基于嵌入式系统的电力配电柜采集及显示终端开发

康盛, 张衍奎, 陈治平

(1.上海电气自动化设计研究所有限公司, 上海 200023; 2.宁夏凯晨电气集团有限公司, 宁夏 银川 750000)

0 研究背景

随着计算机信息和物联网通信技术迅猛发展，智能配电系统作为智能电网的关键一环，正在快速发展。美国通用电气、德国西门子和法国施耐德等国际知名的电气公司的配送电开关柜已经通过加装智能模块、物联网设备接入网关及开发智能设备等方式实现了数据的采集和互联，配电数据也可接入云平台实现大数据分析功能。国内的大型电力设备生产商也在研发和设计各类智能配电设备，进行高压开关盘柜智能化升级和布局。

宁夏凯晨电气集团有限公司的产品以高低压成套设备、智能箱式变电站、智能开关及数字化智能终端电气产品为主导，产品覆盖了电力、水利、通信、工业、新能源、石化、交通和基础行业。随着智能电网的建设进程加快，作为供电网络的关键设备制造商，宁夏凯晨电气集团对高低压开关柜提出了产品智能化和信息化更高的升级要求。上海电气自动化设计研究所有限公司作为国内最早从事电气智能化和信息化的研究团队，在其领域做了大量科学研究和积累了丰富技术经验。为此，双方决定开发一套集成保护仪表和操作的智能终端KC500PT。该终端产品要求集成盘、柜的各类智能仪表和操作面板，实现智能监控、人机显示，同时还可实现与电网的信息互联，具备远程维护功能。

1 开关设备智能终端集成化的原理和功能

按照现有传统开关柜的基础标准和智能电网的建设要求，通过开发基于微控制器的智能监控终端，可完成多仪表集成、数字化和网络化，同时可实现智能采集、传输和互联。简化制造过程的繁琐工艺，加强操作安全和可靠控制，如图1所示。

本文智能终端开发目标是将配电柜的保护检测和显示操控整合成一体。在分析国内外同类产品性能的基础上，采用嵌入式智能化技术，面向未来建设智能电网的需求，研发开关设备智能仪表集成系统，实现高低压配电设备的电力参数的智能化采集、显示和传输。该智能终端可接入大数据云平台、实现语音控制和远程监控等智能化功能，为智能电网和分布式能源的实施提供支持服务。同时通过智能化开发，还可解决目前开关电气设备布线难、维护难和成本高等工程难题。

本文智能终端分上位机(嵌入式操控屏)终端和下位机(信号采集)终端组成。上位机一改以前的分立元器件仪表组板模式，将传统控制面板上繁多的控制开关以及指示元件集成于一块显示屏系统中，实现智能检测和人机交互功能，还可以通过总线连接各个回路的电力参数互联并显示在面板上，降低制造工时和成本。由于终端采用可编程的嵌入式系统，因此能用一种模式，通过配置不同参数来满足各类配电柜的需要。

智能终端的主要部分为核终端，它的原理就主要是基于MCU将配电柜内的各类信号采集、转换、传输和显示，MCU控制单元分为下位执行单元和上位控制单元。

图1 配电柜智能终端原理图

智能终端的功能如下：

(1)具备与下位机通过RS485、CAN总线通信功能，进行双向数据交换。

(2)具备有线、无线通信功能，与外部或中心进行数据传输。

(3)具备多屏数据显示和操作功能。

(4)具备高压信号采集和报警功能。

(5)具备人体接近提示功能。

(6)基本语音输入及报警功能。

(7)具备低功耗运行功能。

2 智能终端的硬件设计

2.1 系统总体架构

开关设备智能终端既要跟下位机通信又要与上位机通信并且需要友好的操作界面，需要具有较强的CPU处理能力。配电柜的工作环境比较恶劣且长期运行，对智能终端具有超高的稳定性和具备恶劣环境的适应性，需要选择工业级以上的硬件芯片，才能保证系统的长期稳定可靠。

在国产高性能嵌入式ARM CPU中，以瑞星微和全志为主，其高端芯片性能较强，但是这类芯片的主要应用还是消费类电子产品，如娱乐平板、机顶盒、商业显示器以及VR等，但缺乏在恶劣工业环境应用的案例。

NXP iMX6芯片具有商业级、工业级以及车规级等多种规格可选，产品上市已有7～8年，在全球车载市场拥有广泛的客户，并在许多工业和车载项目中得到成功应用，且通过各类抗干扰的严格测试。

