王承宇 陳宇晨 侯 昀 陳衛(wèi)蘭 潘宇婷

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；2.上海市電力公司，上海 200122；3.南方電網(wǎng)樂(lè)昌供電局，廣東 樂(lè)昌 512200)

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展使得基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信、控制在日常生活和工業(yè)中的應(yīng)用日益普遍?；赪eb的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程客戶端要求低，再加上互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，它將會(huì)更廣泛地應(yīng)用到工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能樓宇及遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)等上[1]。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)及智能化程度高等特點(diǎn)[2]，以虛擬儀器技術(shù)為平臺(tái)建立的斷路器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)功能單一及升級(jí)復(fù)雜等缺點(diǎn)，并且可以使功能更強(qiáng)、精度更高、速度更快、自動(dòng)化程度更高、靈活性更強(qiáng)。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)①

為了實(shí)現(xiàn)不同位置的斷路器與監(jiān)控層之間的通信、網(wǎng)絡(luò)連接和控制，筆者融合了Web服務(wù)器、嵌入式系統(tǒng)和LabVIEW上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)思想[3]，開(kāi)發(fā)了基于Web的斷路器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面可以通過(guò)瀏覽器登錄到Web服務(wù)器，從而對(duì)嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控，另一方面可以對(duì)多臺(tái)斷路器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示和分析。其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用分層思想設(shè)計(jì)斷路器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)可以分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層(圖2)。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層將線上電壓、電流經(jīng)過(guò)互感器變?yōu)樾⌒盘?hào)后經(jīng)過(guò)外部處理電路，在A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換送入ARM芯片，然后通過(guò)STM32芯片進(jìn)行通信，控制其輸出、輸入。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)層次示意圖

管理層采用以太網(wǎng)進(jìn)行連接，使用嵌入式服務(wù)器技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)和管理主控單元、備用主控單元連接，管理層充當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層的媒介，完成它們間信息交換。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層接收來(lái)自管理層的數(shù)據(jù)。通過(guò)LabVIEW上位機(jī)軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)斷路器的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)斷路器之間的信息交換、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

筆者將交換的信息分為兩類：數(shù)據(jù)流和控制流[4]。數(shù)據(jù)流由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控層，控制流由遠(yuǎn)程監(jiān)控層發(fā)出直達(dá)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)別層。層次越高對(duì)集成信息的要求越高，層次越低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的占空比要求越小。

2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層處于系統(tǒng)的最底層，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的來(lái)源和控制流的接受者。其基本任務(wù)是實(shí)時(shí)不間斷地對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采集，將采集的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理并傳輸至管理層，遠(yuǎn)程監(jiān)控層。在電網(wǎng)發(fā)生故障(如三相不平衡、短路、過(guò)載及接地等現(xiàn)象)時(shí)，斷路器能迅速可靠地進(jìn)行保護(hù)。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

斷路器控制器具有電流保護(hù)、距離保護(hù)、零序保護(hù)、環(huán)網(wǎng)常閉、環(huán)網(wǎng)常開(kāi)、自動(dòng)重合、故障錄波及故障測(cè)距等功能[5]。線上電壓、電流經(jīng)過(guò)采樣模塊里的互感器變?yōu)樾⌒盘?hào)，經(jīng)過(guò)其內(nèi)部處理電路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片(MCP3201)，然后通過(guò)控制芯片STM32F103ZET6進(jìn)行通信，控制其輸出、輸入。A/D轉(zhuǎn)換采用連續(xù)掃描的方式，便于不間斷地采集信號(hào)，并傳輸至控制芯片。控制器與開(kāi)關(guān)本體通過(guò)控制電纜和航空插件進(jìn)行電氣連接，實(shí)現(xiàn)保護(hù)和自動(dòng)監(jiān)控功能?？刂破鬟€配有通信模塊(以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至管理層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)通過(guò)單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷路器的閉合閘。

圖3所示為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主框架，該裝置共分為3部分：主板(包含主控制芯片、通信模塊、保護(hù)模塊和顯示模塊)；輸入部分(采樣模塊含有電壓、電流互感器，濾波和采樣保持電路)；輸出部分(隔離裝置、繼電器或者M(jìn)OSFET、單片機(jī)控制合閘和分閘)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主框架示意圖

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層可配合10kV真空斷路器，用于10kV線路及電器設(shè)備等的保護(hù)、控制?？刂破骷Ｗo(hù)、控制單元于一體。

2.2 操作系統(tǒng)的選擇

搭建好嵌入式硬件系統(tǒng)后，為了使硬件達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)控制要求，引入操作系統(tǒng)，程序運(yùn)行時(shí)可以把一個(gè)應(yīng)用流程分割為多個(gè)任務(wù)，操作系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，通過(guò)調(diào)度器使CPU分時(shí)執(zhí)行各個(gè)任務(wù)，保證每個(gè)任務(wù)都能得到運(yùn)行。若調(diào)度方法優(yōu)良，則可使任務(wù)并行執(zhí)行，減少CPU的空閑時(shí)間，提高CPU的利用率。筆者選擇實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)μC/OS-II，它具有代碼量少、移植簡(jiǎn)單及可裁剪等優(yōu)點(diǎn)[6]。

