基于LabVIEW的變壓器運(yùn)輸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 安，熊樹生，徐宏飛，姜振軍，羅 源，周彩玲

(1.黃山派尼爾科技發(fā)展有限公司，安徽黃山245000；2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州310027；3.浙江江山變壓器股份有限公司，浙江江山324100；4.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江杭州310015)

0 引言

電力對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钣兄鴺O其重要的作用。將電能從發(fā)電站傳輸?shù)矫考颐繎舻倪^程中，為了降低能量損耗往往采用高壓電線傳輸?shù)姆绞?，同時(shí)需通過變壓器將高壓電能降壓為常壓(220V)電能，因此變壓器是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要電器之一。而變壓器在運(yùn)輸過程中必然受到道路顛簸和環(huán)境的影響，如果保護(hù)措施不當(dāng)則可能導(dǎo)致變壓器元器件發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷變形或絕緣部分受潮導(dǎo)致短路，進(jìn)而使變壓器壽命減少甚至元器件被燒毀或損壞[1]。這不僅會(huì)影響供電系統(tǒng)的布置，延長(zhǎng)電網(wǎng)建設(shè)時(shí)間，而且將增加額外的經(jīng)濟(jì)損失。且生產(chǎn)廠家與用戶較難從傳統(tǒng)的變壓器運(yùn)輸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中了解變壓器的當(dāng)前地理位置、行駛速度、環(huán)境溫度和濕度、三相電壓、低壓回路電流等的詳細(xì)信息[2]。

為了時(shí)刻監(jiān)測(cè)變壓器在運(yùn)輸過程中的狀態(tài)并處理突發(fā)狀況，本文針對(duì)本項(xiàng)目涉及的大型變壓器的運(yùn)輸現(xiàn)狀[3]，結(jié)合行駛速度、沖擊加速度、油溫、電壓電流等參數(shù)，開發(fā)了基于LabVIEW平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、TCP傳輸技術(shù)、共享變量技術(shù)等為一體的變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

對(duì)比分析了現(xiàn)存的幾類大型變壓器運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方案，結(jié)合本項(xiàng)目的具體情況，確定了以下方案：本系統(tǒng)主要由控制臺(tái)、通訊服務(wù)器、手機(jī)服務(wù)器、本地操作工具四部分構(gòu)成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1。系統(tǒng)的前臺(tái)包括顯示界面和手機(jī)終端上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)警信息顯示以及設(shè)置報(bào)警閾值，后臺(tái)包括各部分連接和監(jiān)權(quán)、數(shù)據(jù)采集解析、實(shí)時(shí)報(bào)警和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

變壓器終端需要監(jiān)測(cè)的狀態(tài)參數(shù)包括：本體油溫、油壓、環(huán)境溫濕度、本體三軸加速度、芯體接地電流、低壓回路電流和三相電壓，運(yùn)輸車輛需要監(jiān)測(cè)的信息包括車輛當(dāng)前地理位置、車輛行駛速度。通過傳感器采集上述信息，經(jīng)由變送器匯總并轉(zhuǎn)化為4-20A電流信息，在就地存儲(chǔ)備份的同時(shí)通過TCP協(xié)議打包遠(yuǎn)程傳輸至通訊服務(wù)器。變壓器終端還通過北斗定位技術(shù)將車輛實(shí)施地理位置信息反饋至遠(yuǎn)端通訊服務(wù)器，保證了地理位置無死角定位。為時(shí)刻監(jiān)測(cè)變壓器終端是否工作，控制終端每分鐘向服務(wù)器發(fā)送一次單字節(jié)的心跳包，確保終端的變送器仍在正常工作。

