電力通信傳輸參數的遠程優化檢測系統設計及應用

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(國網新疆電力有限公司 信息通信公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

電力能源屬于國民經濟發展的主要命脈，在國民經濟不斷發展的過程中，用電負荷也在不斷的增加，供電范圍在不斷的擴大，配電房數量持續增加，各個地區電力系統越來越龐大。目前已經發展為多個電網聯合為用戶供電的方式。在此背景下，如何使電網能夠安全有效的運行，并且廉價及優質的電力的電力供應問題備受供電部門的重視。對于電力負荷參數有效及全面的采集，對于供電設備運行情況的檢測、故障的實時檢測及定位具有重要的作用，能夠使電網安全且有效的運行，此方面也是配網自動化的主要部分，其不僅為我們對電網運行情況的有效掌握提供了數據，還能夠有效實現電力系統遠程遙控。但是，對于多目標、多現場實現人工連續性管理及監察都是低效率并且不現實的。系統監控及管理水平無法滿足電力系統及用電單位可靠、安全及經濟的運行需求，所以，就要使用計算機系統實現電力負荷的遠程檢測。將GPRS作為基礎的無線數據系統具有廣泛的使用，其能夠使互聯網進入到無限領域中，一直到手掌中延伸。不僅能夠支持傳統互聯網使用，還能夠實現無線終端支持B2C、B2B電子支付、電子商務、銀行轉賬及股票交易等使用。我國在2002年才開始將此技術投入商用，運營時間比較晚。所以，在此方面的研究比歐洲各國要落后。因為某些方面的原因，國外在GPRS網絡終端應用方面的研究并不多，市面中基于此種技術的系統終端也比較少見。本文的主要研究目的就是開發滿足網絡化電力參數監控需求的裝置，其中主要包括硬件板卡及軟件實體。此系統的研發屬于移動數據通信技術使用，其具有重要的現實意義。

1 系統的構成及設計思想

電力參數監測及管理系統具備多參數及多目標的特點，具體分析就是在不同測量現場具有大量測量目標，不同目標要求對多參數進行測量。此目標及參數在地理中分布到不同地方，但是又比較集中，所以系統創建要能夠集中度分散目標及數據進行處理，并且還要實現資源的共享。所以本文所設計的系統創建就是利用RS總線構成多CPU計算機系統，其主要任務就是滿足多任務、多目標及多參數的監測實時性需求，滿足數據傳輸可靠性、精準性需求，滿足故障診斷可靠性需求，滿足系統組建靈活性及遠程管理有效性的需求[1]。以系統以上技術要求，在實現系統設計過程中將系統分為3個子系統：

1)參數監測及測量子系統。以實際需求為基礎，前端現場具有十個以下的子系統在RS總線中設置，每個系統都通過單片機系統所構成，以下簡稱為測量子系統；

2)RS主控子系統。其主要指的是將CPU單片機作為數據控制及處理的核心，另外還包括Modem，以下簡稱為主控子系統；

3)中心管理主機數據實時監測及管理子系統。其主要是通過PC機、Modem和數據管理及監測軟件所構成，以下簡稱為中心管理子系統。此屬于集散式三級計算機測量管理子系統[2]，圖1為系統的結構。

圖1 電力通信傳輸參數遠程檢測系統的結構

通過圖1可以看出來，系統是以RS總線及公用電話網傳輸基礎創建的，此系統的數據通信具備主控單片機及中心管理主機雙端發起特點，中心管理人員能夠以實際需求為基礎，隨時點名呼叫測量現場，測量現場對呼叫進行相應，對中心管理主機發送需要的數據。此過程是利用主控系統所實現的。并且主控單片機能夠主動呼叫中心管理主機，傳送前端某個測量現場所提出的報警信息[3]。

