基于嵌入式系統(tǒng)在電網(wǎng)遠程監(jiān)控中的應(yīng)用

覃小明，王 晶，陳怡松

(達州電業(yè)局，四川達州635000)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)過程自動化水平的提高，用戶對電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高，對供電系統(tǒng)的監(jiān)控和管理已成為保障企業(yè)生產(chǎn)、居民生活的重要因素。減少故障停電時間及次數(shù)，確保供電的可靠性、實時監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)、改善電網(wǎng)質(zhì)量，是供電系統(tǒng)自動化的主要任務(wù)。但由于早期的電力監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性差，在整個電力網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)之間難以完成電力數(shù)據(jù)的通信，從而影響到整個電網(wǎng)的質(zhì)量檢測及優(yōu)化控制［1］。

針對以上問題，本文研發(fā)了一套電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以適應(yīng)對電力質(zhì)量管理的新的需求。本系統(tǒng)可實現(xiàn)對電網(wǎng)參數(shù)的主動測量、分析、自動存儲等功能，通過Internet光纖環(huán)網(wǎng)將電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度室的監(jiān)控主機，工作人員可以對遠程設(shè)備的運行狀況進行及時、準(zhǔn)確的監(jiān)控，對其故障先兆做出判斷和預(yù)測，采取有效措施解決問題，保證大型機組安全運行，防止惡性事故的發(fā)生，避免了定期檢修引起的生產(chǎn)停頓，起到預(yù)防和消除故障的作用，提高設(shè)備運行的可靠性、安全性和有效性。

1 電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機、電網(wǎng)監(jiān)測儀、光端交換機及光纖環(huán)網(wǎng)組成。監(jiān)控主機可以通過光纖環(huán)網(wǎng)對多個電網(wǎng)監(jiān)測儀進行監(jiān)控，電網(wǎng)監(jiān)測儀可以自動識別、儲存并顯示電網(wǎng)電壓、電流、頻率及功率等參數(shù)，通過光纖環(huán)網(wǎng)傳送至監(jiān)控主機。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)選用的是單模光纖，相比傳統(tǒng)的串口總線RS232/RS485、CAN、非屏蔽雙絞線UTP，光纖通訊具有傳輸距離遠、數(shù)據(jù)吞吐量大、可擴展性強等諸多優(yōu)點，非常適合遠距離通訊的特點。圖1為電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

2 電網(wǎng)監(jiān)測儀的設(shè)計

電網(wǎng)監(jiān)測儀采用PHILIPS公司的LPC2131作為主控芯片，LPC2131是基于一個實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有32KB的嵌入高速FLASH存儲器，含有1個10位8路A/D轉(zhuǎn)換器及內(nèi)部實時時鐘［2］?？梢詫﹄娋W(wǎng)電壓、電流、頻率及功率等參數(shù)進行監(jiān)測、顯示及儲存，并通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。圖2為電網(wǎng)監(jiān)測儀的系統(tǒng)框圖。

圖1 電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電網(wǎng)監(jiān)測儀系統(tǒng)框圖

2.1 電壓電流檢測

在電壓電流信號檢測中，本系統(tǒng)采用直流采樣法，需采集U、V、W三相電壓以及四相電流信號(含零線電流)，圖3中PT1為電流型電壓互感器，A相輸入電壓經(jīng)限流電阻R1使PT1初級的額定電流為2.2 mA，次級會產(chǎn)生一個相同的電流。通過運算放大器(LF353)，調(diào)節(jié)反饋電阻R2的值，即可在輸出端得到所需的電壓輸出。

圖4中CT1為精密電流互感器CTY205A，輸入端為額定電流5 A時，次級將產(chǎn)生2.5 mA的電流。通過運算放大器(LF353)，調(diào)節(jié)反饋電阻R3的值，即可在輸出端得到所需的電流輸出。

圖3 A相電壓轉(zhuǎn)換電路圖

圖4 A相電流轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 頻率跟蹤電路設(shè)計

頻率跟蹤電路的主要作用是保持與電網(wǎng)電壓的同步關(guān)系，避免頻譜泄露現(xiàn)象。相電壓經(jīng)過變壓器降壓，通過兩個二極管D1、D2，再送入放大器，將正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號。電阻R7起到的作用是產(chǎn)生一個正反饋，加速放大器的跳變過程，得到更加精確的同步信號。圖5即為頻率跟蹤電路。

圖5 頻率跟蹤電路

圖6 RTL8019AS與LPC2131的接口電路圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊采用Realtek公司的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，RTL8019AS具有32位輸入輸出地址，地址偏移量為00H－1FH，要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包則需要通過 DMA讀寫RTL8019AS內(nèi)部的16KB RAM，RTL8019AS使用跳線模式、IO方式讀寫［3］。首先給RTL8019的NE2000兼容的各個寄存器分配 PCS0引腳，IO地址為00H－FFH，即把 CPU的A0－A4連接到RTL8019的A1－A5，RTL8019AS默認(rèn)的IO地址為300H－3FFH，因此，將RTL8019AS的SA19－SA10和SA7－SA5接地，SA9、SA8接 VCC。電路設(shè)計完成后，通過MAC引擎以及ISA總線即可與LPC2131進行數(shù)據(jù)交互，圖6為RTL8019AS與LPC2131的接口電路圖。

