, , ,,

(國網(wǎng)新疆電力有限公司 信息通信公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

電力能源屬于國民經(jīng)濟發(fā)展的主要命脈，在國民經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程中，用電負荷也在不斷的增加，供電范圍在不斷的擴大，配電房數(shù)量持續(xù)增加，各個地區(qū)電力系統(tǒng)越來越龐大。目前已經(jīng)發(fā)展為多個電網(wǎng)聯(lián)合為用戶供電的方式。在此背景下，如何使電網(wǎng)能夠安全有效的運行，并且廉價及優(yōu)質(zhì)的電力的電力供應問題備受供電部門的重視。對于電力負荷參數(shù)有效及全面的采集，對于供電設備運行情況的檢測、故障的實時檢測及定位具有重要的作用，能夠使電網(wǎng)安全且有效的運行，此方面也是配網(wǎng)自動化的主要部分，其不僅為我們對電網(wǎng)運行情況的有效掌握提供了數(shù)據(jù)，還能夠有效實現(xiàn)電力系統(tǒng)遠程遙控。但是，對于多目標、多現(xiàn)場實現(xiàn)人工連續(xù)性管理及監(jiān)察都是低效率并且不現(xiàn)實的。系統(tǒng)監(jiān)控及管理水平無法滿足電力系統(tǒng)及用電單位可靠、安全及經(jīng)濟的運行需求，所以，就要使用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)電力負荷的遠程檢測。將GPRS作為基礎的無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)具有廣泛的使用，其能夠使互聯(lián)網(wǎng)進入到無限領域中，一直到手掌中延伸。不僅能夠支持傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)使用，還能夠?qū)崿F(xiàn)無線終端支持B2C、B2B電子支付、電子商務、銀行轉(zhuǎn)賬及股票交易等使用。我國在2002年才開始將此技術投入商用，運營時間比較晚。所以，在此方面的研究比歐洲各國要落后。因為某些方面的原因，國外在GPRS網(wǎng)絡終端應用方面的研究并不多，市面中基于此種技術的系統(tǒng)終端也比較少見。本文的主要研究目的就是開發(fā)滿足網(wǎng)絡化電力參數(shù)監(jiān)控需求的裝置，其中主要包括硬件板卡及軟件實體。此系統(tǒng)的研發(fā)屬于移動數(shù)據(jù)通信技術使用，其具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成及設計思想

電力參數(shù)監(jiān)測及管理系統(tǒng)具備多參數(shù)及多目標的特點，具體分析就是在不同測量現(xiàn)場具有大量測量目標，不同目標要求對多參數(shù)進行測量。此目標及參數(shù)在地理中分布到不同地方，但是又比較集中，所以系統(tǒng)創(chuàng)建要能夠集中度分散目標及數(shù)據(jù)進行處理，并且還要實現(xiàn)資源的共享。所以本文所設計的系統(tǒng)創(chuàng)建就是利用RS總線構(gòu)成多CPU計算機系統(tǒng)，其主要任務就是滿足多任務、多目標及多參數(shù)的監(jiān)測實時性需求，滿足數(shù)據(jù)傳輸可靠性、精準性需求，滿足故障診斷可靠性需求，滿足系統(tǒng)組建靈活性及遠程管理有效性的需求[1]。以系統(tǒng)以上技術要求，在實現(xiàn)系統(tǒng)設計過程中將系統(tǒng)分為3個子系統(tǒng)：

1)參數(shù)監(jiān)測及測量子系統(tǒng)。以實際需求為基礎，前端現(xiàn)場具有十個以下的子系統(tǒng)在RS總線中設置，每個系統(tǒng)都通過單片機系統(tǒng)所構(gòu)成，以下簡稱為測量子系統(tǒng)；

2)RS主控子系統(tǒng)。其主要指的是將CPU單片機作為數(shù)據(jù)控制及處理的核心，另外還包括Modem，以下簡稱為主控子系統(tǒng)；

3)中心管理主機數(shù)據(jù)實時監(jiān)測及管理子系統(tǒng)。其主要是通過PC機、Modem和數(shù)據(jù)管理及監(jiān)測軟件所構(gòu)成，以下簡稱為中心管理子系統(tǒng)。此屬于集散式三級計算機測量管理子系統(tǒng)[2]，圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖1 電力通信傳輸參數(shù)遠程檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

