信號電源測控終端的製作方法
2023-05-24 21:48:11 1
專利名稱：信號電源測控終端的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種配電系統的監控終端。
背景技術：
設計信號電源測控終端RTU常見的方法，是採用工業控制計算機，擴展測控硬體接口電 路。這種方法具有設計周期短、擴展性好，開發方便的優點，但是設計的RTU成本高，體積 大，耗電大。採用80C196等單片機或DSP設計RTU，側重於實現遠動終端的基本功能，由 於單片機的運算處理和硬體擴展等能力較低，影響RTU的性能。採用uC/OS-II設計遠動終 端，實現遠動終端的基本功能，側重於交流採樣功能的實現，但是沒有支持網絡協議，也沒 有遠動終端上協議的實現。
而基於ARM處理器設計的RTU，硬體上具有成本低，體積小，耗電省，處理能力強等 優點；軟體上由於採用uClinux作業系統，有許多優秀的應用程式成果可以利用。正是由於 這些優勢，採用ARM和uClinux設計遠動終端已經成為一個熱點。uClinux開放原始碼、具 有完備的作業系統功能、對硬體資源要求不高。應用ARM-uCinux設計的系統，在體積、成 本、功耗、功能等方面具有綜合的優勢。這一技術在遠動領域有一定的應用前景，但是以往 主要採用臺式計算機設計的系統。
發明內容
本實用新型的目的是針對目前存在的問題，提供一種新的嵌入系統的信號電源測控終端。
針對以上目的，本實用新型採用的技術路線是包括以下模塊電源模塊、主板模塊、 遙信模塊、遙控模塊、遙測模塊，各模塊以母板總線為接口基礎；主板模塊包括嵌入式ARM 處理器、FLSAH存儲器、內存、串口、嵌入式實時作業系統、母板總線驅動電路；遙控和遙 信模塊由母板總線直接擴展；母板總線上擴展CAN總線通信模塊，通過CAN和遙測模塊通信。
以ARM處理器和uClinux作業系統為基礎採用嵌入式系統設計一種小的遠動終端，主 CPU模塊採用32位高性能嵌入式ARM處理器，應用軟體基於嵌入式實時多任務作業系統 ucLirmx，數據採集與處理採用DSP技術，多CPU分工明確，協調合作，很好的保證了遠動系 統測量、錄波原始數據的準確性和完整性；硬體上信號電源測控終端的核心部分是計算機，包括處理器、存儲器、人機接口等，為了執行遠動終端的測控功能，需要擴展大量外圍接口 電路。不同變電所的測控對象數量差別很大，為了提高遠動終端的通用性，本實用新型採用 測控電路模塊化、多微處理器的層疊工業控制板結構，實現不同通訊組網方式；採用全封閉 隱藏式安裝機箱結構，美觀實用；多層板表面貼裝設計使得系統功能擴展非常方便，同時可 靠性和EMC設計非常全面，設備的電磁兼容性各項性能均達到IEC標準規定的要求。 信號電源測控終端FTU具有以下特點
(1) 採用模塊化設計，各功能單元的數量可以根據現場情況，方便的擴展。
(2) 主處理器採用32位微處理器，處理速度快。採用嵌入式作業系統，性能穩定，功
能強大，網絡功能豐富。
(3) 交流採樣單元採用先進的DSP技術，14位高性能AD轉換器。實時採集與分析電網 波形，記錄故障波形數據。
(4) 通訊部分適合多種網絡形式，如乙太網、鐵路專線等，同時通訊媒介可選光纖、同 軸電纜、屏蔽雙絞線。
(5) 採用歐式標準機箱，安裝維護方便，電磁兼容性能好。
(6) 採用標準的現場總線技術，可以根據需要擴展現場總線設備。
(7) 系統採用了抗幹擾設計，WATCH DOG實現死機自復位功能，系統可靠性高。
(8) 具有強大的當地監視遙信、遙測、事件記錄、通信報文、故障波形記錄的功能。當 地通過網口或者串口，可以方便的獲取裝置中的各種數據文件。
