一种国产化改造的电压监测终端

杨明冬

（南京易司拓电力科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

电压质量是衡量电能质量的指标之一，对电网稳定和电力设备安全运行具有重大影响。根据国家电力监管委员会和国家电网有限公司（以下简称“国网”）要求，对A类（变电站10 kV母线）、B类（35 kV及以上专线用户）、C类（非专线用户和10 kV用户）以及D类（低压台区）开展电压合格率监测，其中电压合格率应满足《电压监测仪使用技术条件》（DLT 500—2017）和《国网电压监测装置技术规范》（Q/GDW 1819—2013）特定功能规范的监测要求。中国南方电网有限责任公司规定各省供电电压需符合《供电监管办法》的要求。随着监测系统的数据应用和业务发展，2019年国网又出台了最新的标准和监测要求，发布《国网电压监测装置技术规范》（Q/GDW 1819—2019），要求各省梳理电网监测点，将电压监测工作推向了一个新高度[1-3]。

同时，国外芯片在安全性和市场供应方面存在极大隐患，而“缺芯潮”的到来导致设备芯片成本急剧上升。针对当前现状，亟需对电压监测终端进行国产化改造，在兼顾国产化要求的同时降低终端成本[4]。

1 电压监测终端功能原理

电压监测终端的功能模块主要包括采样模块、显示模块、数据统计模块、存储模块、加密模块以及主站通信模块，基本原理如图1所示。

图1 电压监测终端功能原理

第一，采样模块对被监测电压进行实时采样，每分钟统计1个数据点，取平均值作为被监测系统的即时运行电压。

第二，数据统计模块接收采样模块发送的电压、每分钟平均值数据，通过显示模块显示，并实时刷新电压小时统计、日统计、月统计、最大/最小值、出现时刻、超上限/下限率、超上限/下限时间以及电压合格率等数据，将统计数据项通过存储模块进行本地持久化存储。此外，统计模块发送各数据统计项和电压告警信息，用于主站通信模块主动上送数据[5,6]。

第三，主站通信模块依据不同的规约，通过无线4G或以太网通信方式将统计数据和统计告警信息加密后上报给主站系统，同时主站通信模块支持终端的远程升级和远程维护。

第四，存储模块采用yaffs2文件系统，以文件形式存储装置相关参数、统计数据以及日志等。

第五，终端集成了专用安全芯片，支持RSA、SM1、SM2算法，支持ISO7816接口和串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）通信。

2 国产化替代方案

设计选用的国产主控制器为基于兆易创新GD32F450系 列 微 控 制 单 元（Multi Control Unit，MCU）。该系列芯片基于 ARM®Cortex®-M4内核的32位通用微控制器，工作主频最高可达200 MHz，提供了完整的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）指令集、并行计算能力以及专用浮点运算单元（Floating Point Unit，FPU）来满足高级计算需求，具备超高的计算性能和良好的扩展性。它的RAM空间为512 kB，提供高达3 024 kB的片上FLASH。该芯片具有丰富的外设接口，包括模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、I2C、SPI、通用同步/异步串行接收/发送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）以及控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）等，同时芯片的工作温度范围为-40～+85 ℃（工业级）。综合分析表明，GD32F450系列MCU能够满足电压监测终端的计算能力、存储以及工作环境的需求。

在系统的外围电路芯片国产替代选型方面应兼顾硬件兼容性，尽量做到PIN2PIN替代，以减少硬件印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）的改动，缩短国产化改造周期。存储芯片选择W29N01HVSINA（华邦），存储容量为1 GB，电压范围为2.7～3.6 V，工业级，PIN2PIN替代。网络芯片选择CH9121（南京沁恒微），集成传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），可实现网络数据包和串口数据的双向透明传输，串口波特率最高可支持921 600 b/s，可通过上位机配置。看门狗选择SGM706（北京圣邦微），具有上电自动复位、手动复位以及低电压报警等功能。接口芯片选择UM232EESE（上海英联），具有高ESD保护和失效保护的单电源供电RS232收发器。实时时钟芯片选择SE8025TC，支持I2C总线的高速模式，宽范围接口电压为2.0～5.5 V，PIN2PIN替代。各外围电路芯片的国产替代关系见表1。

表1 终端芯片国产化替代

3 系统硬件设计

主板硬件整体设计如图2所示。

图2 电压监测终端硬件设计图

第一，系统MCU为兆易Cortex-M4系列的GD32F450，作为业界最高性能的Cortex-M4微控制器，同主频下的代码执行效率相比市场同类Cortex-M4产品提高10%～20%，并已全面超越Cortex-M3产品，性能提升超过40%。

第二，交流输入电源经开关电源产生主直流电源和副直流电源，分别为4.25 V和5 V。交流输入范围可达70～456 V，经电源转换芯片SP6205输出稳定的3.3 V电压，用于芯片的供电。在交流电断开情况下，装置自带的电池供电，经过电源转换芯片SP6205稳定输出3.3 V电压，提供整机的电源。此电池在断电情况下，用于备用电源、数据上传等[7,8]。

第三，采样模块电路的交流采样输入电压经过精密电阻和互感器等元器件，将大的交流信号转变为小的交流信号再进入采样芯片进行模数转换，通过USART口与主控制器通信。

第四，RTC芯片通过I2C接口与主控制器通信，为系统提供标准时钟，在装置不工作的情况下也能保持时钟不停止。

第五，系统通过USART口提供RS232串口通信通道，实现数据向外传输的硬件通道，支持串口与主站系统通信和串口升级等功能，利用光耦隔离电路实现分离。

第六，系统采用串口转以太网芯片方式实现以太网通信功能，同时通过串口与4G模块互通，实现4G远程通信功能。

第七，加密模块通过SPI总线与CPU进行数据传输，支撑终端与主站的加密通信。

第八，系统采用NAND FLASH作为存储部件，以文件形式存储装置相关参数、统计数据以及日志等。

4 系统软件设计

系统整体软件架构采用模块化、层次化以及可扩展等思路设计，依托MCU、FLASH、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）以及RS232等物理载体，基于开源实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）实现各应用功能。终端业务功能需求的实现由应用层直接调用相应驱动接口作为衔接，实现对物理接口的输入/输出（Input/Output，I/O）调用。系统为每个业务模块创建1个TASK，由操作系统负责统一调度。系统软件总体分层结构如图3所示。

图3 系统软件总体分层结构

考虑后续终端软件扩展性和平台可移植性，应用层应避免以各种形式直接调用底层驱动代码（包含操作系统的API）。系统应用层和底层必须以标准API接口进行交互，以防应用层系统在不同硬件平台间进行移植时出现不兼容问题[9,10]。

电压监测终端主要芯片由国产化产品替代，尤其是主控制器替代后，终端软件需要进行移植开发工作。由于终端国产化替代前的软件采用了严格的分层设计原则，应用层与驱动层之间耦合度较低，应用层部分无须进行适配性改造。软件的移植工作主要集中在驱动层开发，主要包括MCU各外围接口驱动，如USART接口、I2C接口、SPI接口、EXMC以及GPI0的重定义等。各外围接口驱动程序完成移植调试后，加载软件应用层代码进行整体联调，以便验证软件的各项功能和性能。

5 结 论

文章提出一种芯片国产化替代的电压监测终端，实现了芯片100%国产化替代。通过分析试验验证和现场实际运行效果，终端的各项功能与性能均达到了设计目标，满足国家标准和技术规范的要求。本次电压监测终端的国产化替代实践可以为类似系统的国产化提供参考，推进电力芯片国产化进程。