一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计
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一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计! 韦文祥, 等
一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计
!"#"$%&’ $() *"#+,( -. /01"))") !"0-2" 3%$(#.-%0"% 3"%0+($4 5(+2 ( 335)
韦文祥 ! 刘晓莉 ! 张桂玉
( 湖南科技大学信息与电气工程学院,湘潭! "##$%# ) 摘! 要:鉴于仪器的网络化发展趋势, 介绍了一种网络化的远程配变监控终端系统的研究与设计。基于 +$ 位嵌入式微处理器 ,-.$#$" 和实时操作系统 !. / 01 ’ 22, 以 3-41 网络为通信媒介实现了终端的远程采集、 参数配置、 控制命令的下传和软件系统的实 时更新与维护。该系统具有实时性好、 可靠性高、 组网方式简单、 易于维护和运行费用低等特点, 为用电需求侧管理提供了一种有效 的技术手段。该设计研究可广泛应用于当前的电力管理中。 关键词:配变监控终端! 嵌入式! 3-41 网络! 远程升级 中图分类号:56)+# / )+(7 (! ! ! ! 文献标志码:8 ’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
表 ($ )*+’ ($
代6 6 码6 6 6 -+R ’(Q) L$()S$TU -+R ! V N)() !$ H-R
通信帧格式
,-../012*31-0 45*.6 4-5.*3
字节数 H . 1 H H 1 变长 H H 说6 6 明6 帧起始符 终端逻辑地址 主站地址与命令符号 帧起始符 控制码 数据长度 数据域 校验码 结束码
《 自动化仪表》 第 !" 卷第 # 期$ !%%& 年 # 月
所示。 由于 PJ’$ L@F?E 内嵌 (!J " &J 协议栈, 建立了远 程通信的物理层和网络层, 终端的应用层只需要按照 终端的通信协议规定进行通信握手、 解析和应答操作。 解析操作包括对前置机接收到命令帧的分析、 执行各 种命令帧、 数据包的组帧和分帧等。应用层的通信帧 格式如表 H 所示。
% ! 引言
( @FK9H?>FJ<F @<FJ;9KC I9;@ ) 配变监控终端 55Q 是针 对配电网中配电变压器而研制的自动化装置
[#]
下传和终端软件系统的实时更新与维护。系统具有实 时性好、 可靠性高、 组网方式简单、 易于维护和运行费 用低等特点。 。主要
用电情况的分析、 功能是对配变进行运行参数的监测、 用电安全保护和异常事件报警等。55Q 在用电需求侧 ( P16 ) 管理 中起着举足轻重的作用, 为电力管理提供 了有效的技术手段。随着 P16 研究的进一步深入, 对 55Q 的功能和技术指标也提出了 更 高 的要 求。鉴 于 55Q 运行环境的特殊性, 终端不仅需要有必要的检测 功能, 还需要有远程数据上报和执行远程命令, 尤其对 系统的远程升级与维护功能提出了明确的要求。仪器 55Q 作为一种特 的网络化是它自身发展的必然趋势, 殊的仪器, 传统的 55Q 采用电力载波和电话等有线方 式进行远程通信, 有线方式组网复杂和费用高是难以 3-41 网络技术的发展及其组网简单、 克服的缺陷, 费 用低廉等特点为 55Q 的远程通信提供了一种新的途 径
《 自动化仪表》 第 !" 卷第 # 期$ !%%& 年 # 月
#+
一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计" 韦文祥, 等
图 !" 配变监控终端网络拓扑图 #$%& !" ’()*+,- )+.+/+%0 +1 223
图 4" 硬件系统结构 #$%& 4" 56,7*6,( 8),9:)9,( +1 223
。本文设计了一种基于嵌入式微处理器和实时操
!$ 配变监控终端系统硬件设计
!5 4$ 终端整体硬件设计 终端的硬件设计包括主控制器和外围元器件的选 型与电路设计。嵌入式微处理器具有体积小、 速度快、 功耗低、 资源丰富、 成本低和可靠性高等优点, 能够胜 任嵌入式设计中对性价比要求苛刻的应用场合, 配变 监控终端硬件系统结构如图 $ 所示。
4: 1: 46 终端控制模块 终端的用电控制包括总电量控制、 月电量控制、 功
H0
一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计" 韦文祥, 等
图 !" #$%& 通信任务流程 ’()* !" $+,-.// ,0 #$%& -,1123(-45(,3 54/6
[-]
, 本系统中可裁剪到 1 23,
系统运行时 ’(#$ Leabharlann Baidu用总资源约为 45 , 它适合于对代 码体积要求苛刻的应用中。 !! " #$ % && 以任务的方式
。
图 .6 软件模块结构 789: .6 $;<=>;=<? @A B@A;CD<? E@F=G?
