嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉勝凱

（新疆特變電工樓蘭新能源有限公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841899）

0 引 言

在火電廠的集控運(yùn)行中，監(jiān)控系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，能夠?qū)Ω鱾€(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和操作管理，保證設(shè)備的正常運(yùn)行與優(yōu)化調(diào)度。然而，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)存在一些問題，如硬件設(shè)備龐大、維護(hù)成本高、響應(yīng)速度慢等。為了解決這些問題，嵌入式技術(shù)被引入到電力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了集控運(yùn)行的智能化和高效化。嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)具有體積小、功耗低、性能高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足火電廠集控運(yùn)行對(duì)于實(shí)時(shí)性、可靠性以及靈活性的需求。

1 嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的介紹

嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)通常采用分層的結(jié)構(gòu)，包括信號(hào)采集層、數(shù)據(jù)處理層、監(jiān)控控制層、界面管理層，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集以及狀態(tài)管理。信號(hào)采集層是監(jiān)控系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)采集電力設(shè)備的電壓、電流、溫度、濕度等參數(shù)和信號(hào)。通過傳感器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送給上層的數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理層接收信號(hào)采集層傳來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和存儲(chǔ)。監(jiān)控控制層是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)。它通過與信號(hào)采集層和數(shù)據(jù)處理層交互，獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)測、報(bào)警和故障診斷。界面管理層提供用戶交互界面，使操作人員能夠直觀地監(jiān)視和控制電力設(shè)備的運(yùn)行，便于操作人員查看設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息以及歷史數(shù)據(jù)。此外，界面管理層還負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行配置、管理和維護(hù)。

2 嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的終端結(jié)構(gòu)

嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)是一種應(yīng)用于電力領(lǐng)域的特定嵌入式系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備和系統(tǒng)的監(jiān)測、控制以及管理。它集成了硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和通信技術(shù)，具備實(shí)時(shí)性、可靠性、靈活性等特點(diǎn)，能夠提高電力設(shè)備的效率、安全性以及可靠性。嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的終端結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的終端結(jié)構(gòu)

終端是嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的用戶界面，通過終端可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制，實(shí)時(shí)顯示電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、參數(shù)設(shè)置等，同時(shí)也可以進(jìn)行操作指令的下發(fā)和系統(tǒng)配置。測控設(shè)備是嵌入式電力控制系統(tǒng)的核心組成部分，包括傳感器、執(zhí)行器、控制器。傳感器用于監(jiān)測電力設(shè)備的各種物理量，如電壓、電流、溫度、濕度等，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳輸給系統(tǒng)。執(zhí)行器則根據(jù)系統(tǒng)的控制指令，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制?？刂破魇乔度胧诫娏刂葡到y(tǒng)的中央處理單元，負(fù)責(zé)接收和處理來自測控設(shè)備的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和邏輯進(jìn)行運(yùn)算與決策，具備較強(qiáng)的計(jì)算能力和實(shí)時(shí)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的智能控制和管理。液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）是嵌入式電力控制系統(tǒng)的輸出設(shè)備之一，用于實(shí)時(shí)顯示電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、參數(shù)設(shè)置等[1]。LCD 顯示屏可以與終端相結(jié)合，提供直觀的圖形化界面，方便操作人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和操作。

3 嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的模塊構(gòu)成

嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的模塊構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的模塊構(gòu)成

數(shù)據(jù)字典組件用于定義和管理監(jiān)控系統(tǒng)中所使用的數(shù)據(jù)項(xiàng)、參數(shù)以及信號(hào)。數(shù)據(jù)字典包括各個(gè)設(shè)備的名稱、標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)類型、單位等信息，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理。子站狀態(tài)查看組件用于實(shí)時(shí)監(jiān)視和顯示各個(gè)子站的運(yùn)行狀態(tài)。通過該模塊，操作人員可以查看子站的連接狀態(tài)、通信質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等信息，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理異常情況[2]。歷史數(shù)據(jù)服務(wù)組件用于存儲(chǔ)和查詢歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫，操作人員可以通過該模塊查詢和分析歷史數(shù)據(jù)，了解設(shè)備的運(yùn)行趨勢和性能指標(biāo)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件用于實(shí)時(shí)采集和傳輸設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括各種參數(shù)和信號(hào)，如電流、電壓、溫度等。該模塊負(fù)責(zé)與傳感器層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)或其他子系統(tǒng)。通信組件用于與其他子系統(tǒng)或上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和交互，負(fù)責(zé)與其他系統(tǒng)建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和接收指令，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作[3]。

