基于ARM9的FTU控制器设计

3 系统设计
本设计采用基于 ARM 9 处 理器的嵌入式系统 方案, 能够根据应用需要 对硬件和软件 进行裁剪 , 充分发挥嵌入式技术的特点, 并能够满足 FTU 控制 器对功能、 可靠性、 稳定性、 成本、 体积、 功耗和便利 通信方式的要求。本 设计中采用的嵌 入式处理器 是 ATM EL 公 司 推 出 的 AT91RM 9200 , 它 使用 ARM 9TDM I处理器 内核, 其 中包含 16 位的 T hum b 指令集 , 使用 T humb 指令集可以以 16 位的系统开 销得到 32位的性能, 工作在 180MH z频率下的运算 速度可高于 200M IP 。它同时集成了丰富的系统 外围和应用外围 及标准的接口 , 为需要高 功能、 低 成本、 低功耗的计算密集型应用提供了一个单芯片 级的解决方 案, 能够 满足 设计 中的管 理、 采样、 控 制、 分析和通信等功能。 FTU 控制器的系统结构功 能如图 2 所示。
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12 期
苏书坚 , 等 : 基于 ARM 9 的 FTU 控制器设计
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ART 1单元具有完整的 M odem 信号集 , 可外接成全 调制解调器形式。我们通过电平转换芯片 ( MAXI M 公司出品的 MAX3232E ) 将 3 . 3 V 的逻辑电平转换 为 RS 233 C 的逻辑电平 , 进行数据传输。本控制器 使用了朗科公司的优信通 GPRS 无线上网卡 A830 作为 GPRS 通信模块。 AT 91RM 9200 内部集成了可 适用于介质独立接口 ( M II) 或简化的介质独立接口 ( RM II) 的 以 太 网 介 质 访 问 控 制 ( MAC ) 单 元 ( EMAC )。 采 用 的 是 DAV ICOM 公 司 出 品 的 DM 9161 芯片构成以太网的物理层接口。 3 . 2 系统软件设计 为了实现进程管 理、 存储器 管理、 设 备管理和 文件管理等 , 同时发挥有线以太网和无线 GPRS 通 信功能的优势, 把 L inux 操作系统移植到 ARM 板上 使用。 3 . 2 . 1 基于 L inux 操作系统的软件开发 L inux 操作系统是一种源代码开放、 多用户、 多 任务、 稳定性强、 网络功能丰富、 应用软件众多的可 裁剪可移植系统。运行在硬件系统上的 L inux 操作 系统可分为内核和应用程序两大部分, 其结构如图 3 所示
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装和运行时需要 和管理的各种物 理设备。硬 件与 内核之间是通过 设备驱动程序进 行联系的。几乎 绝大部分的硬件都需要编写 特定的驱动程序 进行 支持。驱动程序能够完全隐藏 具体硬件的工 作细 节, 为内核提供标准 化的驱动程序接 口, 使得 内核 能够以类似访问文件的形式使用具体设备。 3 . 2 . 2 采样有效值的计算原理 FTU 控制器必须实现交流电压、 电流信号的高 速实时采样和有效值计算, 有功、 无功、 功率因数计 算, 各交流量的高次谐波分量 ( 一般是 2~ 16 谐波 ) 及谐波总量计算
1 馈线自动化远程终端
在现代配电网中, 馈线自动化远程终端 ( FTU ) 已经取代了大部分由重合器、 分段器和断路器等组 成的配电线路自动化装置。典型的基于 FTU 的馈 线自动化系统的组成如图 1 所示
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图 1 基于 FTU 的馈线自动化系统的构成
电流和事故前一段时间 ( 一般为 1 分钟 ) 的平均负 荷, 以便分析事故, 确定故障区段 , 并为恢复完善区 段供电时 进行负荷重新分 配提供依据。 FTU 的功 能大体包括遥信功能、 遥测功能、 遥控功能、 统计功 能、 对时功能、 事件顺序记录 ( SOE )、 事故记录功能、 定值远方修改和召唤定值、 自检和自 恢复功能、 远 方控制闭锁与手动操作、 通信功能等
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。
各 FTU 分别采集相应柱上开关的运行情况 , 如 负荷、 电压、 电流、 功率和开 关的当前位置、 储能完 成情况等, 并将上述信息由通信网络发向远方的配 电自动化控制中心。各 FTU 还可以接收配电网自 动化控 制中心 下达的 命令进 行相 应的 倒闸 操作。 在事故发生时, 各 FTU 记录事故发生时的最大故障
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弱、 实时性差、 难以实 现多功能的控制 与分析等缺 点。随着配电自动化要求的不断提高, 单片机已经 不能适应新的技术需求, 采用速度快、 功能全面、 集 成度高、 实时性良好的处理器势在必行。基于 ARM 系列处理器的 FTU 就能够很好地避免以上的缺点。 ARM 处理器采用 R ISC 架构, 具有体积小、 低功耗、 低成本、 高性能, 支持 Thum b( 16 位 ) /ARM ( 32 位 ) 双指令集, 大量使用寄存器, 寻址方式灵活简单 , 指 令执行速效率更快等特点
中图法分类号
A
随着经济发展, 人民 生活质量的不断 提高, 人 们对供电质量和供电可靠性提出了更高的要求 , 配 电自动化正是在此基础 上提出和发展 起来的。馈 线自动化远程终端 ( F eeder T er m ina l Un it) 是现代配 电自动化系统的基础和 核心组成部分。随着计算 机技术、 通信技术和人工智能理论的迅速发展 , FTU 的性能也取得了长足的 发展。这对于 提高供电质 量、 增加供电可靠性、 降低线路损耗和 减轻劳动强 度都具有重要的意义。
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。
针对 FTU 装置采集速度快、 数据处理量大、 算 法复杂、 实时性要求高、 与主站通信频繁等特点 , 本 文提出了一种基于 ARM 9 处理器、 具有多种通信方 式的智能化馈线自动化 控制器的设计 方案。该控 制器以馈线的三相电压、 三相电流为基本的基本检 测物理量, 以模块化的思路 设计装置的软 硬件, 实 现集遥信、 遥测、 遥控 等与一体的馈线 监测保护功 能。在此基础上 , 同时设计有线以太网、 无线 GPRS 两种通信方式与控制中心进行信息传递 , 提高了配 电系统的自动化水平, 更好地保证供电质量和电网 的正常运行。
[ 2]
。通常, 电力系统中的交流信号
均可用如下表达式描述 :
!
