基于ARM Cortex-M7内核的配电自动化终端设计

郑贵林，康 亮

(武汉大学电气与自动化学院，湖北武汉 430072)

0 引言

近年来，随着国民经济的不断发展，对电力的需求逐渐上升。为了满足新时期对电力的需求，配电自动化研究逐渐成为未来电力发展的新方向。在配电自动化系统中，配电自动化终端设备是其中重要一环。配电自动化终端设备一般在常规开闭所、环网柜、户外小型开闭所等地方设置，实现开关设备位置电压、电流、信号、有功功率等数据的收集和计算，实现开关分合闸操作，并且实现馈线开关故障识别、非故障区间供电恢复及隔离[1]。然而，目前市面上的配电自动化终端设备存在成本高、体积大、安装困难、自动化水平不高等缺点，无法完全满足当前配电自动化需求。

针对上述问题，本终端设计基于ARM Cortex-M7内核，软件平台基于FreeRTOS操作系统开发，实现对下行设备的电压、电流、功率、信号等数据的采集与存储，同时整合成IEC60870-5-104协议格式，通过4G或光纤网关节点上传服务器云平台；具备开关分合闸功能，能对馈线故障识别并做出相应的处理，实现对配电集中且实时的监控与管理。该终端相较于目前市面上的配电自动化终端设备具有成本低、安装简便、可管理性强、自动化水平高等优点，能基本满足当前配电自动化需求。

1 终端内核选型与内核架构

配电自动化终端设备要求快速、稳定、智能等特点：要求设备能快速对线路中的故障进行检测，实现对线路的保护，并对采集的数据进行快速处理与上报服务器；要求设备稳定运行并能有效对各种数据进行记录、存储、传输；要求设备能智能地使各类配电设备按照某一标准或接口展开和主系统通信[2]。

为了满足以上特点，本终端系统设计选用高性能的基于ARM Cortex-M7内核的STM32F767芯片作为主MCU。该芯片具有低功耗、高性能、实时响应能力强的优点，同时拥有4 KB数据高速缓存、4 KB指令高速缓存以及512 KB的片内SRAM，最高运行频率可达216 MHz，内部拥有丰富的外设接口[3]，具备快速、稳定、智能等特点。除此之外，Cortex-M7的微架构由6级超标量流水线实现，通过改善架构性能(减少每个指令周期数)和提升运行频率，大幅改善系统性能。为支持超标量设计更高的指令和数据带宽要求，其关键内存接口设计为64位宽度。AXI系统总线和单周期ITCM接口均为64位，双32位D-TCM接口可以在一个周期内处理2个32位传输或1个64位数据传输，可以极大提高终端系统的运行速度和整体性能[4]。各种数据与实践表明，STM32F767芯片是一款强大的且适用于本终端系统的芯片，图1为ARM Cortex-M7内核架构图。

图1 Cortex-M7内核构架图

2 终端硬件设计

该终端系统硬件设计采用STM32F767芯片作为主MCU核心电路，同时为了使数据采集、故障识别、数据上传、控制操作等各项功能更加稳定与快速，硬件设计中另外搭载一颗基于Cortex-M3内核的处理器STM32F103芯片专门负责遥信与遥控操作，即开关量输入的隔离与采集、开关量输出的隔离与控制，减轻STM32F767负担。系统硬件结构框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

2.1 电源模块电路设计

本终端电源设计采用外接220 V供电方式，内部使用AC-DC电源模块LD10-20B12模块将220 V交流电转换成12 V直流电，再经过DC-DC电源芯片将12 V转换成其他电路模块需要的电源，如3.3 V主芯片电源、5 V通信芯片电源等。LD10-20B12电源模块是一款AC-DC电源模块，能将85～264 V范围内的交流电转换成电压为12 V、功率为10 W的直流电，转换效率高达81%。同时，该模块具备输出短路、过流、过压保护等功能，能够很好地应对供电端各种突发情况，因此，该系列模块在工业、医疗、电力、仪表、通信及民用等多个领域都有重要的应用，具体实现电路示意图如图3所示。

图3 LD10-20B12电源模块电路图

2.2 采集电路设计

本终端采集电路主要包括采集配电房输入的ABC三相电电压、电流、功率、功率因数、电能等电力数据信息，经过试验，最终采用BL6522B高精度三相多功能电子电能计量芯片。该芯片集成7路高精度Sigma-Delta ADC、低噪声电压基准电路、温度传感器等模拟电路模块；集成了专用的处理功率、有效值、能量等电参数的数字信号处理电路；能够测量各相及合相的总有功功率及能量、基波有功功率及能量、无功功率及能量、视在功率及能量；能够提供各相电流、电压有效值、功率因子等参数；具有电流失流监测、电流电压峰值检测、过零检测等电能质量管理功能；测量的输入动态范围可以达到3 000∶1[5]。该采集电路系统框图如图4所示，试验表明，该芯片能够满足采集速度与精度要求，适用于该终端系统。

图4 BL6522采集电路框图

2.3 通信电路设计

该终端设计通信电路包括：有线网络通信、4G无线通信、RS485总线通信等，且3种通信方式协同合作。其中有线网络通信与4G无线通信负责将终端设备整合的数据按IEC60870-5-104国标协议传送给服务器端；RS485总线通信电路用来采集RS485总线协议终端设备各种数据信息，可快速准确地采集各种不同的RS485总线设备。多通信方式协同合作使终端设备具有传输距离远、传输速度快、信号稳定可靠、传输数据准确等优点[6]。

