摘 要：事件順序記錄系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)電廠事故發(fā)生前后的運(yùn)行狀態(tài)，其性能直接影響事故分析的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。將單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的靈活性與LabVIEW的海量數(shù)據(jù)分析處理能力相結(jié)合，研究巨型開關(guān)量SoE系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析功能的分離，大幅降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，提高了SoE系統(tǒng)的分辨率，為建立SoE電網(wǎng)故障分析系統(tǒng)提供一種新的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；高分辨率；巨型開關(guān)量；事件順序記錄；時(shí)鐘同步

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004373X(2008)2017503

Study on the Design of SoE System with High Resolving Capability

Based on Virtual Instrument

QIAO Jiping，LV Yuxiang，HU Hailin

(Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024，China)

Abstract：Sequence of Event (SoE) system can monitor the running state of power plants when accident happens，the performance of SoE directly affect timeliness and accuracy of the accident analysis.Based on combining the agile of data acquisition with single chip computer with the analysis capability of substantive data with LabVIEW，the design of hardware and software of a SoE system is studied in this paper.Owing to the separate function of data acquisition and data analysis，the complexity of hardware design is reduced enormously，and the resolving capability is improved greatly，at the same time，a new way to design electric network malfunction analysis system is provided.

Keywords：LabVIEW；high resolving capability；substantive switchpoints；sequence of event；synchronous clock

1 引 言

在電力系統(tǒng)中，SoE（Sequence of Event）事件順序記錄系統(tǒng)^［1］是調(diào)度人員正確處理事故、分析和判斷復(fù)雜電網(wǎng)故障的重要工具。其主要功能是將現(xiàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)設(shè)備的狀態(tài)變化按照發(fā)生的先后順序及時(shí)捕捉并加上時(shí)間標(biāo)簽^［2］后傳送到調(diào)度主站，作為辨別電網(wǎng)故障的主要依據(jù)。目前的SoE系統(tǒng)大都是毫秒級(jí)的分辨率^［3，4］，當(dāng)某一事件發(fā)生后，可能在同一時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的信息較多^［5］，不能分出先后順序，且監(jiān)測(cè)端子一般較少，只覆蓋機(jī)組運(yùn)行中最重要的開關(guān)量，隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，供電企業(yè)對(duì)電網(wǎng)監(jiān)控水平、事故分析判斷水平要求越來(lái)越高，因此要求SoE系統(tǒng)具有更多的監(jiān)測(cè)端子和更高的分辨事件能力。

2 SoE系統(tǒng)概述

為了能更精確地獲取事件信息，為事故分析提供有力的證據(jù)，同時(shí)參照供電企業(yè)實(shí)際要求，所設(shè)計(jì)的SoE系統(tǒng)需同時(shí)監(jiān)測(cè)500路開關(guān)量信號(hào)，并達(dá)到0.1 ms的分辨率。在設(shè)計(jì)中，多通道信號(hào)的同步采集和附加了時(shí)間標(biāo)記的開關(guān)量數(shù)據(jù)的排序問(wèn)題成為系統(tǒng)開發(fā)的瓶頸^［6］。在傳統(tǒng)的SoE系統(tǒng)中，受所用硬件系統(tǒng)的限制，在采集通道數(shù)目較多時(shí)，往往采用多組模塊經(jīng)I/O擴(kuò)展^{［7，8］}來(lái)達(dá)到通道數(shù)目的要求，而多組模塊之間采集信號(hào)時(shí)的同步要求^［9］會(huì)大幅增加軟硬件設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)對(duì)巨型開關(guān)量數(shù)據(jù)的排序會(huì)大量占用系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

綜合以上問(wèn)題，同時(shí)較大限度地降低系統(tǒng)的成本，擬采取如下設(shè)計(jì)方案：選擇單片機(jī)小系統(tǒng)作為下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集^［10］；通過(guò)USB口或串口通訊將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)；在LabVIEW平臺(tái)下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和打印，實(shí)現(xiàn)一種在LabVIEW 環(huán)境下的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 SoE系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

在信號(hào)輸入部分，輸入模塊接收來(lái)自外部設(shè)備的開關(guān)信號(hào)，經(jīng)輸入模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形處理，進(jìn)入光電隔離電路，形成CPU所能識(shí)別的脈沖信號(hào)。

服務(wù)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)開關(guān)量信號(hào)的采集與傳送，其構(gòu)成框圖如圖1所示。

3.1 信號(hào)采集部分

（1） CPU的選取與時(shí)鐘同步

在單片機(jī)構(gòu)成的下位機(jī)系統(tǒng)中，考慮到開關(guān)量信號(hào)地理位置分布比較集中，數(shù)據(jù)采集采用1塊時(shí)鐘頻率為100 MHz的混合信號(hào)ISP FLASH微控制器C8051F130通過(guò)I/O擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)500路信號(hào)的采集。由于在SoE系統(tǒng)中關(guān)注的是一系列記錄的先后動(dòng)作順序，所以各分散節(jié)點(diǎn)必須使用嚴(yán)格同步的時(shí)鐘，否則各通道數(shù)據(jù)采集之間的時(shí)間延遲可能造成系統(tǒng)的紊亂，造成錯(cuò)誤的輸出報(bào)表。該系統(tǒng)中時(shí)間同步信息由時(shí)間信息和同步脈沖2部分組成。時(shí)間信息指時(shí)鐘芯片DS12CR887提供的年月日及時(shí)分秒的時(shí)間信號(hào)，同步脈沖指由CPU通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生的每隔0.1ms產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)確定秒數(shù)量級(jí)以下的時(shí)間。在系統(tǒng)上電時(shí)，CPU初始化時(shí)鐘芯片、定時(shí)器及計(jì)數(shù)器，每0.1 ms產(chǎn)生的同步脈沖作為采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號(hào)，達(dá)到數(shù)據(jù)采集的精確同步。

