引言
隨著非線性電力電子元器件的應(yīng)用,電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。因此有必要實時在線監(jiān)測電能質(zhì)量,,以便采取措施提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)大多采用多串口卡搭配工控機的模式,,這種模式成本昂貴,,而由傳統(tǒng)的單片機設(shè)計的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備不能滿足日益復(fù)雜的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)控制要求;在工業(yè)生產(chǎn)控制和通信領(lǐng)域,,串行口設(shè)備大多符合RS232標(biāo)準(zhǔn),。為了能夠?qū)⒍鄠€串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)絡(luò)上,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸,、設(shè)備的遠程控制便成了急待解決的問題,。同時由于成本問題,舊設(shè)備又不可能全部淘汰,。
因此,,本文搭建了一種基于嵌入式多串口通信轉(zhuǎn)換器的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。
1 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層,,監(jiān)測層,、現(xiàn)地控制層、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站,;監(jiān)測層包括7臺電力系統(tǒng)測量設(shè)備和電能質(zhì)量補償設(shè)備,;三相電壓表、三相電流表,、有功功率,、無功功率等檢測儀器通過串口連接到主板上,三相電流,、三相電壓等數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)酵ㄐ呸D(zhuǎn)換器,,通信轉(zhuǎn)換器再將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流,然后通過局域網(wǎng)發(fā)送到電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站;同時現(xiàn)地控制層建立了良好的人機界面, 使用戶可以一目了然地觀察電網(wǎng)運行的實時數(shù)據(jù),并具有數(shù)據(jù)存儲,、圖標(biāo)顯示,、數(shù)據(jù)打印等功能。
監(jiān)控系統(tǒng)第一層為監(jiān)測層,,主要由電氣測量設(shè)備構(gòu)成,負(fù)責(zé)采集和監(jiān)測電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù),,包括三相電壓有效值,、三相電流有效值、有功功率,、無功功率,、電壓閃變率和波動率、諧波特征值等電網(wǎng)狀態(tài)參量,,這些參量通過串口傳輸給現(xiàn)地控制層,,其中計算諧波時目前根據(jù)要求只計算到23次諧波, 截止頻率分別選擇為1.15kHz 和40Hz。計算閃變所需的數(shù)據(jù)從所存儲10 分鐘中的數(shù)據(jù)中進行抽樣獲得, 每隔10 分鐘數(shù)據(jù)需實時更新,。同時可對瞬時閃變視感度S(t)恒速采樣, 得出累積概率函數(shù),再計算出閃變值Pst,。
由于監(jiān)測層和現(xiàn)地控制層之間采用串口連接,監(jiān)測層的儀表點數(shù)最多可以擴展到256個,,因此在不改變其他硬件的情況下監(jiān)控系統(tǒng)具有較強的擴展性,。
監(jiān)控系統(tǒng)的第二層為現(xiàn)地控制層,現(xiàn)地測量的電網(wǎng)狀態(tài)參量通過串口傳輸給通信轉(zhuǎn)換器,,再通過通信轉(zhuǎn)換器將串性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包,,它保證了電網(wǎng)狀態(tài)參量數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)傳輸給電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站,同時嵌入式主板還可以接受來自電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站的控制命令,,以適應(yīng)電能質(zhì)量監(jiān)控的需要,。
監(jiān)控系統(tǒng)的第三層為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站,采用MySQL作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),,它根據(jù)來自現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)來判斷三相電壓,、電流是否越限,諧波含量是否超過國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),,同時傳達上級調(diào)度中心的調(diào)度命令來優(yōu)化現(xiàn)場控制設(shè)備的控制策略,,電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站還可以跟其他的電力調(diào)度通信中心聯(lián)網(wǎng),進一步提高電力系統(tǒng)自動化程度,。
2監(jiān)控層設(shè)計
監(jiān)控層測量設(shè)備包括三相電流表等,,由于現(xiàn)地控制層采用linux作為操作系統(tǒng),檢測層與現(xiàn)地控制層之間的通信利用select機制實現(xiàn)多路串口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與控制,,在linux下,,串口設(shè)備相當(dāng)于字符型設(shè)備,對串口的控制也就是對相應(yīng)文件進行讀/寫、控制等操作,,對于本系統(tǒng)的8路串口設(shè)備,,輪詢檢測方法顯然已不滿足系統(tǒng)設(shè)計需要,所謂輪詢檢測方法指對串口進行非阻塞的讀寫操作,,故監(jiān)控層采用select機制實現(xiàn)I/O復(fù)用來實現(xiàn)多串口數(shù)據(jù)的讀寫與控制,;其程序流程實現(xiàn)如下:首先調(diào)用open函數(shù)打開串口并獲得各個串口設(shè)備的文件描述符fd,8個文件描述符通過FD_SET,、FD_ISSET,、FD_ZERO、FD_CLR函數(shù)處理,,如果open函數(shù)返回數(shù)非0表明串口設(shè)備已經(jīng)打開,,再通過編寫自定義函數(shù)將串口配置設(shè)定為波特率115200、起始位1b,、數(shù)據(jù)位8b,、停止位1b和無流控協(xié)議,最后調(diào)用select函數(shù),如果沒有可讀/寫的設(shè)備,,且沒有設(shè)置超時返回功能,,那么進程將阻塞在select調(diào)用上;否則select函數(shù)返回,,并可通過測試參數(shù)來確定哪個I/O設(shè)備可讀或可寫,,而后以非阻塞方式操作該I/O設(shè)備,從而實現(xiàn)期望功能.