3 管理層

管理層位于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層與遠(yuǎn)程監(jiān)控層之間，是信息交換的媒介。管理層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層通過(guò)以太網(wǎng)控制器聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)層采用交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和隔離，以達(dá)到隔離、減少?zèng)_突的目的?；赥CP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)貫通于監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)層次，使用戶決策與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制集于一有機(jī)整體。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層還需要實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)之間的通信，嵌入式Web服務(wù)器將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)流(主要是電流、電壓信號(hào))進(jìn)行匯總，并將數(shù)據(jù)流通過(guò)交換機(jī)上傳到主控單元和備用主控單元。主控單元對(duì)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行管理，當(dāng)主控單元出現(xiàn)故障時(shí)，可由備用主控單元來(lái)代替其作用。嵌入式設(shè)備可響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控層對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，監(jiān)控層也可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，檢測(cè)，并對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制。

現(xiàn)在通常使用的網(wǎng)絡(luò)基本上都是采用TCP/IP協(xié)議，從協(xié)議分層模型方面來(lái)講，TCP/IP由4個(gè)層次組成：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層[7]。要將ARM芯片作為網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，其程序是根據(jù)建立TCP應(yīng)用流程(圖4)編寫的。當(dāng)服務(wù)器開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)連接時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控端或?yàn)g覽器就可以提出連接請(qǐng)求，然后嵌入式服務(wù)器做出響應(yīng)。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控層

遠(yuǎn)程監(jiān)控層接收來(lái)自管理層的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、分析和控制。本系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程控制層包括網(wǎng)絡(luò)化控制與虛擬儀器技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)化控制將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和管理層上傳來(lái)的信息進(jìn)行分析、處理和控制。筆者設(shè)計(jì)了結(jié)合Web服務(wù)器技術(shù)的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有瀏覽交互式網(wǎng)頁(yè)及對(duì)嵌入式平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)視和控制等功能。通過(guò)嵌入式Web服務(wù)器系統(tǒng)(圖5)，用戶可以通過(guò)HTTP協(xié)議方便地訪問(wèn)相應(yīng)的嵌入式平臺(tái)，進(jìn)行有效監(jiān)視的同時(shí)還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，完成遠(yuǎn)程控制的功能。

圖4 建立TCP應(yīng)用流程

圖5 嵌入式Web服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)框圖

虛擬儀器是利用硬件系統(tǒng)(現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層)完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用計(jì)算機(jī)的顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以各種形式輸出檢測(cè)結(jié)果，從而完成各種測(cè)試和顯示功能[8]。LabVIEW上位機(jī)軟件的功能是對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行中的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，上位機(jī)軟件主要包括4個(gè)方面：登錄界面的設(shè)計(jì)，包括用戶名和密碼；主界面整體設(shè)計(jì)；電流、電壓實(shí)時(shí)顯示模塊；故障分析模塊。

4.1 主界面

本系統(tǒng)提供了兩個(gè)數(shù)據(jù)源(采集數(shù)據(jù)和仿真信號(hào))，可通過(guò)面板上“讀數(shù)據(jù)/仿真信號(hào)”布爾按鈕進(jìn)行切換。登錄界面進(jìn)入不同的斷路器監(jiān)控系統(tǒng)主界面，將斷路器進(jìn)行編號(hào)，方便我們識(shí)別不同位置的斷路器。主界面有實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、電流與電壓實(shí)時(shí)波形圖和故障情況分析，通過(guò)軟件的初步分析可以得知故障狀態(tài)、故障原因，還有不同的保護(hù)信息顯示。單個(gè)斷路器監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖6所示。

圖6 單個(gè)斷路器監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4.2 電壓、電流有效值測(cè)量

采集的三相電壓、電流的原始數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控端，按列存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件“數(shù)據(jù)保存.xls”中，從左至右為電壓信號(hào)(A相、B相和C相)和電流信號(hào)(A相、B相和C相)。每次采集5個(gè)周期，每個(gè)周期200個(gè)采樣點(diǎn)。保存的數(shù)據(jù)通過(guò)“讀取電子表格文件.vi”和條件結(jié)構(gòu)的“0”幀中的6個(gè)“索引數(shù)組.vi”逐列讀出。

圖7是電壓、電流有效值測(cè)量的框圖程序。首先用“讀取電子表格文件.vi”和“索引數(shù)組.vi”將數(shù)據(jù)按行讀出[9]。本程序中用到了兩個(gè)for循環(huán)，外for循環(huán)將讀出的各相電壓、電流信號(hào)以周期為單位送入到內(nèi)for循環(huán)，在內(nèi)for循環(huán)中，將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行平方，然后將一個(gè)周期的200個(gè)數(shù)據(jù)的平方和相加，反饋輸出至外for循環(huán)，再除以

圖7 電壓、電流有效值測(cè)量程序

一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)200，求取平方根，即得出了一個(gè)周期內(nèi)電壓、電流有效值。為了得到精確的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采集了多個(gè)周期的數(shù)據(jù)，故在外for循環(huán)中又計(jì)算了多個(gè)周期的平均值。通過(guò)觀察，在主面板上可以正確地顯示三相電壓、電流的有效值。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行要求的提高和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)必將得到很大發(fā)展。采用基于Web和LabVIEW的斷路器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能有效檢測(cè)斷路器的運(yùn)行參數(shù)，在上位機(jī)上進(jìn)行顯示，并對(duì)相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行管理、控制，具有很大的使用價(jià)值。