方案分享 I 國網(wǎng)新規(guī)下電力DTU最小系統(tǒng)核心板設(shè)計

根據(jù)國家能源局2020年能源領(lǐng)域行業(yè)標準制修訂計劃，中國電力科學(xué)研究院有限公司牽頭起草了《12kV一二次融合成套柱上開關(guān)》、《12kV一二次融合成套環(huán)網(wǎng)箱》兩項電力行業(yè)標準。2021年6月中國電科院配電技術(shù)中心組織30余家配電開關(guān)及配電終端主流生產(chǎn)企業(yè)開啟了兩項標準的執(zhí)行。

在過去的二年，新規(guī)不斷應(yīng)用在設(shè)備端口。標準規(guī)定DTU采用雙核設(shè)計，區(qū)分實時核和管理核。實時核需要MCU保證完成保護和高速采樣，管理核需要高性能處理器實現(xiàn)狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)接收和分析及通信。硬件接口規(guī)定3路以太網(wǎng)、多路串口、4G通信、國密加密芯片、北斗定位對時等。

基于市場以及龐大的電力客戶群體的需求，北京遠大創(chuàng)新科技有限公司與上海先楫半導(dǎo)體科技有限公司通力配合，用國產(chǎn)高性能RISC-V內(nèi)核MCU設(shè)計了一款DTU/FTU最小系統(tǒng)核心板。客戶可以根據(jù)國網(wǎng)標準固定外部設(shè)計，還能擴展自定義功能。

電網(wǎng)自動化系統(tǒng)一般由以下部分組成：配電主站、配電子站（常設(shè)在變電站內(nèi)，可選配）、配電遠方終端（FTU、DTU等）和通信網(wǎng)絡(luò)。配電主站位于城市調(diào)度中心，配電子站部署于110kV/35kV變電站，子站負責(zé)與所轄區(qū)域DTU/FTU等電力終端設(shè)備通信，主站負責(zé)與各個子站之間通信。

如下是最小系統(tǒng)板框圖：

考慮到系統(tǒng)的秒級響應(yīng)要求、電網(wǎng)對自主可控的要求等因素，設(shè)計團隊選用先楫半導(dǎo)體（HPMICRO）的高性能MCU HPM6750IVM。該MCU為BGA289封裝，多達195個GPIO；2M的SRAM，靈活可選容量的外掛FLASH；內(nèi)部DSP單元，支持SIMD和DSP指令；RISC-V雙內(nèi)核完全自主可控，主頻816M，創(chuàng)下了高達9220CoreMark和高達4651DMIPS的MCU性能記錄。芯片工作溫度在-40℃~105℃，滿足電力行業(yè)苛刻工作環(huán)境。

雙千兆以太網(wǎng)：根據(jù)標準要求，擴展了一路SPI轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口

雙USB接口：支持擴展網(wǎng)口與外掛4G

17路串口：滿足串口通信需求

4路高速SPI：支持外掛加密芯片、ADC芯片、SPI轉(zhuǎn)以太網(wǎng)芯片

4路IIC：支持外掛實時時鐘、溫濕度傳感器等

1個16bit ADC和3個12bit ADC：支持模擬量的采集

核心板配套的FTU/DTU示例程序包含rt-thread操作系統(tǒng)、Lwip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、flash文件系統(tǒng)、本地數(shù)據(jù)庫、相應(yīng)外設(shè)驅(qū)動示例，能極大的幫助客戶簡化開發(fā)。

同時該方案還有硬件完全兼容的HPM6450IVM單核版本，可以靈活適應(yīng)各種電力的高低端應(yīng)用場景。支持FreeRTOS、RT-Thread，并適配了輕量級的鴻蒙系統(tǒng)。

國際形勢風(fēng)云莫測、貿(mào)易戰(zhàn)愈演愈烈，電網(wǎng)安全和穩(wěn)定至關(guān)重要，廣大電力設(shè)備制造商對國產(chǎn)自主可控替代需求越來越強烈。先楫半導(dǎo)體高性能MCU HPM6000 系列產(chǎn)品，支持單核雙核RISC-V架構(gòu)，憑借其高算力、高可靠性、低功耗、高集成性等優(yōu)勢特點，可滿足電網(wǎng)配變電終端新標準要求，可用于高壓配電FTU/TTU/DTU三合一統(tǒng)一平臺應(yīng)用，進一步拓展電力能源領(lǐng)域市場。

目前，HPM6000系列高性能通用MCU的多款型號已應(yīng)用于儲能BMS、PCS、智能斷路器、繼電保護裝置、數(shù)據(jù)采集終端、電力網(wǎng)關(guān)及充電樁等多個電力能源產(chǎn)品，并獲得行業(yè)客戶廣泛認可。先楫半導(dǎo)體將再接再厲，攜手合作伙伴繼續(xù)開發(fā)更多的優(yōu)質(zhì)方案，并推出更多高性能MCU產(chǎn)品，為電力行業(yè)的國產(chǎn)化貢獻自己的力量。