2.4 液晶顯示

液晶顯示器采用CM12864型LCD，液晶模塊經(jīng)數(shù)據(jù)總線接收LPC2131發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)，存入內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器中，從而實現(xiàn)所需信息的顯示。為了獲得友好的界面和便捷的使用，液晶顯示采用漢字顯示方式，從字模軟件中獲取漢字代碼，再將每個漢字的代碼記錄在CAT1025中，在使用時跳去。由于LPC2131大多GPIO是復(fù)用口，需要在使用前對I/O口進行設(shè)置。圖7為LPC2131與CM12864的連接框圖。

圖7 LPC2131與CM12864的連接框圖

3 電網(wǎng)遠程監(jiān)控的實現(xiàn)

本文所設(shè)計的電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用客戶—服務(wù)器分布式網(wǎng)絡(luò)接口，遠程監(jiān)控主機(服務(wù)器端)通過Internet連接到電網(wǎng)監(jiān)測儀(客戶端)，實現(xiàn)電網(wǎng)的遠程監(jiān)控。

3.1 客戶/服務(wù)器機制

針對電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點，將電網(wǎng)監(jiān)測儀設(shè)置為客戶端，遠程監(jiān)控主機設(shè)置為服務(wù)器端。服務(wù)器端24小時不間斷地監(jiān)聽來自客戶端的連接請求，建立連接后進行TCP數(shù)據(jù)傳輸。圖8為基于TCP協(xié)議的客戶/服務(wù)器機制。

圖8 基于TCP協(xié)議客戶/服務(wù)器機制

客戶端首先申請?zhí)捉幼执蜷_通信信道，并連接到服務(wù)器所在主機保留的端口，該端口對應(yīng)服務(wù)器的TCP進程;隨后向服務(wù)器發(fā)出請求報文并等待接收應(yīng)答;最后從服務(wù)器收到最終應(yīng)答結(jié)果，或在不再請求時關(guān)閉信道并終止客戶端進程。

服務(wù)器端首先申請?zhí)捉幼执蜷_通信通道，通知本地主機在某一保留端口接受客戶端請求;一旦接收到客戶端的請求，便啟動新進程處理用戶請求，同時釋放舊進程以響應(yīng)新的客戶請求，一旦服務(wù)完成，便關(guān)閉新進程與客戶的通信鏈路;如果不想響應(yīng)客戶端的請求，則關(guān)閉服務(wù)器進程。

3.2 實時監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控主機(服務(wù)器端)的網(wǎng)絡(luò)通訊程序采用VB編寫，使用MFC Winsock類添加網(wǎng)絡(luò)通信能力［4］。遠程監(jiān)控主機的 IP 地址為 192.168.1.100，監(jiān)控程序端口號 8000，所有網(wǎng)絡(luò)上的電網(wǎng)監(jiān)測儀都與該服務(wù)器監(jiān)控程序建立連接，傳輸數(shù)據(jù)。此時監(jiān)控程序的運行狀態(tài)為監(jiān)聽連接，等待各個電網(wǎng)監(jiān)測儀(客戶端)設(shè)備的連接請求。當(dāng)某個電網(wǎng)監(jiān)測儀與服務(wù)器端監(jiān)控程序建立連接之后，就開始進行傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 歷史數(shù)據(jù)查詢

若服務(wù)器端要求獲得電網(wǎng)的實時參數(shù)，客戶端在上傳實時數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)存儲到客戶端的數(shù)據(jù)庫，同時服務(wù)器端將接收到的數(shù)據(jù)存放在自己的數(shù)據(jù)庫中，形成歷史數(shù)據(jù)庫，供查詢、決策參考及故障分析。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫采用ADO API技術(shù)，用ADO的Connection對象實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接，用Recordset對象實現(xiàn)對數(shù)據(jù)記錄的訪問，用Command對象來實現(xiàn)SQL查詢，用Error對象控制數(shù)據(jù)交換時發(fā)生的錯誤。

數(shù)據(jù)庫查詢是在用戶條件的基礎(chǔ)上從數(shù)據(jù)庫中返回相應(yīng)的結(jié)果，因此需要在查詢中包含變量或控件的值。其功能主要是從電網(wǎng)參數(shù)表中查詢兩個時間段之間的電網(wǎng)整點參數(shù)。圖9為查詢數(shù)據(jù)庫的流程圖。

3.4 電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試

本文所設(shè)計的電網(wǎng)監(jiān)測儀在四川省達州電業(yè)局經(jīng)過反復(fù)測試，效果良好，該系統(tǒng)能夠及時的檢測并發(fā)送電壓、電流、功率及頻率等參數(shù)給監(jiān)控主機。監(jiān)控主機顯示的數(shù)據(jù)對比現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，各項參數(shù)的測試都比較準(zhǔn)確。表1為系統(tǒng)測試的其中一組數(shù)據(jù)。

表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

圖9 查詢數(shù)據(jù)庫的流程圖

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代化電網(wǎng)的高速發(fā)展，電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)揮越來越重要的作用。本文自行設(shè)計的電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過大量實驗和反復(fù)調(diào)試，該監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足現(xiàn)場需要，使用方便，可以有效地提高控制和管理水平，同時也為現(xiàn)有的電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控設(shè)備提供了一種設(shè)計方法，以便相關(guān)電力工作者參考與借鑒。

［1］王士政.電網(wǎng)調(diào)度自動化與配網(wǎng)自動化技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社.2003:12－20.

［2］周立功，張華.深入淺出ARM7－PLC2131x/214x［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:382－383.

［3］袁學(xué)文，龐輝，肖文華.以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的工作原理及應(yīng)用［J］.電子質(zhì)量，2003，05(37):108－110.

［4］龔沛曾，陸慰民，楊志強.Visual Basic程序設(shè)計教程(6.0版)［M］.北京:高等教育出版社，2002:240－260.