3現(xiàn)地控制層軟硬件設(shè)計
3.1硬件設(shè)計
現(xiàn)地控制設(shè)備采用嵌入式技術(shù),,主板核心處理器采用三星公司的32位的嵌入式微處理器S3C2410,,主頻200MHz以上,能夠滿足高速實時處理和大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?,具有強大的處理能力和升級空間,,本系統(tǒng)集成了某公司的多串口通信轉(zhuǎn)換器,提供8路串口,,串口參數(shù)設(shè)置為波特率115200,、起始位1b、數(shù)據(jù)位8b,、停止位1b和無流控協(xié)議,,具有16字節(jié)的FIFO可以減少中斷次數(shù),一路10M/100M以太網(wǎng)接口,,同時可以選擇,、處理串口數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流,,實現(xiàn)多個串口設(shè)備的上網(wǎng)和遠程監(jiān)控,。當(dāng)測量節(jié)點增加時,,無需淘汰原有串口設(shè)備,多臺設(shè)備可同時入網(wǎng),,既可以提高設(shè)備利用率,,又節(jié)約組網(wǎng)費用,還可在已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡化布線復(fù)雜度,。
3.2軟件設(shè)計
現(xiàn)地控制層實現(xiàn)的任務(wù)比較復(fù)雜,,既要負(fù)責(zé)與電力測量設(shè)備的通信,也要保證與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站的通信,,因此選擇linux系統(tǒng)作為嵌入式主板的操作系統(tǒng),。
現(xiàn)地控制層在TCP/IP 協(xié)議的基礎(chǔ)上利用套接字(socket)與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站建立面向連接的C/S(客戶機/服務(wù)器)通信方式,服務(wù)器在創(chuàng)建socket后,程序?qū)?chuàng)建的套接字同服務(wù)器地址以及端口綁定,此時套接字處于偵聽狀態(tài),并在固定端口上偵聽客戶機的連接請求, 服務(wù)器在接收到一個連接請求后會產(chǎn)生一個接收應(yīng)答,利用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)fork 創(chuàng)建一個子進程與客戶機進行通信,父進程則繼續(xù)在固定的端口上進行偵聽,。子進程在接收到數(shù)據(jù)信息后,利用MySQL更新數(shù)據(jù)庫,在通信過程中,服務(wù)器與每一個客戶機應(yīng)始終保持連接,從而保證接收現(xiàn)場信息的及時性。圖2為現(xiàn)地控制層系統(tǒng)流程圖,。
4總結(jié)
經(jīng)試驗證明,,多串口通信轉(zhuǎn)換器應(yīng)用在電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng),無需淘汰原有串口設(shè)備,,可實現(xiàn)多臺設(shè)備可同時入網(wǎng),,在提高設(shè)備利用率的同時,又節(jié)約組網(wǎng)費用,,性價比高,,易于集成。
本文作者創(chuàng)新點:使現(xiàn)有的多串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng),,并實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)的透明傳輸,。
項目數(shù)據(jù)來源于在實驗室條件下搭建的系統(tǒng),經(jīng)多次調(diào)試證明系統(tǒng)的性能良好,,相信投入后會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益,。