通訊服務(wù)器對(duì)于首次登入的運(yùn)輸終端進(jìn)行監(jiān)權(quán)，識(shí)別與數(shù)據(jù)庫(kù)中的終端識(shí)別碼是否匹配，建立連接。而后通過TCP協(xié)議以輪巡的方式采集多個(gè)終端的數(shù)據(jù)并上傳至控制臺(tái)，其中采集的數(shù)據(jù)包括周期數(shù)據(jù)(溫度、地理位置、電壓電流等)和報(bào)警數(shù)據(jù)(周期數(shù)據(jù)超過報(bào)警閾值時(shí)發(fā)送報(bào)警信息)。在連接過程中，每隔一分鐘接收一次運(yùn)輸監(jiān)測(cè)終端上傳的心跳包，根據(jù)心跳包的有無判斷故障所在。服務(wù)器的端口通過控制臺(tái)進(jìn)行配置。

本地操作工具用于本地拷貝和擦除終端數(shù)據(jù)等。測(cè)試電腦在安裝本地操作工具后，通過RS232串口直接與變壓器終端相連。工作時(shí)采用指令/應(yīng)答的方式，命令幀與應(yīng)答幀一一對(duì)應(yīng)，所有通訊通過打包的方式傳遞。利用LabVIEW中功能強(qiáng)大的VISA(vitual in strument software architecture)的各種模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移[4]。在用戶名密碼登陸成功后，可實(shí)現(xiàn)拷貝數(shù)據(jù)、擦除終端數(shù)據(jù)、配置連接端口以及設(shè)置報(bào)警閾值的功能。顯示界面如圖2。

圖2 本地操作工具顯示界面

控制臺(tái)接收通訊服務(wù)器傳來的TCP協(xié)議格式打包的數(shù)據(jù)，將其過濾解析后通過OBD組件存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)并通過web發(fā)布到Internet上，同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為共享變量以供手機(jī)服務(wù)器調(diào)用?？刂婆_(tái)將提供查詢歷史數(shù)據(jù)、滾動(dòng)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、顯示報(bào)警信息、顯示當(dāng)前連接終端數(shù)和設(shè)置報(bào)警閾值等功能。當(dāng)接收到報(bào)警信息時(shí)，控制臺(tái)會(huì)將信息通過短信貓發(fā)送至用戶手機(jī)，并優(yōu)先通過手機(jī)服務(wù)器下發(fā)至每個(gè)手機(jī)終端。

手機(jī)服務(wù)器通過TCP協(xié)議管理多個(gè)手機(jī)終端。同通訊服務(wù)器一樣，對(duì)首次登錄的手機(jī)終端進(jìn)行監(jiān)權(quán)，成功連接后，通過輪巡的方式依次接收每個(gè)手機(jī)終端的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，按照事先約定的TCP協(xié)議中不同命令請(qǐng)求發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包。手機(jī)終端可實(shí)現(xiàn)功能包括查詢歷史數(shù)據(jù)、顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、顯示報(bào)警信息以及修改報(bào)警閾值等。

2 LabVIEW平臺(tái)介紹

本系統(tǒng)是借助LabVIEW平臺(tái)搭建的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)開發(fā)的一款適用于多操作系統(tǒng)的基于圖形程序的虛擬儀器儀表開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用范圍覆蓋了工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)試測(cè)量、嵌入式應(yīng)用、計(jì)算機(jī)仿真等眾多領(lǐng)域[5]。LabVIEW的程序由前面板和程序框圖組成。前面板集合了用戶輸入和顯示控件，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板；程序框圖中用功能模塊和適當(dāng)?shù)倪B線構(gòu)成控制流程圖，其中每個(gè)功能模塊均為封裝好的子程序(子VI)，即圖形化代碼。程序的執(zhí)行順序依據(jù)數(shù)據(jù)流走向決定，從而控制前面板中的對(duì)象[6]。

2.1 基于LabVIEW的TCP協(xié)議

如同人的語言，計(jì)算機(jī)之間必須使用相同的通訊協(xié)議才能進(jìn)行通信，共同遵守一組通信標(biāo)準(zhǔn)，才能在網(wǎng)絡(luò)中互通信息。我們?nèi)粘Ｊ褂玫囊蛱鼐W(wǎng)正是基于TCP/IP協(xié)議所建立的，是目前使用最為廣泛的協(xié)議。

