電力通信傳輸參數(shù)的遠(yuǎn)程優(yōu)化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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(國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要命脈，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過(guò)程中，用電負(fù)荷也在不斷的增加，供電范圍在不斷的擴(kuò)大，配電房數(shù)量持續(xù)增加，各個(gè)地區(qū)電力系統(tǒng)越來(lái)越龐大。目前已經(jīng)發(fā)展為多個(gè)電網(wǎng)聯(lián)合為用戶(hù)供電的方式。在此背景下，如何使電網(wǎng)能夠安全有效的運(yùn)行，并且廉價(jià)及優(yōu)質(zhì)的電力的電力供應(yīng)問(wèn)題備受供電部門(mén)的重視。對(duì)于電力負(fù)荷參數(shù)有效及全面的采集，對(duì)于供電設(shè)備運(yùn)行情況的檢測(cè)、故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)及定位具有重要的作用，能夠使電網(wǎng)安全且有效的運(yùn)行，此方面也是配網(wǎng)自動(dòng)化的主要部分，其不僅為我們對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行情況的有效掌握提供了數(shù)據(jù)，還能夠有效實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程遙控。但是，對(duì)于多目標(biāo)、多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)的。系統(tǒng)監(jiān)控及管理水平無(wú)法滿(mǎn)足電力系統(tǒng)及用電單位可靠、安全及經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行需求，所以，就要使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的遠(yuǎn)程檢測(cè)。將GPRS作為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)具有廣泛的使用，其能夠使互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入到無(wú)限領(lǐng)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(wú)線(xiàn)終端支持B2C、B2B電子支付、電子商務(wù)、銀行轉(zhuǎn)賬及股票交易等使用。我國(guó)在2002年才開(kāi)始將此技術(shù)投入商用，運(yùn)營(yíng)時(shí)間比較晚。所以，在此方面的研究比歐洲各國(guó)要落后。因?yàn)槟承┓矫娴脑颍瑖?guó)外在GPRS網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用方面的研究并不多，市面中基于此種技術(shù)的系統(tǒng)終端也比較少見(jiàn)。本文的主要研究目的就是開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)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(shí)體。此系統(tǒng)的研發(fā)屬于移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)使用，其具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)思想

電力參數(shù)監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)具備多參數(shù)及多目標(biāo)的特點(diǎn)，具體分析就是在不同測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)具有大量測(cè)量目標(biāo)，不同目標(biāo)要求對(duì)多參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。此目標(biāo)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(biāo)及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且還要實(shí)現(xiàn)資源的共享。所以本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)創(chuàng)建就是利用RS總線(xiàn)構(gòu)成多CPU計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其主要任務(wù)就是滿(mǎn)足多任務(wù)、多目標(biāo)及多參數(shù)的監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性需求，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸可靠性、精準(zhǔn)性需求，滿(mǎn)足故障診斷可靠性需求，滿(mǎn)足系統(tǒng)組建靈活性及遠(yuǎn)程管理有效性的需求[1]。以系統(tǒng)以上技術(shù)要求，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中將系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)：

1)參數(shù)監(jiān)測(cè)及測(cè)量子系統(tǒng)。以實(shí)際需求為基礎(chǔ)，前端現(xiàn)場(chǎng)具有十個(gè)以下的子系統(tǒng)在RS總線(xiàn)中設(shè)置，每個(gè)系統(tǒng)都通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)所構(gòu)成，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為測(cè)量子系統(tǒng)；

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

3)中心管理主機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及管理子系統(tǒng)。其主要是通過(guò)PC機(jī)、Modem和數(shù)據(jù)管理及監(jiān)測(cè)軟件所構(gòu)成，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為中心管理子系統(tǒng)。此屬于集散式三級(jí)計(jì)算機(jī)測(cè)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(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

通過(guò)圖1可以看出來(lái)，系統(tǒng)是以RS總線(xiàn)及公用電話(huà)網(wǎng)傳輸基礎(chǔ)創(chuàng)建的，此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信具備主控單片機(jī)及中心管理主機(jī)雙端發(fā)起特點(diǎn)，中心管理人員能夠以實(shí)際需求為基礎(chǔ)，隨時(shí)點(diǎn)名呼叫測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)對(duì)呼叫進(jìn)行相應(yīng)，對(duì)中心管理主機(jī)發(fā)送需要的數(shù)據(jù)。此過(guò)程是利用主控系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的。并且主控單片機(jī)能夠主動(dòng)呼叫中心管理主機(jī)，傳送前端某個(gè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)所提出的報(bào)警信息[3]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能信號(hào)控制電路