2 系統的硬件設計

2.1 智能信號控制電路

信號控制電路智能電網中的電力通信傳輸參數的遠程檢測系統能夠精準的收集電力通信傳輸參數，其還能夠實現智能電網中電力通信信號的放大及濾波，此電路的主要作用就是在運行之前調節智能電網中的電力通信信號。圖2為智能信號控制電路的結構，通過圖2可以看出來，信號控制電路中的上端屬于信號放大電路，下端屬于濾波電路。智能電網中電力通信信號在放大之后就能夠實現濾波，其中智能電網電力通信傳輸參數的遠程檢測系統在進行工作之前能夠實現采集頻率的設計，濾波就將自身的需求信號比采集頻率二分之一高的諧波進行過濾。本文所設計的濾波電路屬于低通二階無窮增益濾波電路，其具有較高的安全性及較低的阻抗輸出[4]。

圖2 智能信號控制電路的結構

2.2 智能信號采集電路

智能電網中的電力通信信號控制在結束工作之后，檢測系統就能夠對智能采集帶路進行調用，從而采集電力通信傳輸參數。圖3為智能信號采集電路的結構，通過圖3可以看出來，采集電路能夠實現電力通信傳輸參數4通道同步的遠程采集，并且還能夠優化傳統電網中的電力通信參數參數遠程檢測系統。另外，采集電路能夠實現八通道信號同時輸入，其中的系統能夠對8個信號控制電路工作實現，并且將此8個信號控制電路成為采集電路輸入端，此種優化設計能夠使系統監測水平得到提高。在實現電力通信傳輸參數分離的時候，要將采集頻率和電力通信信號基礎頻率同步，從而使系統運算量得到降低，以此使通監測誤差得到縮短，之后利用串口電路到計算機中傳輸，通過計算機軟件實現電力通信傳輸參數的遠程監測[5]。

圖3 智能信號采集電路的結構

2.3 串口電路

串口電路屬于監測系統中實現硬件及軟件相互連接的基礎，在實際應用過程中，使用RS485作為串口電路通信的標準。RS485標準在傳輸過程中具有較強的安全性，能夠實現32個負載元件及收發器的同時工作，通過此標準也能夠設計串口電路，圖4為串口電路的結構設計，通過圖4可以看出來，RS485標準接口利用穩定發送及差分接收的收發方式，使收發器具備一定的靈活性，從而使抗干擾能力提高[6]。

圖4 串口電路的結構設計

2.4 現場監控儀表硬件設計

在大部分變頻器應用過程中，電機和操作室距離比較遠。比如在現場安裝便器，對工作操作和觀察非常不便。如果在操作室中安裝，那么就會導致動力線拉距離較遠，提高了成本，而且還會對變頻器自身和系統中的其他設備造成干擾。那么，就要實現變頻器遠程操作現場監控儀表的開發研制，利用RS485網絡遠程控制變頻器的啟動、停止及加速、減速，并且將變頻器工作頻率、母線電流等運行狀態充分的展現出來。現場監控儀表屬于電力參數遠程檢測系統下位機，其中具有綜合多種功能的單片機系統，能夠有效實現數據收集、現場實時顯示、鍵盤等操作。圖5為現場監控儀表的硬件框圖。

圖5 現場監控儀表的硬件框圖

3 系統軟件的設計

3.1 現場監控儀表

現場監控儀表軟件在設計過程中主要包括主函數、鍵盤程序、變頻器現場控制程序及數據采集處理程序等。

1)主函數。在主函數程序設計的過程中主要包括系統初始化開始、中斷和功能子函數的調用，系統初始化主要包括時鐘、定時器、I/O口的初始化。開始、中斷主要包括定時器、以太網通信的開始、中斷。

2)數據采集處理程序。此主要是針對電機電流及電機表面溫度實現采樣，使用中斷方式實現各路模擬信號的分別采樣，并且以此將轉換的結果到數據存儲區中進行存儲[7]。

3)變頻器控制。使用定時器中斷方式掃描鍵盤，并且對指令進行識別，利用RS485實現變頻器的通信，以此能夠對現場監控儀器的變頻器啟動、暫停及調速等。

4)儀表RS485通信程序。RS485通信程序是利用Modbus協議和聯系系統功能所設計的，設計通信程序主要是利用主從模式，軟件的設計核心屬于單片機內核及RS485控制器的數據變換[8]。