#’ !$ 系统主要模块设计 4: 1: H6 参数采集模块 ( (DB2 I 参数采集模块中包括配 变 参 数 采 集 任 务 J@C?<I$DEK) ( (DB2IL?DJ@8M;I 和测量点的定时抄表任务 $DEK) , 前者负责定时采集配变参数; 后者负责对测量点 表计的电能参数循环采集, 两部分数据采集并保存到终 端外部存储器内, 以备前置机的远程查询, 也为事件检 测任务对终端的异常检测提供依据。参数的循环采集 (6 ) 调用系统函数 #$I(8E?NGO 进行延时, 延时期间其 它任务运行, 保证了多任务运行的实时性。 4: 1: 16 终端通信模块 终端的通信包括现场数 据 采 集 的 ’$ % .+0 通 信 和终端与前置 机 间 的 PJ’$ 通 信 两 部 分。 ’$ % .+0 PJ’$ 通 信 任 通信安排 在 (DB2 I L?DJ@8M; I $DEK 中, 务提供了终端数据的上行 通 道, 实现终端与前置机 的数据交换, 终端通信任务使用了 Q)’( / 的 )J& 接 口资源, 远程数 据 收 发 通 过 PJ’$ 模 块 实 现。 为 解 通信任务中使用信 决多任务 对 Q)’( / 口 的 占 用, 号量进行互斥操作, 其它任 务 主 动 向 前 置 机 发 送 数 据时通过邮箱的方式与该 任 务 进 行 通 信, 从而实现 其它 任 务 数 据 发 送。 PJ’$ 通 信 任 务 流 程 如 图 0
作系统的远程配变监控终端系统, 并以 3-41 网络为 通信媒介实现了远程数据采集、 参数配置、 控制命令的
! ! 修改稿收到日期: $%%& ’ #% ’ #( 。 #)** 年生, $%%& 年毕业于湖南大学, 第一作者韦文祥, 男, 获硕士学 位, 讲师; 主要从事检测与自动化装置、 测控技术和嵌入式系统开发等方 面的研究。
[B] 4
终端参数和历史数据
[?]
。
10 1: 远程升级模块硬件设计 配变终 端 的 远 程 升 级 硬 件 部 分 由 P;DJ 模 块、 =;>4!4? 和外部 #/68< 存储器 C2?KGLM?!L 组成。系 统通过 P;DJ 模块从远程前置机下载升级代码, 并保 =;>4!4? 执行 L++) 扇区的 HC; 存到 C2?KGLM?!L 内, 命令中的擦除和复制命令实现对内嵌 #/68< 的代码更 新。远程升级模块如图 B 所示。
[$]
4$ 配变监控终端系统
终端通过 41N"(S 总线对配变二次测用户的表计 电能数据进 行 循 环 采 集, 并使用终端的计量模块对 其电能参数并行测量, 实现对用电现场数据的保存、 电能质量分析、 异常事 件的捕 获, 以 3-41 网 络 为 通 信媒介, 主动 上 报 终 端 数 据, 响 应 远 程 请 求、 远程配 置终端参数 和 执 行 远 程 控 制 命 令 等。远 程 服 务 器、 移动分 站 组 成 的 前 置 机 系 统, 使 用 29@<F9<@ 网 络 接 入, 再经由 3-41 网与终端系统进行通信; 另外, 还可 以通过手机终端以 316 方式 直接与 终端通 信, 如短 信告警。网络化的配变监控终端系统的网络拓扑结 构如图 # 所示。
3: 配变监控终端系统软件设计
30 ;: 操作系统的嵌入 嵌入式配变监控终端的软件设计是基于源码开放
!?