通過圖1可以看出來，系統(tǒng)是以RS總線及公用電話網(wǎng)傳輸基礎創(chuàng)建的，此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信具備主控單片機及中心管理主機雙端發(fā)起特點，中心管理人員能夠以實際需求為基礎，隨時點名呼叫測量現(xiàn)場，測量現(xiàn)場對呼叫進行相應，對中心管理主機發(fā)送需要的數(shù)據(jù)。此過程是利用主控系統(tǒng)所實現(xiàn)的。并且主控單片機能夠主動呼叫中心管理主機，傳送前端某個測量現(xiàn)場所提出的報警信息[3]。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 智能信號控制電路

信號控制電路智能電網(wǎng)中的電力通信傳輸參數(shù)的遠程檢測系統(tǒng)能夠精準的收集電力通信傳輸參數(shù)，其還能夠?qū)崿F(xiàn)智能電網(wǎng)中電力通信信號的放大及濾波，此電路的主要作用就是在運行之前調(diào)節(jié)智能電網(wǎng)中的電力通信信號。圖2為智能信號控制電路的結(jié)構(gòu)，通過圖2可以看出來，信號控制電路中的上端屬于信號放大電路，下端屬于濾波電路。智能電網(wǎng)中電力通信信號在放大之后就能夠?qū)崿F(xiàn)濾波，其中智能電網(wǎng)電力通信傳輸參數(shù)的遠程檢測系統(tǒng)在進行工作之前能夠?qū)崿F(xiàn)采集頻率的設計，濾波就將自身的需求信號比采集頻率二分之一高的諧波進行過濾。本文所設計的濾波電路屬于低通二階無窮增益濾波電路，其具有較高的安全性及較低的阻抗輸出[4]。

圖2 智能信號控制電路的結(jié)構(gòu)

2.2 智能信號采集電路

智能電網(wǎng)中的電力通信信號控制在結(jié)束工作之后，檢測系統(tǒng)就能夠?qū)χ悄懿杉瘞愤M行調(diào)用，從而采集電力通信傳輸參數(shù)。圖3為智能信號采集電路的結(jié)構(gòu)，通過圖3可以看出來，采集電路能夠?qū)崿F(xiàn)電力通信傳輸參數(shù)4通道同步的遠程采集，并且還能夠優(yōu)化傳統(tǒng)電網(wǎng)中的電力通信參數(shù)參數(shù)遠程檢測系統(tǒng)。另外，采集電路能夠?qū)崿F(xiàn)八通道信號同時輸入，其中的系統(tǒng)能夠?qū)?個信號控制電路工作實現(xiàn)，并且將此8個信號控制電路成為采集電路輸入端，此種優(yōu)化設計能夠使系統(tǒng)監(jiān)測水平得到提高。在實現(xiàn)電力通信傳輸參數(shù)分離的時候，要將采集頻率和電力通信信號基礎頻率同步，從而使系統(tǒng)運算量得到降低，以此使通監(jiān)測誤差得到縮短，之后利用串口電路到計算機中傳輸，通過計算機軟件實現(xiàn)電力通信傳輸參數(shù)的遠程監(jiān)測[5]。

圖3 智能信號采集電路的結(jié)構(gòu)

2.3 串口電路

串口電路屬于監(jiān)測系統(tǒng)中實現(xiàn)硬件及軟件相互連接的基礎，在實際應用過程中，使用RS485作為串口電路通信的標準。RS485標準在傳輸過程中具有較強的安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)32個負載元件及收發(fā)器的同時工作，通過此標準也能夠設計串口電路，圖4為串口電路的結(jié)構(gòu)設計，通過圖4可以看出來，RS485標準接口利用穩(wěn)定發(fā)送及差分接收的收發(fā)方式，使收發(fā)器具備一定的靈活性，從而使抗干擾能力提高[6]。