有线网络通信采用百兆以太网芯片DM9051NP。该芯片是带有串行外设接口(SPI)的独立以太网控制器；芯片内部同时具有MAC和PHY功能，符合IEEE 802.3网络协议，且具有16 KB SRAM静态随机存取记忆保存数据；与MCU采用SPI总线进行通信，同时支持以DMA模式传输，以实现快速通信，十分适合物联网领域应用。

4G无线通信电路设计采用USR-LTE-7S4通讯模块。该模块是一款5模12频，支持移动、联通、电信4G，同时支持移动、联通3G和2G的一款高速通讯模块，内部采用嵌入式Linux系统开发，支持RNDIS远程网络驱动接口，同时支持4个网络连接在线，且每路连接支持10 KB串口数据缓存，是对没有光纤的配电站的一种无线通讯解决方案。

有线网络通信与4G无线通信协同地连接终端设备与服务器，出于稳定性、快速性等因素考虑，有线网络通信优先级通常比4G无线通信优先级高，即环境因素导致只能采用4G无线通信时才考虑使用4G通信，其他情况均优先使用有线网口通信，具体通信电路框图如图5所示。

图5 通信电路框图

由于目前的电气设备大部分采用了RS485总线组网通信，因此，本终端系统设计与下行设备通信采用RS485通信方式，具体RS485通信电路图如图6所示。RS485是隶属于开放式系统互联通信参考模型(OSI)物理层的电气特性规定为2线、半双工、多点通讯的标准[7]。RS485接口采用平衡式发送和差分接收的数据收发器来驱动总线，抗共模干扰能力强，最长可以传输1.2 km以上(通讯速率小于12.5 KB/s)，数据最高传输速率可达4.375 MB/s(传输距离小于10 m)，其单级最多可接32个节点[8]。此终端设计选用ADM2483芯片作为RS485收发器，该芯片采用了磁隔离(iCoupler)技术，将三通道隔离器、三态差分线路驱动器和差分输入接收器集成于单封装中，是一款集成式电气隔离器件，隔离电压高达2.5 kV，能有效保护系统[9]。

图6 RS485总线通信电路图

3 终端软件设计

配电自动化终端软件设计是基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统设计。FreeRTOS嵌入式操作系统作为一个轻量级实时操作系统内核，具有任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等嵌入式操作系统基本功能[10]，同时具备实时性、开源性、可靠性、易用性等优点。综上，本终端设计选用FreeRTOS作为软件操作系统。

配电自动化终端系统软件主要包括：系统初始化、采集任务、通信任务、保护任务4部分。各任务线程除实现各自任务功能外，同时协同运行，共同完成整个软件系统目标。

3.1 系统初始化

系统初始化主要包括硬件初始化、参数读取和参数校准3部分。其中硬件初始化包括了L1-Cache缓存使能、时钟、串口、SPI总线、GPIO、SD卡等的硬件初始化。参数读取与参数校准是通过与服务器通信实现本地参数与远程获取参数比较，进而形成参数校准，防止出现服务端与本地设备的信息不匹配导致的数据正确性与匹配性问题。具体流程图如图7所示。

图7 系统初始化流程图

3.2 采集任务

采集任务主要是对遥测、遥信数据以及各种传感器数据的采集。其中遥测数据采集通过BL6522B三相电能芯片进行采集，采集数据包括三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电能等遥测数据，遥信数据主要是配电柜开关量状态输入量，传感器数据采集包括设备温度、湿度、大气压、振动等数据。采集任务流程图如图8所示。

图8 采集任务流程图

3.3 通信任务

通信任务包括了4G通信、有线网口通信和RS485通信3种通信方式。由于有线网口速度快、传输稳定，因此与服务器通信以有线网口通信为主，4G通信为辅。终端设备与服务器通信指令分为2种：IEC60870-5-104协议指令和RS485透传指令。其中IEC60870-5-104协议指令主要负责服务器与终端设备的三遥操作，而RS485透传指令直接将服务器数据透传给RS485总线，实现下行设备与服务器的直接通信。具体通信任务流程图如图9所示。

图9 通信任务流程图

3.4 保护任务

保护任务主要负责对配电房中配电设备线路数据监控、故障检测、故障报警、故障切除等。其中保护主要包括：过压保护、欠压保护、过流保护、中性点电流异常保护、遥信状态位异常保护等。保护措施根据异常类型和程度分为报警和切断2个部分，保护措施完成后会更新终端设备保护信息表并保存在flash中，以供后续原因查找与分析。保护任务流程图如图10所示。

图10 保护任务流程图

4 系统应用与结果

图11为某教学楼和宿舍24 h进线电压曲线图，图12为教学楼和宿舍24 h进线电流曲线图。

图11 教学楼与宿舍24 h进线电压曲线图

与现场实际数据对比之后，发现包括电流、电压、功率、功率因子等数据基本一致，表明该终端遥测功能运行正常。同时测试遥信变化、遥控控制，均可准确采集并执行，同时数据能够准确快速地上传给云服务器，满足应用要求。

图12 教学楼与宿舍24 h进线电流曲线图

5 结束语

本文设计了一种基于ARM Cortex-M7内核STM32F767芯片的配电自动化终端设备，一定程度上解决了目前市面上的配电自动化终端设备的成本高、体积大、安装困难、自动化水平不高等问题。该终端系统已成功应用于武汉大学配电房中，结果表明，系统稳定性好、可管理性强、通信速度快。但由于场景限制，导致该设备只能应用于集中式配电房管理，对较为分散的配电房还无法做到统一管理，亟待日后完善解决。