f ( t) = a0 +
i= 1
[ a i cos( i t ) + b i sin ( i t ) ]
选取指定参数的前置模拟滤波器 , 滤除不关心 的高次谐波分量, 得到关心的基波和相关谐波的综 合量。通过 FFT 变换, 提取出基波分量系数和各次 谐波分量系数, 也就 知道了各次谐波 分量的幅值 , 进一步计算出单谐波分量和总谐波分量的百分值。 单谐 波 含 量 S HD 和 总 谐 波 含 量 THD 的 计 算 公 式是 : S HD = Un ∀ 100 %; U1
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图 4 应用程序的总体架构
图 5
SNM P网络管理模型
通过进程间通信 的适当设计 , 串口通 信模块、 GPRS 通信模块和网络通信模块能够按规定的流程 来完成各自不同的任务 , 共同实现系统的各种监测 和数据传输功能。鉴于篇幅的原因, 许多模块功能 的详细实现就不在这里作一一阐述。 下面分别介绍一下 SNMP 代理和数据采集模块 的设计。 SNM P 管理模型是典型的 客户 /服 务器体系结 构
苏书坚 郑 强
( 华南理工大学电力学院 , 广州 510640 )
摘
要
针对目前基 于单片机的 FTU 控制器速度慢 、 实时性 差 、 功能简单的 特点 , 提 出一种基于 ARM 9 的 新型 FTU 控 制器的
设计方法 。 首先分析 FTU 在现代配电系统中的作用和使用现状 , 重点介绍新控 制器的软硬件设计和所实现的 具体功能 , 以及 其在现代配电系统中 的应用 。 关键词 FTU 控制器 TP368 . 2 ; ARM 9 智能终端 文献标志码 馈线自动化
2009年 3 月 28日收到 第一作者简介 : 苏书坚 ( 1981 ) , 男 , 汉族 , 广东广州人 , 硕士研究
。
2 ARM 9 处理器的选用
在当今国内市场上, 大部分 FTU 装置还是采用 单片机作为核心处理器 , 隐藏着速度 慢、 处理 能力
生, 研究方向 : 电力系统保护、 控制与自动化。
第 9 卷 第 12 期 2009 年 6 月 1671 1819( 2009) 12 3531 05
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Science T echno logy and Eng ineer ing
V o l 9 N o 12 June 2009 2009 Sci T ech Engng
基于 ARM 9 的 FTU 控制器设计
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频率过高会 造成数 据存储 量大 和计 算时 间过长。 综合计算时间、 结果精度和存储需 求等因素, 64 点 采样频率比较合适。其数据处理流程如图 6 所示。
, 如图 5 所示。网络管理站运行 SNMP 软件的
客户端 ( 通常 称管理器 ) , 而被管 的网络设 备运行 SNM P 软件的服务器端 (通常称代理 ) 。网络管理站 启动管理进程 , 监视并控制 被管设备的运 行, 而被 管设备上运行代理进程 , 对管理进程发出的各种请 求做出响应。被管设备的信息存放在其 M IB 库中。 管理进程将各种控制维护命令打包成 SNM P 报文 , 发送到代理进程 , 代理进程操作 M IB 库来响应这些 命令, 并将结果返回给管理进程。 本控制器采用了一个开发 SNM P网络代理的程 序工具包 net snmp 。由于有新的设备加入, 设备配 置发生了变化, 首先需要 编写自己的 M IB 文件, 然 后扩展相应的代理。 M IB 文件定义了自己的节点名 称、 位置、 类型、 访问限制和简单注释等。使用 net snm p 扩展代理有三种方式: 静态链接形式、 共享链 接库形式和 Agen t X 子代理协议。 数据采集模块需要从馈线上获取电压、 电流等 参数, 为了获得精确的计算 结果, 选择 适当的采样 频率尤为关键。采样频率过低容易引起失真 , 采样 本控制器采用 AT 91RM 9200 作为处理器 , 相对 于传统的单片机系统, 具有许多优点: ( 1) 性能高, 功耗低 , 成本低 ; ( 2) 数据处理速度快、 精度高 , 能够满足实时性 要求 ; ( 3) 在 L inux 操作系统上开发应用程序 , 稳定 性好、 编程效率高, 有利于多任务管理; (下转第 3549页 )