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一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计 6 韦文祥, 等 ( ’(#$ ) 的 !! " #$ % && 的多任务实时操作系统 进行设 计的。!! " #$ % && 是一种可移植、 可固化、 可裁剪及可 剥夺型的多任务 ’(#$, 适合于各种微处理器和微控 制器。所有代码用 )*$& 的 ! 语言编写, 具有良好的 可移植性。到目前, 它已经被移植到 + , -. 位等 ./ 多 种处理器构架中, 其性能足可与商用内核媲美, 在代码 体积上具有强大的优势
。终端通过计量模块对配变现场参数进
图 B " 远程升级模块 #$%& B" D(R+)( 9.76)$S% R+79/(
行采集, 通过 DJ I ?QK 接口对现场的测量点表计进行 循环采集, 使用 P;DJ 模块通过 P;DJ 网络与前置机 进行数据通信, 通过控制输出模块控制拉闸机构, 实现 ( 包括人机交换接 终端的远程监控。其它的扩展模块 口的键盘和 =>G 显示模块) 实现参数配置和数据查 询, 时钟模块给终端提供时钟基准, 外部存储模块存放
" " 嵌入式配变监控终端系 统 以 ;<$/$.8 的 =;>4!4? =;>4!4? 基于一个支持实时仿真和 为核心进行设计, 跟踪的 !@ A B4 位 CDEF2GEH I J2E >;3 的微控制器, 内嵌 4K@ -L 的 #/68< 存储器用来存放高密度的程序代 !@ -L 的 JDCE 存储器在程序运行期间存放运行 码, 参数和变量数据。采用较小 的 @? 脚 封 装、 极低的功 H >和 耗、 最大的时钟频率可达 @M E5N, 支持 3CD2、 J;H 多种通信接口。对于 E>3 的外围接口部分 设 计 HJ; 极为方便、 灵活, 对内嵌的 #/68< 存储器支持 O2CP、 和 HC; 等多种编程方式, 是终端系统软件调试和远程 升级的基础
[0]
给用户提供一种模块化设计方式, 用户在不同的任务 中设计终端系统的各种功能, 任务中调用 ’(#$ 的邮 箱和信号量等操作系统资源进行任务调试和任务间通 信, 用户通过定义任务的优先级实现终端各种功能的 实时性要求。系统软件按照模块化方式进行设计, 配 变监控终端软件模块结构如图 . 所示。将配变监控终 端的软件系统划分为参数采集模块、 事件检测和上报 模块、 控制模块、 人机接口模块、 通信模块、 远程升级模 块和动态事务安排模块等
一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计
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韦文祥 ! 刘晓莉 ! 张桂玉
( 湖南科技大学信息与电气工程学院,湘潭! "##$%# ) 摘! 要:鉴于仪器的网络化发展趋势, 介绍了一种网络化的远程配变监控终端系统的研究与设计。基于 +$ 位嵌入式微处理器 ,-.$#$" 和实时操作系统 !. / 01 ’ 22, 以 3-41 网络为通信媒介实现了终端的远程采集、 参数配置、 控制命令的下传和软件系统的实 时更新与维护。该系统具有实时性好、 可靠性高、 组网方式简单、 易于维护和运行费用低等特点, 为用电需求侧管理提供了一种有效 的技术手段。该设计研究可广泛应用于当前的电力管理中。 关键词:配变监控终端! 嵌入式! 3-41 网络! 远程升级 中图分类号:56)+# / )+(7 (! ! ! ! 文献标志码:8 ’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《 自动化仪表》 第 !" 卷第 # 期$ !%%& 年 # 月
