基于SCM701的电力数据采集终端设计

张小龙，程 鑫，王 勇

（安徽南瑞中天电力电子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

按国家发展和改革委员会、国家能源局、工业和信息化部联合发布的《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》相关要求，结合采集系统的建设现状，采集系统将向云计算、大数据+计量、清洁能源互动化、采集系统共享复用等方向发展，为此要求电力数据采集终端（以下简称“采集终端”）应满足相应系统发展要求，适应“大云物移”的发展方向。现有的采集终端设备结构单一、功能配置固定、资源配置偏低，难以满足各种采集现场的个性化安装及使用要求，采集终端设备面临着升级换代的问题。

1 需求分析

通过总结当前采集终端功能应用情况和应用经验，分析应用中的不足，制定新一代采集终端需求如下：

（1）硬件功能可扩展：根据不同的应用需求，设计各类应用模块，不同规格的模块以统一接口方式连接，形成适应不同业务需求的终端，实现采集功能；

（2）管理统一化：采用统一操作系统为平台，方便管理采集终端文件系统及各应用接口，实现统一管控；

（3）业务软件可升级：充分利用面向对象的抽象性、封装性、继承性和多态性等特性，使系统易于维护、便于扩展、可升级。

2 硬件设计

针对以上需求，面向未来应用，融合业界成熟的新技术，提出新型用电信息采集终端“模块化、平台化”设计思路，包含主控、加密、时钟、蓝牙通信、电源控制、交流采样、以太网、USB、按键、LED指示、液晶显示，支持热插拔更换的模块有HPLC模块、4G模块、控制模块、485模块和备用模块，其中备用模块可以根据用户自身需求灵活配置，以实现个性化功能。硬件架构如图1所示。

图1 硬件架构

2.1 主控单元

主控单元是采集终端的“大脑”，负责系统的逻辑运算、数据分析存储及控制指令。处理器采用国产芯片SCM701，该芯片是以ARM Cortex-A7为内核的4核工业级处理器，主频最高可达1.2 GHz，外设接口支持SATA2.0、8路UART、4路SPI/5通道IC接口；网络接口支持接入WiFi/3G/4G网络，支持千兆+百兆双网口同时工作，支持两路USB 2.0 Host、1路OTG，丰富的设备接口与模块化设计要求吻合。

2.2 控制模块

控制模块接收主控单元的控制命令，对外部设备进行拉合闸操作。控制单元采用国产32位MCU，这款MCU的内核是ARM公司出品的Cortex-M0，具有较强的运算处理能力和丰富的片上外设。控制模块的运行可靠性要求很高，为确保拉合闸操作准确，控制单元对合闸进行完备的闭环检测，并使用逻辑方式，结合软件算法防止电磁干扰带来的误动。图2为控制模块拉合闸闭环检测电路。

图2 拉合闸闭环检测电路

2.3 4G模块

为确保在寒冷地区SIM卡可以正常通信，4G模块增加SIM卡预热电路，通过读取运行环境温度采取相应措施。当环境温度低于-20 ℃时，开启SIM卡预热电路，当环境温度达到-20 ℃以上时，关闭加热电路，此举可有效保证采集终端在极寒条件下的4G通信稳定性。图3为4G模块SIM卡预热电路，通过三极管Q完成加热电路的开启和关闭，实现方式简单，成本低，性能可靠。

图3 SIM卡预热电路

2.4 交流采样电路

采集终端不是法定计量器具，其交采采样数据不用于电费结算，但在实际应用中，其采样数据对台区线损治理、计量参考等具有重要意义，因此对终端的计量精度也提出较高要求。本设计方案中采用珠海炬泉出品的三相计量芯片ATT7022E，该芯片是三相多功能防窃电电能专业计量芯片，集成了七路二阶sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样；输出采样数据和有效值，芯片本身特性配合合适的外围电路，可以实现0.5级精度的电能计量，满足实际应用需求。在设计中，为避免电压采样电阻网络发热引起计量误差，电阻网络的电阻封装选择1206，大焊盘利于散热，阻值选型经过计算留有充足的余量，并在PCB LAYOUT时合理布局，避免密度过大引起局部热量聚集，造成电阻阻值漂移。交流采样电阻网络如图4所示。

