嵌入式系統(tǒng)在電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用 - 全文

　　針對(duì)電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，研制了一套基于TCP協(xié)議的客戶/服務(wù)器機(jī)制的電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。本文研發(fā)了一套電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以適應(yīng)對(duì)電力質(zhì)量管理的新的需求。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的主動(dòng)測(cè)量、分析、自動(dòng)存儲(chǔ)等功能，通過(guò)Internet光纖環(huán)網(wǎng)將電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度室的監(jiān)控主機(jī)，工作人員可以對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)控，對(duì)其故障先兆做出判斷和預(yù)測(cè)，采取有效措施解決問(wèn)題，保證大型機(jī)組安全運(yùn)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(yùn)行的可靠性、安全性和有效性。

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

　　本文所設(shè)計(jì)的電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀、光端交換機(jī)及光纖環(huán)網(wǎng)組成。監(jiān)控主機(jī)可以通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)對(duì)多個(gè)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)控，電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀可以自動(dòng)識(shí)別、儲(chǔ)存并顯示電網(wǎng)電壓、電流、頻率及功率等參數(shù)，通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)傳送至監(jiān)控主機(jī)。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(yuǎn)、數(shù)據(jù)吞吐量大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合遠(yuǎn)距離通訊的特點(diǎn)。圖1為電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

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　　圖1 電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　2 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

　　電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀采用PHILIPS公司的LPC2131作為主控芯片，LPC2131是基于一個(gè)實(shí)時(shí)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(chǔ)器，含有1個(gè)10位8路A/D轉(zhuǎn)換器及內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘。可以對(duì)電網(wǎng)電壓、電流、頻率及功率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、顯示及儲(chǔ)存，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。圖2為電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀的系統(tǒng)框圖。

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　　圖2 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀的系統(tǒng)框圖

　　2.1 電壓電流檢測(cè)

　　在電壓電流信號(hào)檢測(cè)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(hào)(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(jí)的額定電流為2.2 mA,次級(jí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同的電流。通過(guò)運(yùn)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。

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　　圖3 A相電壓轉(zhuǎn)換電路圖

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

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　　圖4 A相電流轉(zhuǎn)換電路圖

　　2.2 頻率跟蹤電路設(shè)計(jì)

　　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(guò)變壓器降壓，通過(guò)兩個(gè)二極管D1、D2,再送入放大器，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。電阻R7起到的作用是產(chǎn)生一個(gè)正反饋，加速放大器的跳變過(guò)程，得到更加精確的同步信號(hào)。圖5即為頻率跟蹤電路。

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　　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(guò)DMA讀寫(xiě)RTL8019AS內(nèi)部的16KB RAM,RTL8019AS使用跳線模式、IO方式讀寫(xiě)。首先給RTL8019的NE2000兼容的各個(gè)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(jì)完成后，通過(guò)MAC引擎以及ISA總線即可與LPC2131進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，圖6為RTL8019AS與LPC2131的接口電路圖。

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　　圖6 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(chǔ)器中，從而實(shí)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(gè)漢字的代碼記錄在CAT1025中，在使用時(shí)跳去。由于LPC2131大多GPIO是復(fù)用口，需要在使用前對(duì)L/O口進(jìn)行設(shè)置。圖7為L(zhǎng)PC2131與CM12864的連接框圖。

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　　圖7 LPC2131與CM12864的連接框圖

　　3 電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

　　本文所設(shè)計(jì)的電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用客戶一服務(wù)器分布式網(wǎng)絡(luò)接口，遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)(服務(wù)器端)通過(guò)Internet連接到電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀(客戶端)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　3.1 客戶/服務(wù)器機(jī)制

　　針對(duì)電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，將電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀設(shè)置為客戶端，遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)設(shè)置為服務(wù)器端。服務(wù)器端24小時(shí)不問(wèn)斷地監(jiān)聽(tīng)來(lái)自客戶端的連接請(qǐng)求，建立連接后進(jìn)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(jī)制。

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　　圖8 基于TCP協(xié)議的客戶/服務(wù)器機(jī)制

　　客戶端首先申請(qǐng)?zhí)捉幼执蜷_(kāi)通信信道，并連接到服務(wù)器所在主機(jī)保留的端口，該端口對(duì)應(yīng)服務(wù)器的TCP進(jìn)程;隨后向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求報(bào)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(qǐng)求時(shí)關(guān)閉信道并終止客戶端進(jìn)程。

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

　　3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)(服務(wù)器端)的網(wǎng)絡(luò)通訊程序采用VB編寫(xiě)，使用MFC Winsock類添加網(wǎng)絡(luò)通信能力。遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的IP地址為192.168. 1.100,監(jiān)控程序端口號(hào)8000,所有網(wǎng)絡(luò)上的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(shí)監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)為監(jiān)聽(tīng)連接，等待各個(gè)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀(客戶端)設(shè)備的連接請(qǐng)求。當(dāng)某個(gè)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀與服務(wù)器端監(jiān)控程序建立連接之后，就開(kāi)始進(jìn)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(shí)時(shí)參數(shù)，客戶端在上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到客戶端的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)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(kù)中，形成歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，供查詢、決策參考及故障分析。

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)采用ADO API技術(shù)，用ADO的Connection對(duì)象實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，用Recordset對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)記錄的訪問(wèn)，用Command對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)SQL查詢，用Error對(duì)象控制數(shù)據(jù)交換時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。

　　數(shù)據(jù)庫(kù)查詢是在用戶條件的基礎(chǔ)上從數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)時(shí)間段之間的電網(wǎng)整點(diǎn)參數(shù)。圖9為查詢數(shù)據(jù)庫(kù)的流程圖。

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

　　本文所設(shè)計(jì)的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀在四川省達(dá)州電業(yè)局經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，效果良好，該系統(tǒng)能夠及時(shí)的檢測(cè)并發(fā)送電壓、電流、功率及頻率等參數(shù)給監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)顯示的數(shù)據(jù)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試都比較準(zhǔn)確。表1為系統(tǒng)測(cè)試的其中一組數(shù)據(jù)。

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　　4 結(jié)論

　　本文自行設(shè)計(jì)的電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和反復(fù)調(diào)試，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，使用方便，可以有效地提高控制和管理水平，同時(shí)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(jì)方法，以便相關(guān)電力工作者參考與借鑒。