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基于SCM701的電力數(shù)據(jù)采集終端設計

iotmag ? 來源:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ? 作者:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ? 2022-09-21 14:40 ? 次閱讀
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摘 要 為解決現(xiàn)有電力數(shù)據(jù)采集終端采集速度慢、功能擴展差的問題,提出了一種基于 SCM701 的電力數(shù)據(jù)采集終端設計方案。該方案以新一代自主研發(fā)的 SCM701 處理器為管理核心操作系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)以獨立應用為支撐,以硬件模塊化、軟件功能 APP 化為設計思路。經(jīng)過實驗室大量試驗和現(xiàn)場長時間運行表明基于該方案設計的采集終端采集速率和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性均有較大提升,可擴展性強,可根據(jù)現(xiàn)場用戶需求,靈活配置硬件功能模塊和軟件應用 APP大大降低了現(xiàn)場運維成本,是新一代電力數(shù)據(jù)采集終端面向未來需求的一種較好發(fā)展方向。

0 引 言

按國家發(fā)展和改革委員會國家能源局、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布的關(guān)于推進互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源發(fā)展的指導意見相關(guān)要求[1-3],結(jié)合采集系統(tǒng)的建設現(xiàn)狀,采集系統(tǒng)將向云計算大數(shù)據(jù)+計量、清潔能源互動化、采集系統(tǒng)共享復用等方向發(fā)展[4-5],為此要求電力數(shù)據(jù)采集終端以下簡稱采集終端”)應滿足相應系統(tǒng)發(fā)展要求適應大云物移的發(fā)展方向。現(xiàn)有的采集終端設備結(jié)構(gòu)單一、功能配置固定、資源配置偏低,難以滿足各種采集現(xiàn)場的個性化安裝及使用要求,采集終端設備面臨著升級換代的問題[6-9]

1 需求分析

通過總結(jié)當前采集終端功能應用情況和應用經(jīng)驗[10-12],分析應用中的不足,制定新一代采集終端需求如下

1硬件功能可擴展根據(jù)不同的應用需求,設計各類應用模塊不同規(guī)格的模塊以統(tǒng)一接口方式連接,形成適應不同業(yè)務需求的終端實現(xiàn)采集功能;

2管理統(tǒng)一化采用統(tǒng)一操作系統(tǒng)為平臺,方便管理采集終端文件系統(tǒng)及各應用接口,實現(xiàn)統(tǒng)一管控;

3業(yè)務軟件可升級充分利用面向?qū)ο蟮某橄笮?/span>、封裝性繼承性和多態(tài)性等特性,使系統(tǒng)易于維護便于擴展、可升級

2 硬件設計

針對以上需求,面向未來應用,融合業(yè)界成熟的新技術(shù),提出新型用電信息采集終端模塊化、平臺化設計思路,包含主控、加密、時鐘、藍牙通信、電源控制、交流采樣、以太網(wǎng)、USB、按鍵LED指示、液晶顯示支持熱插拔更換的模塊有HPLC模塊4G模塊、控制模塊、485模塊和備用模塊,其中備用模塊可以根據(jù)用戶自身需求靈活配置以實現(xiàn)個性化功能。硬件架構(gòu)如圖1所示。

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2.1 主控單元

主控單元是采集終端的大腦”,負責系統(tǒng)的邏輯運算、數(shù)據(jù)分析存儲及控制指令處理器采用國產(chǎn)芯片SCM701,該芯片是以ARM Cortex-A7為內(nèi)核的4核工業(yè)級處理器,主頻最高可達1.2 GHz,外設接口支持SATA2.08UART、4 SPI/5通道I2C接口 ;網(wǎng)絡接口支持接入WiFi/3G/4G網(wǎng)絡支持千兆+百兆雙網(wǎng)口同時工作,支持兩路USB2.0 Host、1OTG,豐富的設備接口與模塊化設計要求吻合。
2.2 控制模塊
控制模塊接收主控單元的控制命令,對外部設備進行拉合閘操作。控制單元采用國產(chǎn)32MCU,這款MCU的內(nèi)核是ARM公司出品的Cortex-M0具有較強的運算處理能力和豐富的片上外設。控制模塊的運行可靠性要求很高為確保拉合閘操作準確,控制單元對合閘進行完備的閉環(huán)檢測,并使用邏輯方式,結(jié)合軟件算法防止電磁干擾帶來的誤動。2為控制模塊拉合閘閉環(huán)檢測電路。68c61fd0-3977-11ed-9e49-dac502259ad0.png

2.3 4G 模塊

為確保在寒冷地區(qū)SIM卡可以正常通信,4G模塊增加SIM卡預熱電路,通過讀取運行環(huán)境溫度采取相應措施當環(huán)境溫度低-20 ,開啟SIM卡預熱電路當環(huán)境溫度達到 -20 以上時,關(guān)閉加熱電路,此舉可有效保證采集終端在極寒條件下的4G通信穩(wěn)定性34G模塊SIM卡預熱電路,通過三極管Q7完成加熱電路的開啟和關(guān)閉實現(xiàn)方式簡單,成本低性能可靠。