所示。 由于 PJ’$ L@F?E 内嵌 (!J " &J 协议栈, 建立了远 程通信的物理层和网络层, 终端的应用层只需要按照 终端的通信协议规定进行通信握手、 解析和应答操作。 解析操作包括对前置机接收到命令帧的分析、 执行各 种命令帧、 数据包的组帧和分帧等。应用层的通信帧 格式如表 H 所示。
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( @FK9H?>FJ<F @<FJ;9KC I9;@ ) 配变监控终端 55Q 是针 对配电网中配电变压器而研制的自动化装置
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下传和终端软件系统的实时更新与维护。系统具有实 时性好、 可靠性高、 组网方式简单、 易于维护和运行费 用低等特点。 。主要
用电情况的分析、 功能是对配变进行运行参数的监测、 用电安全保护和异常事件报警等。55Q 在用电需求侧 ( P16 ) 管理 中起着举足轻重的作用, 为电力管理提供 了有效的技术手段。随着 P16 研究的进一步深入, 对 55Q 的功能和技术指标也提出了 更 高 的要 求。鉴 于 55Q 运行环境的特殊性, 终端不仅需要有必要的检测 功能, 还需要有远程数据上报和执行远程命令, 尤其对 系统的远程升级与维护功能提出了明确的要求。仪器 55Q 作为一种特 的网络化是它自身发展的必然趋势, 殊的仪器, 传统的 55Q 采用电力载波和电话等有线方 式进行远程通信, 有线方式组网复杂和费用高是难以 3-41 网络技术的发展及其组网简单、 克服的缺陷, 费 用低廉等特点为 55Q 的远程通信提供了一种新的途 径
《 自动化仪表》 第 !" 卷第 # 期$ !%%& 年 # 月
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一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计" 韦文祥, 等
图 !" 配变监控终端网络拓扑图 #$%& !" ’()*+,- )+.+/+%0 +1 223
图 4" 硬件系统结构 #$%& 4" 56,7*6,( 8),9:)9,( +1 223
。本文设计了一种基于嵌入式微处理器和实时操
!$ 配变监控终端系统硬件设计
!5 4$ 终端整体硬件设计 终端的硬件设计包括主控制器和外围元器件的选 型与电路设计。嵌入式微处理器具有体积小、 速度快、 功耗低、 资源丰富、 成本低和可靠性高等优点, 能够胜 任嵌入式设计中对性价比要求苛刻的应用场合, 配变 监控终端硬件系统结构如图 $ 所示。
4: 1: 46 终端控制模块 终端的用电控制包括总电量控制、 月电量控制、 功
H0
一种嵌入式远程配变监控终端的研究与设计" 韦文祥, 等
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系统运行时 ’(#$ Leabharlann Baidu用总资源约为 45 , 它适合于对代 码体积要求苛刻的应用中。 !! " #$ % && 以任务的方式
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图 .6 软件模块结构 789: .6 $;<=>;=<? @A B@A;CD<? E@F=G?