TCP采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和客戶端的方式進(jìn)行通信。服務(wù)器主要負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)至多個(gè)客戶端或者從多個(gè)客戶端讀取數(shù)據(jù)，同樣，客戶端可以向所對(duì)應(yīng)的服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求并獲取所需數(shù)據(jù)。服務(wù)器與客戶端傳輸是雙向的，區(qū)別在于服務(wù)器可同時(shí)連接多個(gè)客戶端。

TCP協(xié)議的通信過程為：服務(wù)器端必須首先通過指定IP地址以及端口名建立偵聽，等待客戶端響應(yīng)連接；然后客戶端向?qū)?yīng)的服務(wù)器所設(shè)定的IP地址和端口發(fā)出連接請(qǐng)求；待服務(wù)器與客戶端成功建立連接后，雙方方可通過讀寫函數(shù)控件收發(fā)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需先從客戶端斷開連接后服務(wù)器才能斷開連接。

本系統(tǒng)中的手機(jī)服務(wù)器與通訊服務(wù)器將通過TCP協(xié)議進(jìn)行對(duì)外通訊。所使用的TCP協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式如下：

一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包應(yīng)由起始符、命令單元、識(shí)別碼、數(shù)據(jù)加密方式、數(shù)據(jù)單元長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)單元和校驗(yàn)碼組成，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和定義見表1所示。除數(shù)據(jù)單元長(zhǎng)度可變，剩余部分固定為24字節(jié)。多字節(jié)構(gòu)成的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一按照高字節(jié)在后，低字節(jié)在前的順序編碼和取用。

2.2 基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給變壓器廠商以及客戶，除了通過手機(jī)客戶端的方式，還可以將程序發(fā)布到Internet上。在服務(wù)器進(jìn)行外網(wǎng)發(fā)布系統(tǒng)并打開控制臺(tái)程序的情況下，用戶可在指定網(wǎng)站登入后，看到顯示界面并獲得其控制權(quán)。

表1 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和定義

WEB發(fā)布的流程包括：?jiǎn)⒂肔abVIEW選項(xiàng)中遠(yuǎn)程前面板服務(wù)器，配置根目錄、TCP/IP端口、使用記錄文件、瀏覽器訪問控制權(quán)等；再通過Web發(fā)布工具配置內(nèi)嵌模式、網(wǎng)頁(yè)說明內(nèi)容、URL網(wǎng)址內(nèi)容等，到此步完成內(nèi)網(wǎng)發(fā)布步驟；通過netsh命令實(shí)現(xiàn)端口映射，使服務(wù)器上固定外網(wǎng)IP端口轉(zhuǎn)接到內(nèi)網(wǎng)IP指定端口，實(shí)現(xiàn)在任意電腦上輸入用外網(wǎng)IP替換內(nèi)網(wǎng)IP后的URL指定網(wǎng)址即可訪問顯示界面。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于篇幅限制，本文著重介紹在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)解析處理模塊兩部分。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要在通訊服務(wù)器與手機(jī)服務(wù)器中得以體現(xiàn)。而數(shù)據(jù)解析處理模塊以控制中心處理數(shù)據(jù)為例。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊

通訊服務(wù)器的數(shù)據(jù)流主要從變壓器終端流向通訊服務(wù)器，相比于手機(jī)服務(wù)器的協(xié)議內(nèi)容較少。因此本文以手機(jī)服務(wù)器為例，更好地描述該模塊。

第一章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹中有提到手機(jī)服務(wù)器的功能，主要是監(jiān)權(quán)、根據(jù)手機(jī)端的請(qǐng)求包做出應(yīng)答、接收并下發(fā)報(bào)警數(shù)據(jù)。手機(jī)服務(wù)器的軟件流程圖如圖3，包括初始化、狀態(tài)確認(rèn)、接收上行數(shù)據(jù)、發(fā)送下行數(shù)據(jù)、下發(fā)報(bào)警數(shù)據(jù)和停止六個(gè)部分。