(9) 採用標準的通訊規約IEC870-5-101和IEC870-5-104協議。 信號電源測控終端FTU具有以下功能
(1) 測量功能
基本配置8路輸入電壓，8路輸入電流。A/D轉換精度不低於0.W，並在輸人接口採 取了一定的抗幹擾及隔離措施。可以測量的電量包括貫通、自閉兩條線路的所有三相交流電 量，即三相線電壓、相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率等。
(2) 開關狀態監視
遙信基本配置15路輸入。可以方便的配置為30路或45路輸入。遙信輸入採用無源接 點方式，遙信電源為DC48V (可根據現場實際情況進行變換)。在輸入接口採取了光電隔離措 施及防止監視對象接點抖動幹擾的手段。SOE的解析度為5ms(毫秒)，可以精確地對開關順序 記錄，進行故障分析、事故追憶。
(3) 遙控功能
基本配置為IO路繼電器控制輸出(DO)，實現遠動控制。可以方便地配置為20路。接點輸出容量為250VAC 5A，輸出接點閉合時間為100ms 20s連續可調，並在輸出接口採取光電 隔離措施。輸出接點可以獨立使用，也可以組成合/分閘對使用。採用遙控信號輸出保證措施， 確保控制輸出可靠無誤。
(4) 事件記錄與錄波
可以將開關動作、參數越限設定為觸發條件，觸發條件成立，將進行事件記錄或波形記錄。
事件記錄將觸發的時刻、事件類型、相關參數、狀態一併記錄存儲。 波形記錄會將觸發時刻、觸發點前5個周期、觸發點後5個周期的各通道的波形真實地 記錄下來。
自動記錄數據後，可實現自動上傳數據或人工召取。
(5) 通訊功能
基本配置中有2個標準的RS232接口， 一個用於維護的通訊口， 一個網絡通訊接口。 三個串口均支持19.2Kbps的通訊速率，兩個標準的RS232 口可以同時進行兩個方向的通 訊傳輸。各串口的通訊波特率，可以根據需要軟體設置，波特率最高可達115.2Kbps。 支持IEC870-5-101和IEC870-5-104通訊規約。 網口還支持FTP文件傳輸。
圖1信號電源測控終端總體結構框圖
圖2主板電路組成框圖
圖3 CAN總線模塊電路原理圖
圖4遙信輸入原理圖
圖5遙控電路原理圖
圖6遙測模塊電路框圖
圖7遙測電流、電壓測量輸入電路
圖8各板卡安裝順序圖
具體實施方式
附圖l中，各種電路按功能設計成相應模塊，以母板總線為接口基礎。 主板模塊以S3C4510B為核心。主要配置是16M字節動態隨機存儲器SDRAM (兩片 HY57V651620B)， 2M字節的FLASH (—片AM29LV160DB);處理器內部集成的兩個異步串行通信接口，串口0和串口1; 一個10M乙太網接口；看門狗與復位電路(MAX706); RTU母板總
線驅動電路。
串口0作為控制臺，用於調試；串口 1接LCD顯示屏和觸控螢幕，實現當地監控的人機界面。
測控接口電路，主要有遙控模塊、遙信模塊(開關量採集)和遙測模塊(模擬量採集)。
遙控和搖信模塊由母板總線直接擴展。遙測模塊採用現場總線(CAN)通信接口。為此在RTU 母板總線上擴展CAN總線通信模塊，實現和遙測模塊的通信。
串口模塊(晶片PC16C550)從母板總線上擴展。用該模塊連接數據機(Modem),實 現RTU遠程通信。
RTU母板總線是測控硬體模塊擴展的基礎，又是處理器總線上的一個外設接口。 為便於模塊的擴展，RTU母板總線定義如下
數據總線H-D0 H-D7;地址總線H-A0 H-A7;地址片選信號H-S0 H-S6;讀寫控制信 號H-WR和H-RD;地址鎖存控制信號H-ALE;中斷服務請求控制信號H-INT0 H-INT3;復位 信號H-RESET 。