（2） I/O擴(kuò)展

I/O擴(kuò)展方面，采用多片擴(kuò)展能力較強(qiáng)的芯片8255，實(shí)現(xiàn)對(duì)500路開關(guān)量信號(hào)的采集，8255由芯片IDT74LVC4245A驅(qū)動(dòng)，同時(shí)該芯片可實(shí)現(xiàn)3.3 V與5 V信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CPU與擴(kuò)展芯片8255的連接，其選通由CPU通過(guò)譯碼器實(shí)現(xiàn)。

3.2 信號(hào)傳送部分

為了降低數(shù)據(jù)通訊對(duì)系統(tǒng)資源的占用，提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，采用另一CPU負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通信CPU通過(guò)串口或USB口與上位機(jī)進(jìn)行連接。通訊過(guò)程如下：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到1次事件觸發(fā)后，通訊CPU從雙口RAM中讀出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口或USB口發(fā)給上位機(jī)。

4 SoE系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)SoE系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，其軟件結(jié)構(gòu)也分為下位機(jī)部分與上位機(jī)部分。

4.1 下位機(jī)

下位機(jī)程序采用匯編語(yǔ)言編寫，其主要完成定時(shí)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)發(fā)送工作。其中定時(shí)采樣的中斷頻率由定時(shí)器0的常數(shù)自動(dòng)裝載16位計(jì)數(shù)器方式產(chǎn)生；波特率由定時(shí)器1 的方式1 產(chǎn)生；自定義軟件握手，握手信號(hào)可以隨意選擇一常數(shù)，如果單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)等于此常數(shù)，則表示握手成功，否則重新接收握手?jǐn)?shù)據(jù)。

在系統(tǒng)上電復(fù)位后，根據(jù)各開關(guān)量的正常狀態(tài)將原始數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，同時(shí)在同步脈沖下將采集到的數(shù)據(jù)與初始狀態(tài)做比較，如果數(shù)據(jù)保持不變，說(shuō)明各開關(guān)量的狀態(tài)沒(méi)有改變，系統(tǒng)重新采集數(shù)據(jù)；當(dāng)接收到一個(gè)事件觸發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)按照該觸發(fā)事件時(shí)間標(biāo)記將采集到的數(shù)據(jù)傳送到緩存器中，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，如果在定義的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有其他事件到達(dá)，則完成1次SoE記錄，并將數(shù)據(jù)從緩存器中發(fā)送到雙口RAM中，再由通信CPU將數(shù)據(jù)從雙口RAM中調(diào)出，經(jīng)匯總整理后，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提交給上位機(jī)。其流程圖可簡(jiǎn)單描述如圖2所示：

4.2 上位機(jī)

上位機(jī)的程序主要負(fù)責(zé)工作狀態(tài)的設(shè)置及數(shù)據(jù)處理與輸出，利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和人機(jī)交互界面的編制^［11］。采集數(shù)據(jù)經(jīng)通訊CPU發(fā)往上位機(jī)后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序輸出結(jié)果，結(jié)果以事件發(fā)生的先后順序排序，報(bào)告相應(yīng)開關(guān)量的狀態(tài)變化情況，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)帶有時(shí)間標(biāo)簽數(shù)據(jù)的永久保存，作為優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析故障的重要依據(jù)。由于在機(jī)組的日常運(yùn)行中一些運(yùn)行設(shè)備的切換是很正常的，例如磨和風(fēng)機(jī)的切換，如果這些跳變也觸發(fā)產(chǎn)生SoE報(bào)表并打印，將造成系統(tǒng)資源的較大浪費(fèi)^［12］。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)以汽機(jī)跳閘等少數(shù)信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生SoE報(bào)表，并設(shè)置當(dāng)這些量中的任何一個(gè)跳變后，向前追憶及向后追加記錄的個(gè)數(shù)，從而完整地反映出整個(gè)突發(fā)事故的全貌。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于單片機(jī)和LabVIEW的SoE系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，在實(shí)際開發(fā)中，LabVIEW表現(xiàn)出很強(qiáng)的靈活性。LabVIEW環(huán)境下的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將單片機(jī)用于數(shù)據(jù)采集的靈活性與LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力相結(jié)合，可廣泛用于測(cè)控領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介 喬記平 男，1979年出生，在讀碩士，太原理工大學(xué)物理系，講師。主要從事虛擬儀器的研究。

呂玉祥 男，1964年出生，碩士，太原理工大學(xué)物理系，副教授。主要從事光電信號(hào)檢測(cè)的研究。