信號(hào)控制電路智能電網(wǎng)中的電力通信傳輸參數(shù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)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(hào)的放大及濾波，此電路的主要作用就是在運(yùn)行之前調(diào)節(jié)智能電網(wǎng)中的電力通信信號(hào)。圖2為智能信號(hào)控制電路的結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖2可以看出來(lái)，信號(hào)控制電路中的上端屬于信號(hào)放大電路，下端屬于濾波電路。智能電網(wǎng)中電力通信信號(hào)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(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行工作之前能夠?qū)崿F(xiàn)采集頻率的設(shè)計(jì)，濾波就將自身的需求信號(hào)比采集頻率二分之一高的諧波進(jìn)行過(guò)濾。本文所設(shè)計(jì)的濾波電路屬于低通二階無(wú)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(hào)控制電路的結(jié)構(gòu)

2.2 智能信號(hào)采集電路

智能電網(wǎng)中的電力通信信號(hào)控制在結(jié)束工作之后，檢測(cè)系統(tǒng)就能夠?qū)χ悄懿杉瘞愤M(jìn)行調(diào)用，從而采集電力通信傳輸參數(shù)。圖3為智能信號(hào)采集電路的結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖3可以看出來(lái)，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(yuǎn)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(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)。另外，采集電路能夠?qū)崿F(xiàn)八通道信號(hào)同時(shí)輸入，其中的系統(tǒng)能夠?qū)?個(gè)信號(hào)控制電路工作實(shí)現(xiàn)，并且將此8個(gè)信號(hào)控制電路成為采集電路輸入端，此種優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠使系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水平得到提高。在實(shí)現(xiàn)電力通信傳輸參數(shù)分離的時(shí)候，要將采集頻率和電力通信信號(hào)基礎(chǔ)頻率同步，從而使系統(tǒng)運(yùn)算量得到降低，以此使通監(jiān)測(cè)誤差得到縮短，之后利用串口電路到計(jì)算機(jī)中傳輸，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)電力通信傳輸參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[5]。

圖3 智能信號(hào)采集電路的結(jié)構(gòu)

2.3 串口電路

串口電路屬于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)硬件及軟件相互連接的基礎(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，使用RS485作為串口電路通信的標(biāo)準(zhǔn)。RS485標(biāo)準(zhǔn)在傳輸過(guò)程中具有較強(qiáng)的安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)32個(gè)負(fù)載元件及收發(fā)器的同時(shí)工作，通過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)也能夠設(shè)計(jì)串口電路，圖4為串口電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)圖4可以看出來(lái)，RS485標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)

2.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表硬件設(shè)計(jì)

在大部分變頻器應(yīng)用過(guò)程中，電機(jī)和操作室距離比較遠(yuǎn)。比如在現(xiàn)場(chǎng)安裝便器，對(duì)工作操作和觀(guān)察非常不便。如果在操作室中安裝，那么就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力線(xiàn)拉距離較遠(yuǎn)，提高了成本，而且還會(huì)對(duì)變頻器自身和系統(tǒng)中的其他設(shè)備造成干擾。那么，就要實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程操作現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表的開(kāi)發(fā)研制，利用RS485網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)、停止及加速、減速，并且將變頻器工作頻率、母線(xiàn)電流等運(yùn)行狀態(tài)充分的展現(xiàn)出來(lái)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表屬于電力參數(shù)遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)，其中具有綜合多種功能的單片機(jī)系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示、鍵盤(pán)等操作。圖5為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表的硬件框圖。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表的硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包括主函數(shù)、鍵盤(pán)程序、變頻器現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)的過(guò)程中主要包括系統(tǒng)初始化開(kāi)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(shí)鐘、定時(shí)器、I/O口的初始化。開(kāi)始、中斷主要包括定時(shí)器、以太網(wǎng)通信的開(kāi)始、中斷。

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

3)變頻器控制。使用定時(shí)器中斷方式掃描鍵盤(pán)，并且對(duì)指令進(jìn)行識(shí)別，利用RS485實(shí)現(xiàn)變頻器的通信，以此能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀器的變頻器啟動(dòng)、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(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)通信程序主要是利用主從模式，軟件的設(shè)計(jì)核心屬于單片機(jī)內(nèi)核及RS485控制器的數(shù)據(jù)變換[8]。

在主循環(huán)中，開(kāi)機(jī)之后的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化及開(kāi)中斷，在啟動(dòng)A/D之后會(huì)實(shí)現(xiàn)采樣通道的轉(zhuǎn)變，以采樣值實(shí)現(xiàn)更新及顯示，在出現(xiàn)中斷時(shí)候?qū)崿F(xiàn)中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)按鍵輸入、數(shù)據(jù)發(fā)送[9]。圖6為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表主循環(huán)的程序流程。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表主循環(huán)的程序流程

