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                【应用案例】电力馈线终端设计方案

                FTU全名是馈线终端设备,是配电自动化系统中重要的监控设备。具有???、遥信,故障检测功能,并与配电自动化主站通信,提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息,包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电主站下发的命令,对配电设备进行调节和控制,实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能。

                FTU照片如下:

                图 1 FTU

                FTU硬件需要符合《DL/T721-2000 配电网自动化系统远方终端》标准,软件需要符合《IEC 60870-5-104:2009》传输规约。从以上2份标准和规约中可以提炼出FTU的3个关键实现技术点:1、遥信SOE分辨率需要达到1ms以内;2、软件协议要求数据采用文件系统存储方式,存储空间需求数量级在50M字节左右;3、要求最少2路以太网接口。

                以上3点中即有实时性要求,又有比较丰富的数据处理和通信能力要求,所以常规情况会采用MCU+MPU的方案,常规硬件方案框图如下:

                图 2 FTU框图

                下面我们就3个关键点逐一讨论FTU的MCU+MPU替代为AW280单核心方案的可行性:

                一、1ms的SOE分辨率:

                从电力自动化装置事件顺序记录过程来看,影响装置SOE分辨率的主要因素有事件处理时间和装置时间精度。事件处理时间取决于装置状态量处理方式及硬件处理速度;装置时间精度取决于装置时钟芯片的准确度及装置时钟处理方式。装置最佳状态量处理方式为中断响应方式,以保证状态量可打断其它任务以最高优先级立即执行。

                常规MPU运行的linux系统由于任务负载的不确定性,会导致中断响应时间的不确定性,这样就会造成装置状态量处理不及时,所以常规FTU方案中必须有一颗MCU运行的实时操作系统核心来处理状态量,以达到1ms以内的SOE分辨率。

                AW280核心板搭载的AWorks操作系统为实时操作系统,其中断处理方式和MCU中常用的RTOS近似,这样就可以保证中断响应时间不低于常规方案;另外AW280核心板采用的MPU的运行速度为454MHZ,是常规的MCU主频的2倍以上,这就让AW280的中断响应会优于常规MCU处理方案,性能可以满足之前MCU+MPU才能实现的SOE分辨率。

                二、文件系统:

                IEC 60870-5-104:2009规定装置需要提供文件服务,有详细规定需要提供文件系统目录查询、文件读写、文件传输等功能。常规MCU对于文件系统操作的支持有限,所以常规方案中均会采用一颗MPU搭载linux系统来提供文件服务。

                AW280区别于普通MCU,可以支持NAND型FLASH,低成本实现大容量存储。

                AW280核心板搭载的AWorks操作系统具有完善稳定的文件系统。

                AW280的硬件和软件性能决定了可以满足之前MCU+MPU才能实现的文件系统服务。

                文件系统在AWorks系统中的位置见下图:

                图 3 文件系统在AWorks系统中的位置

                三、以太网需求:

                FTU至少需要2路以太网来完成不同对象之间的通信,常规方案中MCU一般只具备一个网口,导致必须要多加一颗MPU来增加网络接口。

                AW280搭载的IMX280芯片本身具有2路以太网,并且AWorks系统默认支持双网口。这在常规MCU上没有,在常规的RTOS上也少见双路以太网的支持。所以AW280可以满足之前MCU+MPU才能实现的多网口功能。

                另外,AW280具有SPI可以连接国家电网加密IC,AW280具有5路UART可以满足周边设备通信需求。

                综上所述,AW280核心板完全可以胜任FTU的功能需求,可以取代传统MCU+MPU方案。

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