#’ !$ 系统主要模块设计 4: 1: H6 参数采集模块 ( (DB2 I 参数采集模块中包括配 变 参 数 采 集 任 务 J@C?<I$DEK) ( (DB2IL?DJ@8M;I 和测量点的定时抄表任务 $DEK) , 前者负责定时采集配变参数; 后者负责对测量点 表计的电能参数循环采集, 两部分数据采集并保存到终 端外部存储器内, 以备前置机的远程查询, 也为事件检 测任务对终端的异常检测提供依据。参数的循环采集 (6 ) 调用系统函数 #$I(8E?NGO 进行延时, 延时期间其 它任务运行, 保证了多任务运行的实时性。 4: 1: 16 终端通信模块 终端的通信包括现场数 据 采 集 的 ’$ % .+0 通 信 和终端与前置 机 间 的 PJ’$ 通 信 两 部 分。 ’$ % .+0 PJ’$ 通 信 任 通信安排 在 (DB2 I L?DJ@8M; I $DEK 中, 务提供了终端数据的上行 通 道, 实现终端与前置机 的数据交换, 终端通信任务使用了 Q)’( / 的 )J& 接 口资源, 远程数 据 收 发 通 过 PJ’$ 模 块 实 现。 为 解 通信任务中使用信 决多任务 对 Q)’( / 口 的 占 用, 号量进行互斥操作, 其它任 务 主 动 向 前 置 机 发 送 数 据时通过邮箱的方式与该 任 务 进 行 通 信, 从而实现 其它 任 务 数 据 发 送。 PJ’$ 通 信 任 务 流 程 如 图 0
作系统的远程配变监控终端系统, 并以 3-41 网络为 通信媒介实现了远程数据采集、 参数配置、 控制命令的
! ! 修改稿收到日期: $%%& ’ #% ’ #( 。 #)** 年生, $%%& 年毕业于湖南大学, 第一作者韦文祥, 男, 获硕士学 位, 讲师; 主要从事检测与自动化装置、 测控技术和嵌入式系统开发等方 面的研究。
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终端参数和历史数据
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10 1: 远程升级模块硬件设计 配变终 端 的 远 程 升 级 硬 件 部 分 由 P;DJ 模 块、 =;>4!4? 和外部 #/68< 存储器 C2?KGLM?!L 组成。系 统通过 P;DJ 模块从远程前置机下载升级代码, 并保 =;>4!4? 执行 L++) 扇区的 HC; 存到 C2?KGLM?!L 内, 命令中的擦除和复制命令实现对内嵌 #/68< 的代码更 新。远程升级模块如图 B 所示。
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4$ 配变监控终端系统
终端通过 41N"(S 总线对配变二次测用户的表计 电能数据进 行 循 环 采 集, 并使用终端的计量模块对 其电能参数并行测量, 实现对用电现场数据的保存、 电能质量分析、 异常事 件的捕 获, 以 3-41 网 络 为 通 信媒介, 主动 上 报 终 端 数 据, 响 应 远 程 请 求、 远程配 置终端参数 和 执 行 远 程 控 制 命 令 等。远 程 服 务 器、 移动分 站 组 成 的 前 置 机 系 统, 使 用 29@<F9<@ 网 络 接 入, 再经由 3-41 网与终端系统进行通信; 另外, 还可 以通过手机终端以 316 方式 直接与 终端通 信, 如短 信告警。网络化的配变监控终端系统的网络拓扑结 构如图 # 所示。
3: 配变监控终端系统软件设计
30 ;: 操作系统的嵌入 嵌入式配变监控终端的软件设计是基于源码开放
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。终端通过计量模块对配变现场参数进
图 B " 远程升级模块 #$%& B" D(R+)( 9.76)$S% R+79/(
行采集, 通过 DJ I ?QK 接口对现场的测量点表计进行 循环采集, 使用 P;DJ 模块通过 P;DJ 网络与前置机 进行数据通信, 通过控制输出模块控制拉闸机构, 实现 ( 包括人机交换接 终端的远程监控。其它的扩展模块 口的键盘和 =>G 显示模块) 实现参数配置和数据查 询, 时钟模块给终端提供时钟基准, 外部存储模块存放
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给用户提供一种模块化设计方式, 用户在不同的任务 中设计终端系统的各种功能, 任务中调用 ’(#$ 的邮 箱和信号量等操作系统资源进行任务调试和任务间通 信, 用户通过定义任务的优先级实现终端各种功能的 实时性要求。系统软件按照模块化方式进行设计, 配 变监控终端软件模块结构如图 . 所示。将配变监控终 端的软件系统划分为参数采集模块、 事件检测和上报 模块、 控制模块、 人机接口模块、 通信模块、 远程升级模 块和动态事务安排模块等