圖3 手機(jī)服務(wù)器流程圖

初始化中設(shè)定TCP端口并建立監(jiān)聽以及初始化狀態(tài)參數(shù)；根據(jù)停止鍵是否按下進(jìn)入狀態(tài)確認(rèn)或是停止部分；狀態(tài)確認(rèn)中需要把監(jiān)聽到的新手機(jī)端加入現(xiàn)有手機(jī)客戶端數(shù)組，若有連接的手機(jī)端則進(jìn)入收發(fā)數(shù)據(jù)部分，否則返回判斷是否按下停止鍵；收發(fā)數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)流可劃分接收手機(jī)端的請(qǐng)求數(shù)據(jù)、向手機(jī)端發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)以及直接下發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)。根據(jù)TCP協(xié)議規(guī)定，手機(jī)端發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包一次包含一種命令，可發(fā)送的命令包括登入、登出、查詢歷史數(shù)據(jù)和修改報(bào)警限值。

3.2 數(shù)據(jù)解析處理模塊

在接收外部傳來的TCP數(shù)據(jù)包后，應(yīng)該在保證數(shù)據(jù)包格式正確的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析處理以獲得所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包格式錯(cuò)誤表明本次數(shù)據(jù)發(fā)生偶然性錯(cuò)誤或是該連接本身發(fā)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)將丟棄該幀數(shù)據(jù)或嚴(yán)重時(shí)將直接斷開該連接并且報(bào)錯(cuò)。本節(jié)以控制中心的數(shù)據(jù)解析處理為例，如圖4。當(dāng)控制中心接收到終端的TCP數(shù)據(jù)包時(shí)，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理來過濾解包、異或校驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)包完整性，而后截取狀態(tài)參數(shù)部分，根據(jù)TCP協(xié)議倒推計(jì)算出狀態(tài)參數(shù)具體數(shù)值，判斷該數(shù)值是否在報(bào)警閾值內(nèi)，若是，將正常顯示該數(shù)值、存入數(shù)據(jù)庫(kù)并賦值給共享變量；否則將依據(jù)實(shí)際情況顯示報(bào)警信息并下發(fā)至手機(jī)服務(wù)器。解析過程封裝在數(shù)據(jù)解析小程序中，由主程序調(diào)用，如圖5。用戶在安裝LABVIEW或者安裝插件LABVIEW run-time engine之后，即可通過IE瀏覽器訪問服務(wù)器發(fā)布的顯示界面網(wǎng)頁(yè)。部分網(wǎng)頁(yè)如圖6所示，可直觀地看到當(dāng)前運(yùn)行的終端數(shù)量、地理位置、報(bào)警信息以及指定終端的狀態(tài)參數(shù)。此外，該網(wǎng)頁(yè)功能還包括通過設(shè)定時(shí)間范圍查詢顯示指定終端的歷史數(shù)據(jù)、以表格形式滾動(dòng)更新當(dāng)前數(shù)據(jù)、修改狀態(tài)參數(shù)的報(bào)警上下限值。

圖4 數(shù)據(jù)解析處理模塊

圖5 數(shù)據(jù)解析子程序框圖

圖6 顯示界面網(wǎng)頁(yè)

4 結(jié)論

變壓器在電力系統(tǒng)中有著不可替代的作用。為了時(shí)刻監(jiān)測(cè)變壓器在運(yùn)輸過程中的狀態(tài)并處理突發(fā)狀況，項(xiàng)目開發(fā)了基于LabVIEW平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、TCP傳輸技術(shù)、共享變量技術(shù)等為一體的變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文首先整體介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，然后簡(jiǎn)要說明了系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)LabVIEW和相關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)，最后著重分析了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)解析處理模塊兩部分，并展示了最終的網(wǎng)頁(yè)成果。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化、透明化，運(yùn)輸數(shù)據(jù)多層共享。用戶、變壓器廠商和運(yùn)輸公司能夠共同在線監(jiān)督變壓器當(dāng)前狀態(tài)，提高變壓器運(yùn)輸質(zhì)量和預(yù)警力度，從而采取有效的預(yù)防措施，將進(jìn)一步提升變壓器運(yùn)輸過程的安全系數(shù)。