圖4 串口電路的結(jié)構(gòu)設計

2.4 現(xiàn)場監(jiān)控儀表硬件設計

在大部分變頻器應用過程中，電機和操作室距離比較遠。比如在現(xiàn)場安裝便器，對工作操作和觀察非常不便。如果在操作室中安裝，那么就會導致動力線拉距離較遠，提高了成本，而且還會對變頻器自身和系統(tǒng)中的其他設備造成干擾。那么，就要實現(xiàn)變頻器遠程操作現(xiàn)場監(jiān)控儀表的開發(fā)研制，利用RS485網(wǎng)絡遠程控制變頻器的啟動、停止及加速、減速，并且將變頻器工作頻率、母線電流等運行狀態(tài)充分的展現(xiàn)出來?，F(xiàn)場監(jiān)控儀表屬于電力參數(shù)遠程檢測系統(tǒng)下位機，其中具有綜合多種功能的單片機系統(tǒng)，能夠有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)場實時顯示、鍵盤等操作。圖5為現(xiàn)場監(jiān)控儀表的硬件框圖。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)控儀表的硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件的設計

3.1 現(xiàn)場監(jiān)控儀表

現(xiàn)場監(jiān)控儀表軟件在設計過程中主要包括主函數(shù)、鍵盤程序、變頻器現(xiàn)場控制程序及數(shù)據(jù)采集處理程序等。

1)主函數(shù)。在主函數(shù)程序設計的過程中主要包括系統(tǒng)初始化開始、中斷和功能子函數(shù)的調(diào)用，系統(tǒng)初始化主要包括時鐘、定時器、I/O口的初始化。開始、中斷主要包括定時器、以太網(wǎng)通信的開始、中斷。

2)數(shù)據(jù)采集處理程序。此主要是針對電機電流及電機表面溫度實現(xiàn)采樣，使用中斷方式實現(xiàn)各路模擬信號的分別采樣，并且以此將轉(zhuǎn)換的結(jié)果到數(shù)據(jù)存儲區(qū)中進行存儲[7]。

3)變頻器控制。使用定時器中斷方式掃描鍵盤，并且對指令進行識別，利用RS485實現(xiàn)變頻器的通信，以此能夠?qū)ΜF(xiàn)場監(jiān)控儀器的變頻器啟動、暫停及調(diào)速等。

4)儀表RS485通信程序。RS485通信程序是利用Modbus協(xié)議和聯(lián)系系統(tǒng)功能所設計的，設計通信程序主要是利用主從模式，軟件的設計核心屬于單片機內(nèi)核及RS485控制器的數(shù)據(jù)變換[8]。

在主循環(huán)中，開機之后的單片機實現(xiàn)系統(tǒng)初始化及開中斷，在啟動A/D之后會實現(xiàn)采樣通道的轉(zhuǎn)變，以采樣值實現(xiàn)更新及顯示，在出現(xiàn)中斷時候?qū)崿F(xiàn)中斷服務程序的執(zhí)行，利用定時器實現(xiàn)按鍵輸入、數(shù)據(jù)發(fā)送[9]。圖6為現(xiàn)場監(jiān)控儀表主循環(huán)的程序流程。

圖6 現(xiàn)場監(jiān)控儀表主循環(huán)的程序流程

3.2 以太網(wǎng)網(wǎng)關

以太網(wǎng)網(wǎng)關的軟件編寫主要包括內(nèi)核移植、應用程序及驅(qū)動程序等。BootLoader屬于Linux引導程序，為了能夠使開發(fā)周期得到縮短，就要在開發(fā)板中實現(xiàn)通用U-Boot的抑制，只需要對編譯部分程序進行配置[10]。也就是實現(xiàn)硬件設備的初始化、內(nèi)存空間映射表的創(chuàng)建、內(nèi)核映像啟動的引導，從而為Linux提供基礎運行環(huán)境。本文使用Linux操作系統(tǒng)屬于免費并且支持多用戶的系統(tǒng)，其價格成本較低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高度設置，而且具有良好的穩(wěn)定性，所以在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛使用。利用串口、以太網(wǎng)卡控制器等驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)設計開發(fā)，設備的驅(qū)動程序在內(nèi)核最低層，其不僅能夠為內(nèi)核及硬件之間提供良好的接口，還能夠為應用程序提供接口數(shù)據(jù)[11]。其中的應用程序設計能夠?qū)崿F(xiàn)串口協(xié)議及網(wǎng)絡協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換，在移植良好Linux操作系統(tǒng)種實現(xiàn)通信子系統(tǒng)、接口程序及進程間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等應用程序的編寫[12]，圖7 為嵌入式網(wǎng)關的設計結(jié)構(gòu)。

