口，并提供对外接口函数供应用任务调用。
2.根据权利要求1所述的智能配电终端，其特征在于，所述智能配电终端的硬件结构包括：国网芯；通过FSMC外设总线与所述国网芯连接的SRAM芯片、两片AD7616芯片、并行IO扩展芯片、背板总线；通过SPI总线与所述国网芯连接的大容量NorFlash芯片、国网加密芯片SC1161Y、W5500以太网；通过IIC总线与所述国网芯连接的时钟芯片、铁电存储器、对外扩展端口；通过CAN总线与所述国网芯连接的多路RS232/RS485串口、JTAG调试接口、多路AI直流通道。
3.根据权利要求1所述的智能配电终端，其特征在于，所述应用任务包括采样与保护任务、IEC101/IEC104主通信任务、Flash读写任务、外接扩展任务、IO操作任务、线损任务；所述应用任务采用抢占式多任务调度机制，其中，采样与保护任务享有最高优先级。
4.根据权利要求3所述的智能配电终端，其特征在于，所述应用任务的运行环境包括中断机制，所述中断机制具有最高优先级，能够抢占任何应用任务运行且不可打断；
所述中断机制包括采样中断、定时中断、以太网通信中断、串口通信中断。
5.根据权利要求1所述的智能配电终端，其特征在于，所述数据采集模块包括设置在交流采样板上的两片AD7616芯片，背板总线采用数字信号，ADC采样使用全波傅式算法计算有效值，每周波256个采样点，单线路馈线终端和多线路站所终端能够兼容使用。
6.根据权利要求1所述的智能配电终端，其特征在于，所述保护功能模块的输入接口包括采样的实时数据、输入事件、保护参数，所述保护功能模块的输出接口包括输出事件；
其中，采样的实时数据用于故障线路暂态、稳态算法分析和逻辑判断；
输入事件包括遥信事件和时间事件，用于作为复杂馈线自动化功能的判别条件；遥信事件包括开关分合闸、相间过流、零序过流、线路失压、线路重合闸；时间事件为定期触发或延迟触发条件，为模块内部逻辑运行的时间基准；
保护参数根据配电线路实际情况及所要投退的功能进行设置，具有自动校核、数据备份功能；
输出事件为对外输出信号，包括继电器动作、故障时间上报、信号复归。
7.根据权利要求1所述的智能配电终端，其特征在于，所述通信与信息安全功能模块包括业务层、应用层、规约层、信息安全层和物理层；
所述物理层为原始数据收发通道，数据收发采用DMA方式，包含多个通信端口，每个通信端口均包括接收缓存区以及参数变量配置区，接收到数据后向应用任务发布一条消息；
所述信息安全层用于信息安全业务的处理以及原始报文的加解密，如果数据仅包含信息安全业务数据，那么在所述信息安全层直接进行数据回复，而不再向上层传递数据，如果参数显示数据为明文，则直接跳过所述信息安全层；
所述规约层用于数据格式校验以及IEC101/IEC104规约帧头、帧尾的拆解和组装、以及断线重连、报文重发工作；
所述应用层用于IEC101/IEC104规约中的ASDU层数据的处理，两种规约共用一套ASDU层协议，所述应用层根据ASDU类型标识将数据流疏散到不同的业务层去处理，并给各个业务层的数据封装ASDU类型标识信息；
所述业务层用于安装IEC101/IEC104规约报文通信流程执行业务逻辑，实现配电终端的运行状态的监视、控制及参数配置。
8.根据权利要求1所述的智能配电终端，其特征在于，所述历史数据存储模块包括两个存储空间，分别为外部FLASH芯片和铁电FRAM内存，所述铁电FRAM内存主要用于系统参数以及变比系数的存储，系统参数按照需求分为多个定值区，定义到铁电FRAM内存以便于内存指针直接访问，所述外部FLASH芯片用于历史数据的存储。
9.根据权利要求8所述的智能配电终端，其特征在于，所有历史数据优先缓存到铁电FRAM内存中，在以下三种情况下会立即将缓存的数据搬移到外部FLASH芯片中：
缓存达到阈值；
发生掉电事件；
发生文件读取的事件。
10.根据权利要求1所述的智能配电终端，其特征在于，所述BOOT远程升级模块包括重新定义的中断向量表，当无固件升级标志时直接跳转到主程序运行；
固件升级包括出厂固件升级和远程固件升级两种情况：
所述出厂固件升级首先通过串口或JLINK驱动烧录写入所述BOOT远程升级模块，所述BOOT远程升级模块通过IEC101/IEC104规约接收主程序可执行文件、写SRAM和片内Flash，接收完成后跳转到主程序正常运行；
所述远程固件升级时，主程序正常运行，由主程序接收新的固件程序、写SRAM和片内Flash，接收完成后设备重启，重新加载所述BOOT远程升级模块并跳转到更新后的主程序。
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