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2.4 交流采樣電路

采集終端不是法定計量器具其交采采樣數(shù)據(jù)不用于電費結(jié)算,但在實際應用中,其采樣數(shù)據(jù)對臺區(qū)線損治理、計量參考等具有重要意義,因此對終端的計量精度也提出較高要求。本設計方案中采用珠海炬泉出品的三相計量芯片ATT7022E,該芯片是三相多功能防竊電電能專業(yè)計量芯片,集成了七路二階 sigma-delta ADC其中三路用于三相電壓采樣,三路用于三相電流采樣,還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣 輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值,芯片本身特性配合合適的外圍電路,可以實現(xiàn)0.5級精度的電能計量滿足實際應用需求。在設計中,為避免電壓采樣電阻網(wǎng)絡發(fā)熱引起計量誤差電阻網(wǎng)絡的電阻封裝選擇1206,大焊盤利于散熱,阻值選型經(jīng)過計算留有充足的余量并在 PCB LAYOUT時合理布局,避免密度過大引起局部熱量聚集,造成電阻阻值漂移交流采樣電阻網(wǎng)絡如圖4所示

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3 操作系統(tǒng)及固件設計
3.1 操作系統(tǒng)移植
操作系統(tǒng)性能指標
1進程創(chuàng)建平均時長小于 1 ms ;
2進程刪除平均時長小于 1 ms ;
3從上電到進入登錄界面的平均時長小于 1 min ;
4本地管道通信平均延時應小于 80 ms ;
5信號量平均延時應小于 300 μs ;
6內(nèi)存連續(xù)讀寫平均時延應小于 300 ns ;
7內(nèi)存隨機訪問平均時延應小于 500 ns ;
8安裝容器平均時長應小于 30 s ;
9卸載容器平均時長應小于 10 s
10安裝應用軟件平均時長應小于 30 s。
3.2 HAL 層設計
為降低開發(fā)復雜度與移植難度,本設計采用層次化設計方法,引入HAL硬件抽象層),將操作系統(tǒng)劃分出一個可直接與硬件通信的層次隱藏不同硬件設備的具體實現(xiàn)細節(jié),為各類應用軟件提供標準化硬件驅(qū)動接口然后為其上層提供抽象支持,下層通過API的形式向上層提供服務上層在進行硬件操作時,無需了解設備的具體細節(jié)層次化設計大大降低了系統(tǒng)理解和開發(fā)復雜度。
LED模塊為例,給出了HAL模塊代碼示例和HAL接口調(diào)用示例。
HAL模塊部分代碼

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4 應用設計

應用基于嵌入式操作系統(tǒng),采集終端的功能應用劃分為基礎(chǔ)APP高級業(yè)務APP、邊緣計算APP

1基礎(chǔ)APP是高級業(yè)務APP的共用部分,包括系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)中心、無線遠程撥號管理、本地抄表模塊管理、模組管理器等

2高級業(yè)務APP,基于基礎(chǔ)APP結(jié)合業(yè)務自身邏輯實現(xiàn),包括居民家庭用能管理大用戶用能管理、電動汽車有序充電、分布式能源管理、企業(yè)能效管理、臺區(qū)智能監(jiān)測等。

3邊緣計算APP基于業(yè)務APP實現(xiàn),是對業(yè)務APP的擴展應用。

5 實驗驗證

為全面驗證該型采集終端的性能,針對該設計開展了兩個階段的驗證 實驗室驗證和現(xiàn)場試運行驗證,現(xiàn)場試運行驗證在實驗室驗證滿足要求后開展,通過兩個階段實驗的驗證結(jié)果表明該型終端在功能和性能上完全滿足標準要求,部分性能超出標準要求。

5.1 實驗室驗證

依據(jù)國家標準和國家電網(wǎng)企業(yè)標準共開展各類檢測項目共計40余項,試驗項目涵蓋電氣性能電磁兼容、環(huán)境影響、機械性能和功能,我們從中抽取功率消耗試驗和數(shù)據(jù)傳輸試驗的結(jié)果向大家展示。表1所列為功率消耗實驗結(jié)果可以看出,該型采集終端的有功功率消耗相當于技術(shù)要求的1/4遠遠高于標準的技術(shù)要求,這也符合我國低碳發(fā)展的要求

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該型采集終端數(shù)據(jù)傳輸信道的各項性能指標測試結(jié)果如圖5所示,發(fā)現(xiàn)采集終端的該項指標高于標準的技術(shù)要求,尤其是終端帶載能力中的紋波電壓遠遠高于指標要求也從另一方面說明終端供電電源的質(zhì)量較高,為終端未來現(xiàn)場持續(xù)穩(wěn)定運行提供了有力保障。

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5.2 現(xiàn)場試運行

選取××城市的5個小區(qū)10個臺區(qū)作為試點經(jīng)過長達3個月的運行,整機運行穩(wěn)定產(chǎn)品在通信速度、通信穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出良好性能,具有較好的推廣價值。

6 結(jié) 語

通過大量驗證結(jié)果表明基于 SCM701 的采集終端采用軟件 APP 、硬件模組化的設計思路,使得該產(chǎn)品具有極大的靈活性,能夠適應不同的應用場景用戶可以根據(jù)自身需求靈活選擇硬件模塊和安裝相應功能 APP,提升產(chǎn)品的通用性。該型采集終端在現(xiàn)場經(jīng)過長期運行,各方面展現(xiàn)出的性能指標相比之前的終端有較大提升,具有較好的推廣價值,為用電信息采集設備的發(fā)展提供了一種思路,但對一些具體的算法研究還需進一步優(yōu)化

審核編輯 :李倩


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原文標題:論文速覽 | 基于 SCM701 的電力數(shù)據(jù)采集終端設計

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