圖7 嵌入式網(wǎng)關的設計結(jié)構(gòu)

3.3 接口通信程序的設計

接口通信模塊主要是通過通信程序中獲得數(shù)據(jù)，并且對通信程序中傳送校表數(shù)據(jù)。在執(zhí)行程序之前先實現(xiàn)SPI接口的初始化，此初始化主要是實現(xiàn)各接口輸入輸出工作狀態(tài)初始化。在系統(tǒng)開始的時候，要對寫命令或者讀命令進行判斷，判斷條件利用八位數(shù)據(jù)最高位進行發(fā)送，在最高位為1的時候，表示發(fā)送寫命令，以此實現(xiàn)寫命令的執(zhí)行。假如最高位為0，那么就表示為讀命令，實現(xiàn)讀命令程序的執(zhí)行[13]。

4 系統(tǒng)的調(diào)試

基于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信角度分析，要求系統(tǒng)不僅對客戶端進行關注，還要實現(xiàn)服務器端的連接，目標系統(tǒng)使利用ARM作為核心，所以在對系統(tǒng)調(diào)試過程中也要針對此架構(gòu)處理器實現(xiàn)，圖8為系統(tǒng)的調(diào)試框架。在調(diào)試系統(tǒng)中具有一個調(diào)試主機及ARM編譯器的運行，其能夠?qū)語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)ARM機器指令集的編譯，之后對調(diào)試器進行啟動，利用JTAG接口使程序到目標系統(tǒng)中的程序存儲器中進行下載，最后對此程序進行執(zhí)行。因為ARM芯片自身能夠支持調(diào)試硬件，所以就是仿真硬件及成本得到了簡化，方便了硬件開發(fā)及調(diào)試[14]。

系統(tǒng)中具有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡程序的調(diào)試不僅包括目標系統(tǒng)中變量及存儲區(qū)需求之外，還要實現(xiàn)服務器端數(shù)據(jù)的關注。實現(xiàn)LwIP測試程序的運行，在服務器端實現(xiàn)UDP及TCP數(shù)據(jù)包檢測程序的運行，就得到了運行結(jié)果[15]，詳見圖9。

圖9 電力通信傳輸參數(shù)遠程優(yōu)化檢測系統(tǒng)調(diào)試主站測試的程序

5 結(jié)束語

本文所設計的電力通信傳輸參數(shù)遠程優(yōu)化檢測系統(tǒng)主要是針對電力部門對于配電、供電系統(tǒng)功能的管理網(wǎng)絡化及自動化需求，基于現(xiàn)代移動通信基礎，實現(xiàn)了電力參數(shù)實時監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建。本文設計的系統(tǒng)能夠利用220 V交流供電，還能夠直接使用變壓器副邊220 V輸出。因為系統(tǒng)沒有低功耗設計需求，并且對于輸出容量需求，使用成本較低的線性穩(wěn)壓器，不僅能夠節(jié)約成本，還能夠滿足應用系統(tǒng)對電源的需求。在設計之前對電力系統(tǒng)強干擾環(huán)境進行了全面的考慮，不使控制核心直接和外界連接，從而能夠使系統(tǒng)在強電環(huán)境中也能夠可靠且穩(wěn)定的運行。另外在系統(tǒng)軟件設計方面，使用監(jiān)測儀表及以太網(wǎng)管的設計，不僅能夠滿足用戶對于系統(tǒng)的人機交互需求，還能夠滿足系統(tǒng)在運行過程中安全、穩(wěn)定的需求，有效解決系統(tǒng)中的難點及重點問題。