使用處理器的如下總線信號驅動RTU母板總線地址總線AO-All，數據總線D0-D7。讀 使能控制信號nOE,寫使能控制信號n冊EO，外設(I/O)地址片選信號nECSO。'以及4根中 斷控制信號線nlNREQ0 nlNREQ3。
為兼容測控接口電路較常用的器件，母板總線按照5V的TTL電平設計。4510B總線是3. 3V 的CMOS電平。處理器總線與RTU母板總線，存在速度和電平上的差別，不能直接相連，之間 需要一個總線驅動電路。總線驅動電路是主板模塊的一部分。它實現處理器總線到RTU母板 總線的擴展、電平轉換和驅動。本技術採用雙電源供電的雙向總線緩衝器74LVX4245，實現 處理器數據總線與RTU數據總線之間的電平轉換和驅動。
一些常用的晶片，如CAN總線控制器SJAIOOO，時鐘晶片DS12887等，內部帶一個地址 鎖存器，需要地址鎖存信號ALE，才能實現接口。 S3C4510B沒有ALE信號，所以母板總線擴 展ALE信號，才能實現這類器件的接口。將U1的一個地址片選信號S7取反，寫數據到S7地 址，可以模擬出ALE控制信號，並實現ALE的功能。
附圖2中，主板是以ARM處理器為核心，配置了相應的外圍器件。ARM處理器為核心的 電路結構是經過驗證的成熟可靠的方法，在此基礎上，由內部總線擴展了母板總線驅動電路， 另外擴展了看門狗電路以及其它的輔助電路。
附圖3中，CAN總線模塊以SJA1000為核心，通信數據經高速光電耦合器G1、 G2隔離，
82C250驅動，從接線端子J2連接到外部CAN總線。Pl是1W的5V轉5V.的DC/DC電源模塊。CAN模塊使用了 H-S0作為片選信號，它的基地址是0x3600000。 SJA1000總線兼容TTL電平， 數據總線和中斷信號線有驅動能力，可以直接和母板總線接口，從RTU母板總線上擴展測控 電路簡單方便。
附圖4中，遙信模塊實現各種開關量輸入採集的硬體電路。它的主要功能是開關信號的 輸入電氣隔離與信號電平變換，並對輸入信號進行適當的濾波，減少信號抖動。輸入信號的 賦值範圍40r220V，具體閾值的大小根據現場遙信電壓值由硬體設定。隔離器件採用光電耦 合器TLP521-4，隔離電壓可以達到2500VRMS。單個模塊的輸入遙信數量15路。15路光電耦 合器採用共陰極接法。光電耦合器輸入端反並聯了保護二極體。
附圖5中，遙控的執行部件是繼電器，繼電器的觸點是遙控性能的一個重要參數。遙控 輸出觸點容量要求0.5A/240Vac， lA/110Vdc。每個模塊遙控輸出路數10路。型號 G2R-1A-E-TU-5。該型號的繼電器具有體積小，觸點容量大的優點。電子接口部分採用CPLD (EMP7128SLL84)實現。
執行控制電路是4個串連的繼電器S廣S4觸點。只有當S1 S4的輸出滿足1010邏輯的時 候，節點b才能獲得12V輸出電源。在無動作情況下，b點電壓總是等於O。 Kl、 K2是輸出 繼電器，控制外部開關的開合狀態，無動作時，它們處於常開狀態。節點FD1、 FD2狀態作為 節點Nxl、 Nx2的反送檢驗信號。這一方式使得遙控過程分為兩個步驟選擇和執行。執行繼 電器S(S廣S4)，選擇繼電器K (KnaO)。初始狀態，S=0101， T2無論為何值，由於K1線圈 沒有電源，輸出接點不動作。程序由總線接口邏輯電路的鎖存器給T2 —個控制狀態信號T2C， T2控制節點Nxl的電平，Rxl是上拉電阻。T2的狀態等效於Nx的電平。Nxl電平信號，經過 R3、 R4電平變換，得到FD1，輸入到總線接口電路，程序讀取這一反饋信號電平。
