基于LabVIEW的無線電力管理系統設計與實現

蘇巧平，劉 原，涂德鳳

（1.安徽新華學院 電子通信工程學院，合肥 230088；2.安徽醫學高等?？茖W校，合肥 230000）

0 引言

電力是人們日常生活和工業生產中的主要能源，在現代社會中起著非常重要的作用。隨著科技的進步和社會的發展，電力參數的測量也凸顯出巨大的作用和意義，通過對電力參數及時、準確和可靠測量，科學調整電力供應控制策略，達到節能降耗和低碳環保的目的。本文基于ZigBee無線通信技術和設計實現了分布在較大范圍的電力參數精確采集和電力監控和管理決策支持系統的軟硬件設計，適用于學校、智能樓宇、高層公寓、飯店、商廈、工礦企業、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛生、金融和電信等領域用電的安全保護和電力供應控制策略。

1 無線電力管理系統工作原理

圖1 無線電力管理系統結構圖

無線電力管理系統由分布在較大范圍的帶有收發數據功能的電表（采集節點）、路由節點、協調器節點和監控室中的數據獲取平臺軟件四部分組成。如圖1所示。

在整個無線電力參數采集的網路中，協調器只有一個，路由節點和采集節點有多個。采集節點完成信息獲取的任務。采集節點獲取到數據后統一通過路由器節點發送到協調器節點。路由器節點是負責轉發信息的設備，大大增加了ZigBee技術傳輸的距離范圍。電力參數匯聚到協調器節點后，通過RS485總線傳輸到串口集線器，然后通過串口集線器將RS485信號轉換為串口信號，傳送到上位機控制平臺，按照約定的通信協議經過數據解析然后將電力參數數據處理存入數據庫，進行圖形化和報表顯示以及電力管理調度決策等功能。

1.1 硬件系統設計

本系統電力參數測量終端選用STC12C5A60S2單片機作為測量電參數的核心器件。三相電壓通過電壓互感器(TV)輸入，三相計量電流通過電流互感器(TA)輸入。電壓和電流經過互感器后轉換成二次側電壓小信號送入信號調理模塊處理，調理成A/D采樣所需的電壓信號，送給單片機自帶的A/D轉換器進行采樣及A/D轉換，將轉換后的結果存于單片機FLASH存儲器中并實時發送數據給現場無線收發模塊，無線發送數據。本硬件系統具有強大的數據采集和處理功能，實現對供電線路的三相電壓、電流、頻率、功率因素、有功功率、無功功率、電能、諧波等電參數的測量，系統框圖如圖1所示。其中有功功率、視在功率、功率因數和電能的計算是依據以下公式得出的。

1.2 Zigbee數據采集

ZigBee是一種低功耗近距離的無線組網通信技術。其特點是低功耗、近距離、低成本、復雜度低、自組織和低數據速率。應用場合包括自動控制和遠程控制等領域，方便嵌入各種設備。

ZigBee通信模塊和電力參數采集模塊的主要工作任務是：建立無線傳感器網絡、將網絡ID和自身的MAC、網絡地址發送給協調器節點、協調器節點接收上位機發送來的指令，解析后做相應的處理后發送給其他網絡設備、接收到其他設備的入網信息、接收到其它設備發送來的相關數據后發送給上位機。終端采集節點的任務有：啟動后尋找網絡并加入網絡、接收協調器發來的相關命令，并處理后采集數據，發回給協調器。路由器的工作主要有兩個：一是在網絡中轉發數據包，拓展網絡的范圍；二是當節點加入路由器后，通知協調器。整個系統信號鏈如圖2所示。

圖2 系統信號鏈示意圖

2 電力管理系統軟件設計

在電力管理系統設計過程中，作者嘗試了第四代編程語言LabVIEW的使用，感受到了的快捷和高效。LabVIEW不僅可以快捷的實現數據采集和數據庫操作，界面美觀大方，程序可讀性強，LabVIEW的使用也是今后軟硬件平臺使用的必然趨勢，特別是涉及到串口通信、485通信、USB通信等，LabVIEW都提供了強大的工具包，大大提高了開發的效率。本系統是基于事件結構的多線程應用軟件，本軟件系統包括兩部分任務，即后臺數據采集解析、實時報警和數據庫存儲，前臺包括電力參數數據的圖形化顯示、各種數據庫查詢操作、電能功耗分析和各種報表的生成等功能。系統框圖如圖3所示。

圖3 系統框圖

2.1 LabVIEW數據采集模塊

LabVIEW數據采集包括寫串口和讀串口，電表采集電力參數數據時是連續不間斷的，但是向上位機發送數據要等待上位機的發送數據命令，查詢信息幀包括：設備地址碼、寄存器信息碼、功能代碼、校準碼。地址碼表明要選中的從機設備；寄存器信息碼包含了從設備要執行功能的任何附加信息，例如從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數量；功能代碼為被選中的從設備要執行何種功能，例如功能代碼99是要求從設備讀寄存器并返回寄存器的所有內容，本文中就是用的這一功能；校驗碼用來檢驗一幀信息的正確性，從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法，它采用CRC16的校準規則。CRC校驗作為一個子VI被調用，為便于讀者更好的理解程序的編寫過程，圖4為去掉循環和判斷過程的串口寫和讀過程。其中串口的讀寫串口子VI均為嵌入式開發模塊中的VI，性能可靠穩定。

讀取串口數據首先根據通信協議進行數據解析，將解析到的14個電參數數據存儲在14個局部變量中，圖4中粉紅色變量為局部變量。

圖4 數據解析

在存儲數據之前首先要進行數據源連接，LabVIEW可以直接將SQL語句送給ODBC。ODBC是微軟公司開放服務結構中有關數據庫的一個組成部分，它建立了一組規范，并提供了一組對數據庫訪問的標準API（應用程序編程接口）。這些API利用SQL來完成其大部分任務。ODBC本身也提供了對SQL語言的支持。圖5是數據源的鏈接設置，通過此設置LabVIEW可以輕松地對于路徑下的數據庫表單進行相應的數據庫操作。圖6將存儲在14個局部變量的數據捆綁為簇寫入表名為tk的表中。

2.2 電力管理系統

圖5 數據源鏈接設置

圖6 數據入表程序

電力管理系統是C/S架構的軟件系統，通過輸入用戶和密碼即可進行分布在較大區域內電表的運行監視、電能質量分析、用電運行評估和火災漏電分析等。系統運行基于消息事件，包括鼠標點擊、進入、離開和雙擊。每個消息都對應相應的處理程序，程序編寫方便，便于移植，易讀性很強。以查詢有功功率為例，點擊水平方向的功率下拉菜單選擇有功功率，程序便會執行圖7的程序。

圖7 有功功率查詢

電力管理系統功能比較復雜，所以在一個線程的時間結構較多，作者就不再贅述了，最后得的到操作界面如圖8所示。

圖8 操作界面

圖9 電表分布圖

圖10 事件運行記錄

3 結論

經過梅園之心城的實地安裝調試和運行，系統軟硬件運行數據如圖9和圖10所示，運行良好，說明LabVIEW編寫的軟件可靠穩定且大大節省了開發時間，得到了很好的市場效益。

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