在主循環中，開機之后的單片機實現系統初始化及開中斷，在啟動A/D之后會實現采樣通道的轉變，以采樣值實現更新及顯示，在出現中斷時候實現中斷服務程序的執行，利用定時器實現按鍵輸入、數據發送[9]。圖6為現場監控儀表主循環的程序流程。

圖6 現場監控儀表主循環的程序流程

3.2 以太網網關

以太網網關的軟件編寫主要包括內核移植、應用程序及驅動程序等。BootLoader屬于Linux引導程序，為了能夠使開發周期得到縮短，就要在開發板中實現通用U-Boot的抑制，只需要對編譯部分程序進行配置[10]。也就是實現硬件設備的初始化、內存空間映射表的創建、內核映像啟動的引導，從而為Linux提供基礎運行環境。本文使用Linux操作系統屬于免費并且支持多用戶的系統，其價格成本較低，并且能夠實現高度設置，而且具有良好的穩定性，所以在嵌入式系統中被廣泛使用。利用串口、以太網卡控制器等驅動程序實現設計開發，設備的驅動程序在內核最低層，其不僅能夠為內核及硬件之間提供良好的接口，還能夠為應用程序提供接口數據[11]。其中的應用程序設計能夠實現串口協議及網絡協議之間的相互轉換，在移植良好Linux操作系統種實現通信子系統、接口程序及進程間數據轉發等應用程序的編寫[12]，圖7 為嵌入式網關的設計結構。

圖7 嵌入式網關的設計結構

3.3 接口通信程序的設計

接口通信模塊主要是通過通信程序中獲得數據，并且對通信程序中傳送校表數據。在執行程序之前先實現SPI接口的初始化，此初始化主要是實現各接口輸入輸出工作狀態初始化。在系統開始的時候，要對寫命令或者讀命令進行判斷，判斷條件利用八位數據最高位進行發送，在最高位為1的時候，表示發送寫命令，以此實現寫命令的執行。假如最高位為0，那么就表示為讀命令，實現讀命令程序的執行[13]。

4 系統的調試

基于網絡數據通信角度分析，要求系統不僅對客戶端進行關注，還要實現服務器端的連接，目標系統使利用ARM作為核心，所以在對系統調試過程中也要針對此架構處理器實現，圖8為系統的調試框架。在調試系統中具有一個調試主機及ARM編譯器的運行，其能夠將C語言編寫程序實現ARM機器指令集的編譯，之后對調試器進行啟動，利用JTAG接口使程序到目標系統中的程序存儲器中進行下載，最后對此程序進行執行。因為ARM芯片自身能夠支持調試硬件，所以就是仿真硬件及成本得到了簡化，方便了硬件開發及調試[14]。

系統中具有網絡數據通信，實現網絡程序的調試不僅包括目標系統中變量及存儲區需求之外，還要實現服務器端數據的關注。實現LwIP測試程序的運行，在服務器端實現UDP及TCP數據包檢測程序的運行，就得到了運行結果[15]，詳見圖9。

圖9 電力通信傳輸參數遠程優化檢測系統調試主站測試的程序

5 結束語

本文所設計的電力通信傳輸參數遠程優化檢測系統主要是針對電力部門對于配電、供電系統功能的管理網絡化及自動化需求，基于現代移動通信基礎，實現了電力參數實時監控系統的創建。本文設計的系統能夠利用220 V交流供電，還能夠直接使用變壓器副邊220 V輸出。因為系統沒有低功耗設計需求，并且對于輸出容量需求，使用成本較低的線性穩壓器，不僅能夠節約成本，還能夠滿足應用系統對電源的需求。在設計之前對電力系統強干擾環境進行了全面的考慮，不使控制核心直接和外界連接，從而能夠使系統在強電環境中也能夠可靠且穩定的運行。另外在系統軟件設計方面，使用監測儀表及以太網管的設計，不僅能夠滿足用戶對于系統的人機交互需求，還能夠滿足系統在運行過程中安全、穩定的需求，有效解決系統中的難點及重點問題。