基于SCM701的電力數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

摘 要 ：為解決現(xiàn)有電力數(shù)據(jù)采集終端采集速度慢、功能擴(kuò)展差的問題，提出了一種基于 SCM701 的電力數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)方案。該方案以新一代自主研發(fā)的 SCM701 型處理器為管理核心，以操作系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)，以獨(dú)立應(yīng)用為支撐，以硬件模塊化、軟件功能 APP 化為設(shè)計(jì)思路。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室大量試驗(yàn)和現(xiàn)場長時(shí)間運(yùn)行表明，基于該方案設(shè)計(jì)的采集終端采集速率和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性均有較大提升，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可根據(jù)現(xiàn)場用戶需求，靈活配置硬件功能模塊和軟件應(yīng)用 APP，大大降低了現(xiàn)場運(yùn)維成本，是新一代電力數(shù)據(jù)采集終端面向未來需求的一種較好發(fā)展方向。

0 引 言

按國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》相關(guān)要求[1-3]，結(jié)合采集系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀，采集系統(tǒng)將向云計(jì)算、大數(shù)據(jù)+計(jì)量、清潔能源互動(dòng)化、采集系統(tǒng)共享復(fù)用等方向發(fā)展[4-5]，為此要求電力數(shù)據(jù)采集終端（以下簡稱“采集終端”）應(yīng)滿足相應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展要求，適應(yīng)“大云物移”的發(fā)展方向。現(xiàn)有的采集終端設(shè)備結(jié)構(gòu)單一、功能配置固定、資源配置偏低，難以滿足各種采集現(xiàn)場的個(gè)性化安裝及使用要求，采集終端設(shè)備面臨著升級換代的問題[6-9]。

1 需求分析

通過總結(jié)當(dāng)前采集終端功能應(yīng)用情況和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[10-12]，分析應(yīng)用中的不足，制定新一代采集終端需求如下：

（1）硬件功能可擴(kuò)展：根據(jù)不同的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)各類應(yīng)用模塊，不同規(guī)格的模塊以統(tǒng)一接口方式連接，形成適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求的終端，實(shí)現(xiàn)采集功能；

（2）管理統(tǒng)一化：采用統(tǒng)一操作系統(tǒng)為平臺，方便管理采集終端文件系統(tǒng)及各應(yīng)用接口，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管控；

（3）業(yè)務(wù)軟件可升級：充分利用面向?qū)ο蟮某橄笮?/span>、封裝性、繼承性和多態(tài)性等特性，使系統(tǒng)易于維護(hù)、便于擴(kuò)展、可升級。

2 硬件設(shè)計(jì)

針對以上需求,面向未來應(yīng)用,融合業(yè)界成熟的新技術(shù),提出新型用電信息采集終端“模塊化、平臺化”設(shè)計(jì)思路，包含主控、加密、時(shí)鐘、藍(lán)牙通信、電源控制、交流采樣、以太網(wǎng)、USB、按鍵、LED指示、液晶顯示，支持熱插拔更換的模塊有HPLC模塊、4G模塊、控制模塊、485模塊和備用模塊，其中備用模塊可以根據(jù)用戶自身需求靈活配置，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化功能。硬件架構(gòu)如圖1所示。

2.1 主控單元

2.3 4G 模塊

為確保在寒冷地區(qū)SIM卡可以正常通信，4G模塊增加SIM卡預(yù)熱電路，通過讀取運(yùn)行環(huán)境溫度采取相應(yīng)措施。當(dāng)環(huán)境溫度低-20 ℃時(shí)，開啟SIM卡預(yù)熱電路，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 -20 ℃以上時(shí)，關(guān)閉加熱電路，此舉可有效保證采集終端在極寒條件下的4G通信穩(wěn)定性。圖3為4G模塊SIM卡預(yù)熱電路，通過三極管Q7完成加熱電路的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)方式簡單，成本低，性能可靠。

