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基于嵌入式系统在电网远程监控中的应用

   日期:2012-08-07     来源:互联网    

  随着计算机技术的发展、生产过程自动化水平的提高,用户对电网监控系统的要求越来越高,对供电系统的监控和管理已成为保障企业生产、居民生活的重要因素。减少故障停电时间及次数,确保供电的可靠性、实时监测电网参数、改善电网质量,是供电系统自动化的主要任务。但由于早期的电力监测系统网络特性差,在整个电力网络中系统之间难以完成电力数据的通信,从而影响到整个电网的质量检测及优化控制。

  针对以上问题,本文研发了一套电网远程监控系统,以适应对电力质量管理的新的需求。本系统可实现对电网参数的主动测量、分析、自动存储等功能,通过Internet光纤环网将电网监测数据传送到调度室的监控主机,工作人员可以对远程设备的运行状况进行及时、准确的监控,对其故障先兆做出判断和预测,采取有效措施解决问题,保证大型机组安全运行,防止恶性事故的发生,避免了定期检修引起的生产停顿,起到预防和消除故障的作用,提高设备运行的可靠性、安全性和有效性。

  1 电网远程监控系统的总体架构设计

  本文所设计的电网远程监控系统由监控主机、电网监测仪、光端交换机及光纤环网组成。监控主机可以通过光纤环网对多个电网监测仪进行监控,电网监测仪可以自动识别、储存并显示电网电压、电流、频率及功率等参数,通过光纤环网传送至监控主机。本系统的数据传输介质选用的是单模光纤,相比传统的串口总线RS232/RS485、CAN、非屏蔽双绞线UTP,光纤通讯具有传输距离远、数据吞吐量大、可扩展性强等诸多优点,非常适合远距离通讯的特点。图1为电网远程监控系统的结构图。

 

图1 电网远程监控系统的结构图

  2 电网监测仪的设计

  电网监测仪采用PHILIPS公司的LPC2131作为主控芯片,LPC2131是基于一个实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器,并带有32KB的嵌入高速FLASH存储器,含有1个10位8路A/D转换器及内部实时时钟。可以对电网电压、电流、频率及功率等参数进行监测、显示及储存,并通过TCP/IP协议将数据发送至上位机。图2为电网监测仪的系统框图。

 

图2 电网监测仪的系统框图

  2.1 电压电流检测

  在电压电流信号检测中,本系统采用直流采样法,需采集U、V、W三相电压以及四相电流信号(含零线电流),图3中PT1为电流型电压互感器,A相输入电压经限流电阻R1使PT1初级的额定电流为2.2 mA,次级会产生一个相同的电流。通过运算放大器(LF353),调节反馈电阻R2的值,即可在输出端得到所需的电压输出。

 

  图4中CT1为精密电流互感器CTY205A,输入端为额定电流5 A时,次级将产生2.5 mA的电流。通过运算放大器(LF353),调节反馈电阻船的值,即可在输出端得到所需的电流输出。

 

图4 A相电流转换电路图

  2.2 频率跟踪电路设计

  频率跟踪电路的主要作用是保持与电网电压的同步关系,避免频谱泄露现象。相电压经过变压器降压,通过两个二极管D1、D2,再送入放大器,将正弦信号转换为方波信号。电阻R7起到的作用是产生一个正反馈,加速放大器的跳变过程,得到更加精确的同步信号。图5即为频率跟踪电路。

 

 

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  2.3 网络模块

  网络模块采用Realtek公司的RTL8019AS以太网控制器,RTL8019AS具有32位输入输出地址,地址偏移量为00H-1FH,要接收和发送数据包则需要通过DMA读写RTL8019AS内部的16KB RAM,RTL8019AS使用跳线模式、IO方式读写。首先给RTL8019的NE2000兼容的各个寄存器分配PCS0引脚,IO地址为00H-FFH,即把CPU的A0-A4连接到RTL8019的A1-A5,RTL8019AS默认的IO地址为300H-3FFH,因此,将RTL8019AS的SA19-SA10和SA7-SA5接地,SA9、SA8接VCC.电路设计完成后,通过MAC引擎以及ISA总线即可与LPC2131进行数据交互,图6为RTL8019AS与LPC2131的接口电路图。