附圖6中，遙測模塊實現三相交流電量的交流採樣。遙測模塊以DSP為核心，擴展14位 模數AD轉換晶片MAX125CCAX, CAN總線驅動晶片，以及其它外圍器件。DSP採用定時器中斷 程序操作MAX125採集電網波形數據。經過計算得到電網電量，當前後兩次測量值之差大於某 設定閾值，則生成一個數據，帶時標存儲到事件順序記錄數組中。主板和遙測板通過CAN總 線對時。採用這一方法，減少數據傳送量，減少CAN總線數據傳輸峰值帶寬的要求，有利於 降低程序設計的難度。
附圖7，遙測電流、電壓測量輸入電路中R19將龜流互感器的輸出電流轉換為電壓，D5、 D6是反向串連的5V穩壓極管，使輸出電壓在一次測浪湧電流下，不會超過5.7V。電壓測量 是採用電流互感器方式，R14是分壓電阻，實際工作中，R14承擔路的主要電壓，可以忽略互 感器PT1的壓降，因此R14的電流線性正比於輸電壓。通過R20將電流轉換為電壓，輸出電 壓即和被測電壓有很好的比例。為了方便使用，將各個模塊做成相應的板卡，安裝在一個8槽的機籠內，稱為FTU測控 單元。依圖8，各種板卡安裝順序依次為空板、電源板、主板、遙信YX板、遙控YK板、空 板、遙測YC1和YC2板。
權利要求1、信號電源測控終端，其特徵為包括以下模塊電源模塊、主板模塊、遙信模塊、遙控模塊、遙測模塊，各模塊以母板總線為接口基礎；主板模塊包括嵌入式ARM處理器、FLSAH存儲器、內存、串口、嵌入式實時作業系統、母板總線驅動電路；遙控和遙信模塊由母板總線直接擴展；母板總線上擴展CAN總線通信模塊，通過CAN和遙測模塊通信。
2、 根據權利要求l所述的信號電源測控終端，其特徵為所述的母板總線擴展有串口模塊， 在該串口模塊上連接有數據機。
3、 根據權利要求1或2所述的信號電源測控終端，其特徵為所述的母板總線定義如下數據總線H-D0 H-D7;地址總線H-A0 H-A7;地址片選信號H-S0 H-S6;讀寫控制信號 H-WR和H-RD;地址鎖存控制信號H-ALE;中斷服務請求控制信號H-INT0 H-INT3;復位 信號H-RESET 。
4、 根據權利要求r或2所述的信號電源測控終端，其特徵為所述的遙信模塊的隔離器件採 用光電耦合器，^各光電耦合器採用共陰極接法，光電耦合器輸入端反並聯了保護二極體。
5、 根據權利要求1或2所述的信號電源測控終端，其特徵為遙控模塊的執行部件是繼電器， 電子接口部分採用CPLD實現。
6、 根據權利要求1或2所述的信號電源測控終端，其特徵為所述的遙測模塊採用DSP技術， 包括A/D轉換器。
7、 根據權利要求1或2所述的信號電源測控終端，其特徵為所述的電源模塊、主板模塊、 遙信模塊、遙控模塊、遙信模塊由對應的板卡組成，即電源卡、主板卡、遙信卡、遙控卡、 遙測卡。
8、 根據權利要求7所述的信號電源測控終端，其特徵為所述的各板卡被安裝在一個機籠內。
專利摘要本實用新型涉及一種配電系統的監控終端，它是以ARM處理器和uClinux作業系統為基礎採用嵌入式系統設計一種小的遠動終端。採用模塊化、多微處理器的層疊工業控制板結構，實現不同通訊組網方式。它包括幾大模塊電源模塊、主板模塊、遙信模塊、遙控模塊、遙測模塊組成，可以應用於鐵路的遠動系統中，實現對鐵路中貫通、自閉兩大電路的控制。除此之外它其能夠實現的功能還包括測量功能，開關狀態監視、遙控功能、事件記錄與錄波功能、通訊功能等。
文檔編號H02J13/00GK201312143SQ20082017879
公開日2009年9月16日 申請日期2008年11月14日 優先權日2008年11月14日
發明者楊國華, 樊江濤, 費遠鵬 申請人:北京太格時代自動化系統設備有限公司