2.4 交流采樣電路

采集終端不是法定計(jì)量器具，其交采采樣數(shù)據(jù)不用于電費(fèi)結(jié)算，但在實(shí)際應(yīng)用中，其采樣數(shù)據(jù)對臺區(qū)線損治理、計(jì)量參考等具有重要意義，因此對終端的計(jì)量精度也提出較高要求。本設(shè)計(jì)方案中采用珠海炬泉出品的三相計(jì)量芯片ATT7022E，該芯片是三相多功能防竊電電能專業(yè)計(jì)量芯片，集成了七路二階 sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣 ；輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，芯片本身特性配合合適的外圍電路，可以實(shí)現(xiàn)0.5級精度的電能計(jì)量，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。在設(shè)計(jì)中，為避免電壓采樣電阻網(wǎng)絡(luò)發(fā)熱引起計(jì)量誤差，電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻封裝選擇1206，大焊盤利于散熱，阻值選型經(jīng)過計(jì)算留有充足的余量，并在 PCB LAYOUT時(shí)合理布局，避免密度過大引起局部熱量聚集，造成電阻阻值漂移。交流采樣電阻網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)

應(yīng)用基于嵌入式操作系統(tǒng)，采集終端的功能應(yīng)用劃分為基礎(chǔ)APP、高級業(yè)務(wù)APP、邊緣計(jì)算APP。

（1）基礎(chǔ)APP是高級業(yè)務(wù)APP的共用部分，包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)中心、無線遠(yuǎn)程撥號管理、本地抄表模塊管理、模組管理器等。

（2）高級業(yè)務(wù)APP，基于基礎(chǔ)APP結(jié)合業(yè)務(wù)自身邏輯實(shí)現(xiàn)，包括居民家庭用能管理、大用戶用能管理、電動(dòng)汽車有序充電、分布式能源管理、企業(yè)能效管理、臺區(qū)智能監(jiān)測等。

（3）邊緣計(jì)算APP，基于業(yè)務(wù)APP實(shí)現(xiàn)，是對業(yè)務(wù)APP的擴(kuò)展應(yīng)用。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為全面驗(yàn)證該型采集終端的性能，針對該設(shè)計(jì)開展了兩個(gè)階段的驗(yàn)證 ：實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和現(xiàn)場試運(yùn)行驗(yàn)證，現(xiàn)場試運(yùn)行驗(yàn)證在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證滿足要求后開展，通過兩個(gè)階段實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果表明，該型終端在功能和性能上完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，部分性能超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共開展各類檢測項(xiàng)目共計(jì)40余項(xiàng)，試驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋電氣性能、電磁兼容、環(huán)境影響、機(jī)械性能和功能，我們從中抽取功率消耗試驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)的結(jié)果向大家展示。表1所列為功率消耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，該型采集終端的有功功率消耗相當(dāng)于技術(shù)要求的1/4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，這也符合我國低碳發(fā)展的要求。

該型采集終端數(shù)據(jù)傳輸信道的各項(xiàng)性能指標(biāo)測試結(jié)果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)采集終端的該項(xiàng)指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，尤其是終端帶載能力中的紋波電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于指標(biāo)要求，也從另一方面說明終端供電電源的質(zhì)量較高，為終端未來現(xiàn)場持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

5.2 現(xiàn)場試運(yùn)行

選取××城市的5個(gè)小區(qū)10個(gè)臺區(qū)作為試點(diǎn)，經(jīng)過長達(dá)3個(gè)月的運(yùn)行，整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品在通信速度、通信穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出良好性能，具有較好的推廣價(jià)值。

6 結(jié) 語

通過大量驗(yàn)證結(jié)果表明，基于 SCM701 的采集終端采用軟件 APP 化、硬件模組化的設(shè)計(jì)思路，使得該產(chǎn)品具有極大的靈活性，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，用戶可以根據(jù)自身需求靈活選擇硬件模塊和安裝相應(yīng)功能 APP，提升產(chǎn)品的通用性。該型采集終端在現(xiàn)場經(jīng)過長期運(yùn)行，各方面展現(xiàn)出的性能指標(biāo)相比之前的終端有較大提升，具有較好的推廣價(jià)值，為用電信息采集設(shè)備的發(fā)展提供了一種思路，但對一些具體的算法研究還需進(jìn)一步優(yōu)化。

審核編輯 ：李倩