2.2 各组成部分及功能实现

智能终端硬件包括CPU、PMU、DDR3和eMMC组成的最小系统，具有SPI、I2C、RS485、RS232和Ethernet等通信接口，如图2所示。

图2 硬件原理框图

2.3 主要技术指标

主要技术指标如下：

(1) ARM Cortex A7 架构单核CPU。

(2) 主频528 MHz。

(3) 512MB LvDDR3。

(4) 4GB eMMC。

(5) 内置硬件看门狗。

(6) 1路全双工RS485接口与下位机通信，1路半双工RS485接口与上位机通信。

(7) 1路Reset。

(8) 1路外置USB接口。

(9) 1路标准CAN接口。

(10) 支持10/100M自适应有线网络，4G全网通。

(11) 1路LVDS接口支持10.1寸大屏显示。

(12) 1路I2C接口支持电容式触摸屏。

(13) 采用嵌入式Linux-QT系统。

(14) 运行温度在-20 ℃～70 ℃。

(15) 2个看门狗定时器。

2.4 主要电路设计

1)主板设计

本系统在高压柜中采用了低功耗、高抗干扰的主控芯片iMX6UL CPU和STM32F103系列为核心，加上外围辅助电路构成。通过SPI接口与下位机进行通信和测量，实现测量数据的存储、与外部设备通信，以及通过LCD显示必要的信息。外围电路由电源、晶振、CAN通信接口、LCD液晶显示屏、JTAG程序调试及下载接口组。主板设计如图3所示。

图3 主板设计图

2)输入输出接口设计

终端的输入输出接口比较多，主要分为采集和通信两类，采集接口包括电量信号直接采集和通信信号以及语音输入信号。

信号直接采集部分增加了信号转换、滤波和隔离设计，提高了抗干扰能力和电路保护，电路图如图4所示。

根据未来扩展需求，系统需要有两路开关量输出留作备用。

图4 信号抗干扰电路图

故预留开关量输出接口供后期扩展用,开关量输出用常规的NPN三极管实现采样算法采取多次自适应最小二乘的模式，较好地保证采样的精度和速度[1-2]。

3)显示接口设计

触屏显示面板采用10寸彩色触摸屏，分辨率1 024×800，显示A、B、C三相电压、电流、温度、湿度、隔离刀闸的位置状态、分合闸状态和微机保护状态等信息(隔离计数、断路器计数、接地计数)。各类仪表的表头显示及操作界面如图5所示。

3 智能终端软件设计

3.1 软件架构

本终端选取了嵌入式Linux作为软件操作系统，程序不需要直接和硬件进行交互，最大限度地发挥了系统资源的使用效率,合理地组织工作流程,使得系统资源能为多处理任务共享。所选取的嵌入式Linux操作系统的结构是层次化的，由于内核具有独特的内核模块机制，因此可以根据需要，实时将某些模块插入到内核中或者从内核中移走，并能根据嵌入式设备的个性需要量体裁衣。经过裁剪的Linux内核可以很小，并且内核完全开放，不存在黑箱风险，与传统的实时操作系统相比(RTOS)，采用嵌入式 Linux 这样的开放源码的操作系统的另外一个好处是Linux会比RTOS的供应商更快地支持新的IP协议和其他协议。用于 Linux 的设备驱动程序要比用于商业操作系统的设备驱动程序多,如网络接口卡(NIC)驱动程序以及并口和串口驱动程序。嵌入式Linux操作系统可应用于多种硬件平台Linux可支持X86、PowerPC、ARM、XSCALE、MIPS、SH、68K、Alpha和SPARC等多种体系结构，操作系统采用一个统一的框架对硬件进行管理，软件架构图如图6所示，同时从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用无关，为后期的改型和移植提供了先天的便利优势[3]。

图5 仪表显示电路图

图6 软件架构图

智能终端采用了QT作为图形界面的基础，Qt是一种基于C++的跨平台图形用户界面应用程序开发框架。对于本文中使用的是Qt的Embedded Linux 分支平台，它是在原始 Qt 开发框架的基础上，做了许多出色的调整以适合嵌入式环境。Qt/E是一个专门为小型设备提供图形用户界面的应用框架和窗口系统，提供了丰富的窗口小部件，并且还支持窗口部件的定制，因此它可以为用户定制提供美观的图形界面。同时Qt/E删除掉了一些与嵌入式无关的Lib库，使其相对传统版本来说更加节省嵌入式平台的硬件开支。Qt/E 的良好封装机制使得 Qt/E 的模块化程度非常高，可重用性较好，对于用户开发来说非常方便。 Qt/E 提供了一种称为 signals/slots 的安全类型来替代 callback，这使得各个元件之间的协同工作变得十分简单。软件开发选用了Qt Creator，它是用于Qt/E开发的轻量级跨平台集成开发环境[3-4]。

3.2 软件设计

本终端系统软件的主要功能是开发一款智能化集成仪表，将高压开关柜面板布置，配合柜体内部执行元件，实现触屏控制、柜内数据的智能采集、显示、传输和集成。实现简洁操作及自动识别的可靠控制，满足测量数据的存储，与外部设备通信，以及通过LCD显示相关的信息。工作流程如图7所示。

4 结束语

KC-500一体化控制智能终端适用于35 kV及以下电压等级的交流金属封闭式开关设备。它具有数据在线监测、控制、综合保护和数据传输等功能。该智能终端研发成功具有革命性的意义，因为它不仅很好解决了传统开关柜功能零碎、配件众多、设计重复、线路复杂和生产维护繁琐等问题，而且该终端能与大数据平台无缝对接，实现开关设备数据的实时监测、故障预警和故障智能分析等功能。它的研发成功和广泛应用，不仅很大程度提高了电力开关设备自身的安全性和可靠性，也为国家智慧电网的建设提供了强有力的保障。

图7 工作流程图