基于嵌入式系统在电网远程监控中的应用

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。
   
   

2 电网监测仪的设计
电网监测仪采用NXP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。
   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。
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。
   
   
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。
   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。
   
   

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。
   
   
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。
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。