3.2 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件編寫(xiě)主要包括內(nèi)核移植、應(yīng)用程序及驅(qū)動(dòng)程序等。BootLoader屬于Linux引導(dǎo)程序，為了能夠使開(kāi)發(fā)周期得到縮短，就要在開(kāi)發(fā)板中實(shí)現(xiàn)通用U-Boot的抑制，只需要對(duì)編譯部分程序進(jìn)行配置[10]。也就是實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的初始化、內(nèi)存空間映射表的創(chuàng)建、內(nèi)核映像啟動(dòng)的引導(dǎo)，從而為L(zhǎng)inux提供基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境。本文使用Linux操作系統(tǒng)屬于免費(fèi)并且支持多用戶(hù)的系統(tǒng)，其價(jià)格成本較低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高度設(shè)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(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核最低層，其不僅能夠?yàn)閮?nèi)核及硬件之間提供良好的接口，還能夠?yàn)閼?yīng)用程序提供接口數(shù)據(jù)[11]。其中的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)串口協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換，在移植良好Linux操作系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)通信子系統(tǒng)、接口程序及進(jìn)程間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等應(yīng)用程序的編寫(xiě)[12]，圖7 為嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖7 嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.3 接口通信程序的設(shè)計(jì)

接口通信模塊主要是通過(guò)通信程序中獲得數(shù)據(jù)，并且對(duì)通信程序中傳送校表數(shù)據(jù)。在執(zhí)行程序之前先實(shí)現(xiàn)SPI接口的初始化，此初始化主要是實(shí)現(xiàn)各接口輸入輸出工作狀態(tài)初始化。在系統(tǒng)開(kāi)始的時(shí)候，要對(duì)寫(xiě)命令或者讀命令進(jìn)行判斷，判斷條件利用八位數(shù)據(jù)最高位進(jìn)行發(fā)送，在最高位為1的時(shí)候，表示發(fā)送寫(xiě)命令，以此實(shí)現(xiàn)寫(xiě)命令的執(zhí)行。假如最高位為0，那么就表示為讀命令，實(shí)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(luò)數(shù)據(jù)通信角度分析，要求系統(tǒng)不僅對(duì)客戶(hù)端進(jìn)行關(guān)注，還要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的連接，目標(biāo)系統(tǒng)使利用ARM作為核心，所以在對(duì)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中也要針對(duì)此架構(gòu)處理器實(shí)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(gè)調(diào)試主機(jī)及ARM編譯器的運(yùn)行，其能夠?qū)語(yǔ)言編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)ARM機(jī)器指令集的編譯，之后對(duì)調(diào)試器進(jìn)行啟動(dòng)，利用JTAG接口使程序到目標(biāo)系統(tǒng)中的程序存儲(chǔ)器中進(jìn)行下載，最后對(duì)此程序進(jìn)行執(zhí)行。因?yàn)锳RM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(jiǎn)化，方便了硬件開(kāi)發(fā)及調(diào)試[14]。

系統(tǒng)中具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)程序的調(diào)試不僅包括目標(biāo)系統(tǒng)中變量及存儲(chǔ)區(qū)需求之外，還要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端數(shù)據(jù)的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)LwIP測(cè)試程序的運(yùn)行，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)UDP及TCP數(shù)據(jù)包檢測(cè)程序的運(yùn)行，就得到了運(yùn)行結(jié)果[15]，詳見(jiàn)圖9。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的電力通信傳輸參數(shù)遠(yuǎn)程優(yōu)化檢測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)電力部門(mén)對(duì)于配電、供電系統(tǒng)功能的管理網(wǎng)絡(luò)化及自動(dòng)化需求，基于現(xiàn)代移動(dòng)通信基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了電力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建。本文設(shè)計(jì)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?yàn)橄到y(tǒng)沒(méi)有低功耗設(shè)計(jì)需求，并且對(duì)于輸出容量需求，使用成本較低的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，不僅能夠節(jié)約成本，還能夠滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)電源的需求。在設(shè)計(jì)之前對(duì)電力系統(tǒng)強(qiáng)干擾環(huán)境進(jìn)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(qiáng)電環(huán)境中也能夠可靠且穩(wěn)定的運(yùn)行。另外在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，使用監(jiān)測(cè)儀表及以太網(wǎng)管的設(shè)計(jì)，不僅能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)于系統(tǒng)的人機(jī)交互需求，還能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中安全、穩(wěn)定的需求，有效解決系統(tǒng)中的難點(diǎn)及重點(diǎn)問(wèn)題。