图4 交流采样电阻网络

3 操作系统及固件设计

3.1 操作系统移植

操作系统性能指标：

（1）进程创建平均时长小于1 ms；

（2）进程删除平均时长小于1 ms；

（3）从上电到进入登录界面的平均时长小于 1 min；

（4）本地管道通信平均延时应小于80 ms；

（5）信号量平均延时应小于300 μs；

（6）内存连续读写平均时延应小于300 ns；

（7）内存随机访问平均时延应小于500 ns；

（8）安装容器平均时长应小于30 s；

（9）卸载容器平均时长应小于10 s；

（10）安装应用软件平均时长应小于30 s。

3.2 HAL层设计

为降低开发复杂度与移植难度，本设计采用层次化设计方法，引入HAL层（硬件抽象层），将操作系统划分出一个可直接与硬件通信的层次，隐藏不同硬件设备的具体实现细节，为各类应用软件提供标准化硬件驱动接口。然后为其上层提供抽象支持，下层通过API的形式向上层提供服务。上层在进行硬件操作时，无需了解设备的具体细节，层次化设计大大降低了系统理解和开发复杂度。

以LED模块为例，给出了HAL 模块代码示例和HAL接口调用示例。

HAL模块部分代码：

4 应用设计

应用基于嵌入式操作系统，采集终端的功能应用划分为基础APP、高级业务APP、边缘计算APP。

（1）基础APP是高级业务APP的共用部分，包括系统管理、数据中心、无线远程拨号管理、本地抄表模块管理、模组管理器等。

（2）高级业务APP，基于基础APP结合业务自身逻辑实现，包括居民家庭用能管理、大用户用能管理、电动汽车有序充电、分布式能源管理、企业能效管理、台区智能监测等。

（3）边缘计算APP，基于业务APP实现，是对业务APP的扩展应用。

5 实验验证

为全面验证该型采集终端的性能，针对该设计开展了两个阶段的验证：实验室验证和现场试运行验证，现场试运行验证在实验室验证满足要求后开展，通过两个阶段实验的验证结果表明，该型终端在功能和性能上完全满足标准要求，部分性能超出标准要求。

5.1 实验室验证

依据国家标准和国家电网企业标准共开展各类检测项目共计40余项，试验项目涵盖电气性能、电磁兼容、环境影响、机械性能和功能，我们从中抽取功率消耗试验和数据传输试验的结果向大家展示。表1所列为功率消耗实验结果，可以看出，该型采集终端的有功功率消耗相当于技术要求的1/4，远远高于标准的技术要求，这也符合我国低碳发展的要求。

表1 功率消耗试验

该型采集终端数据传输信道的各项性能指标测试结果如图5所示，发现采集终端的该项指标高于标准的技术要求，尤其是终端带载能力中的纹波电压远远高于指标要求，也从另一方面说明终端供电电源的质量较高，为终端未来现场持续稳定运行提供了有力保障。

图5 数据传输信道试验

5.2 现场试运行

选取××城市的5个小区10个台区作为试点，经过长达3个月的运行，整机运行稳定，产品在通信速度、通信稳定性等方面表现出良好性能，具有较好的推广价值。

6 结 语

通过大量验证结果表明，基于SCM701的采集终端采用软件APP化、硬件模组化的设计思路，使得该产品具有极大的灵活性，能够适应不同的应用场景，用户可以根据自身需求灵活选择硬件模块和安装相应功能APP，提升产品的通用性。该型采集终端在现场经过长期运行，各方面展现出的性能指标相比之前的终端有较大提升，具有较好的推广价值，为用电信息采集设备的发展提供了一种思路，但对一些具体的算法研究还需进一步优化。