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图6 RTL8019AS与LPC2131的接口电路图

  2.4 液晶显示

  液晶显示器采用CM12864型LCD,液晶模块经数据总线接收LPC2131发送的指令和数据,存入内部的数据存储器中,从而实现所需信息的显示。为了获得友好的界面和便捷的使用,液晶显示采用汉字显示方式,从字模软件中获取汉字代码,再将每个汉字的代码记录在CAT1025中,在使用时跳去。由于LPC2131大多GPIO是复用口,需要在使用前对L/O口进行设置。图7为LPC2131与CM12864的连接框图。

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图7 LPC2131与CM12864的连接框图

  3 电网远程监控的实现

  本文所设计的电网远程监控系统采用客户一服务器分布式网络接口,远程监控主机(服务器端)通过Internet连接到电网监测仪(客户端),实现电网的远程监控。

  3.1 客户/服务器机制

  针对电网远程监控系统的特点,将电网监测仪设置为客户端,远程监控主机设置为服务器端。服务器端24小时不问断地监听来自客户端的连接请求,建立连接后进行TCP数据传输。图8为基于TCP协议的客户/服务器机制。

图8 基于TCP协议的客户/服务器机制

  客户端首先申请套接字打开通信信道,并连接到服务器所在主机保留的端口,该端口对应服务器的TCP进程;随后向服务器发出请求报文并等待接收应答;最后从服务器收到最终应答结果,或在不再请求时关闭信道并终止客户端进程。

  服务器端首先申请套接字打开通信通道,通知本地主机在某一保留端口接受客户端请求;一旦接收到客户端的请求,便启动新进程处理用户请求,同时释放旧进程以响应新的客户请求,一旦服务完成,便关闭新进程与客户的通信链路;如果不想响应客户端的请求,则关闭服务器进程。

  3.2 实时监控系统

  远程监控主机(服务器端)的网络通讯程序采用VB编写,使用MFC Winsock类添加网络通信能力。远程监控主机的IP地址为192.168. 1.100,监控程序端口号8000,所有网络上的电网监测仪都与该服务器监控程序建立连接,传输数据。此时监控程序的运行状态为监听连接,等待各个电网监测仪(客户端)设备的连接请求。当某个电网监测仪与服务器端监控程序建立连接之后,就开始进行传输数据。

 

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  3.3 历史数据查询

  若服务器端要求获得电网的实时参数,客户端在上传实时数据时将数据存储到客户端的数据库,同时服务器端将接收到的数据存放在自己的数据库中,形成历史数据库,供查询、决策参考及故障分析。

  远程监控系统的SQL Server数据库采用ADO API技术,用ADO的Connection对象实现与数据库的连接,用Recordset对象实现对数据记录的访问,用Command对象来实现SQL查询,用Error对象控制数据交换时发生的错误。

  数据库查询是在用户条件的基础上从数据库中返回相应的结果,因此需要在查询中包含变量或控件的值。其功能主要是从电网参数表中查询两个时间段之间的电网整点参数。图9为查询数据库的流程图。

 

  3.4 电网远程监控系统的调试

  本文所设计的电网监测仪在四川省达州电业局经过反复测试,效果良好,该系统能够及时的检测并发送电压、电流、功率及频率等参数给监控主机。监控主机显示的数据对比现场测量的数据误差在5%以内,各项参数的测试都比较准确。表1为系统测试的其中一组数据。

 

  4 结论

  随着现代化电网的高速发展,电网远程监控系统将发挥越来越重要的作用。本文自行设计的电网远程监控系统经过大量实验和反复调试,该监控系统运行稳定可靠,能够满足现场需要,使用方便,可以有效地提高控制和管理水平,同时也为现有的电网参数监控设备提供了一种设计方法,以便相关电力工作者参考与借鉴。

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