4 嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)字典的建立

在嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)中，建立數(shù)據(jù)字典是非常重要的一步。數(shù)據(jù)字典用于定義和管理系統(tǒng)中所使用的各種數(shù)據(jù)項(xiàng)、參數(shù)以及信號(hào)，為數(shù)據(jù)采集、處理和顯示提供便利。首先，需要明確系統(tǒng)中需要監(jiān)測和控制的各種數(shù)據(jù)項(xiàng)，如電壓、電流、溫度等。根據(jù)實(shí)際需求和設(shè)備特點(diǎn)，列出所有需要采集和處理的數(shù)據(jù)項(xiàng)。對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的定義，如整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、布爾值等。其次，還需要定義數(shù)據(jù)的單位，將數(shù)據(jù)項(xiàng)按照不同的功能或設(shè)備進(jìn)行分組和分類，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和顯示[4]。再次，對(duì)于需要進(jìn)行報(bào)警的數(shù)據(jù)項(xiàng)，需要設(shè)定相應(yīng)的報(bào)警閾值。當(dāng)數(shù)據(jù)超過或低于設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警機(jī)制，通知操作人員進(jìn)行處理。最后，要為每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)分配唯一的標(biāo)識(shí)符，用于在軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問和處理。標(biāo)識(shí)符可以使用簡短且具有描述性的名稱，方便開發(fā)人員在代碼中使用，然后將數(shù)據(jù)字典進(jìn)行文檔化，包括數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱、數(shù)據(jù)類型、單位、報(bào)警閾值等信息。這樣可以方便開發(fā)人員和維護(hù)人員查閱與使用，也有助于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。

4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)和管理監(jiān)控系統(tǒng)中采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)查詢、分析以及報(bào)表生成等功能。首先，根據(jù)系統(tǒng)的需求和數(shù)據(jù)字典，確定需要?jiǎng)?chuàng)建的數(shù)據(jù)表。每個(gè)數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的數(shù)據(jù)項(xiàng)或參數(shù)。例如，可以創(chuàng)建一個(gè)名為“Voltage”的數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)電壓數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)名為“Temperature”的數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)。其次，為每個(gè)數(shù)據(jù)表定義相應(yīng)的字段。字段表示數(shù)據(jù)表中的列，用于存儲(chǔ)具體的數(shù)據(jù)。字段的類型應(yīng)與數(shù)據(jù)字典中定義的數(shù)據(jù)類型相匹配。還要為每個(gè)數(shù)據(jù)表選擇合適的主鍵。主鍵用于唯一標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)表中的每一行記錄。一般來說，設(shè)備編號(hào)和時(shí)間戳可以組成一個(gè)復(fù)合主鍵，以確保每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的唯一性。最后，要根據(jù)系統(tǒng)的查詢需求，考慮為某些字段添加索引。索引可以提高數(shù)據(jù)查詢的速度和效率。通常情況下，主鍵字段和常用查詢的字段是索引的最好選擇。如果數(shù)據(jù)表之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，則需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的關(guān)系[5]。

4.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集

在嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主要涉及以下幾個(gè)方面。首先，要對(duì)傳感器進(jìn)行選擇并連接，根據(jù)監(jiān)測的具體需求，選擇合適的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器等；監(jiān)測不同的物理量。其次，需要確定數(shù)據(jù)采集的頻率與精度，根據(jù)實(shí)際需求和系統(tǒng)要求，選擇合適的采樣頻率。有些參數(shù)可能需要高頻率采樣，而其他參數(shù)可能只需要低頻率采樣。數(shù)據(jù)采集精度取決于傳感器的性能和系統(tǒng)要求。對(duì)于某些應(yīng)用，可能需要更高的精度以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。再次，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和校正。通過濾波、去噪、線性化等處理方法，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性[6]。最后，實(shí)現(xiàn)異常檢測和報(bào)警，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測，并觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警機(jī)制。當(dāng)監(jiān)測到異常情況時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)送報(bào)警通知，或觸發(fā)其他相應(yīng)的處理措施。

5 嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的硬件技術(shù)

嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)通常采用嵌入式處理器作為核心處理單元，如ARM Cortex 系列處理器。這些處理器具有低功耗、高性能等特點(diǎn)，能夠滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和計(jì)算要求。傳感器是硬件中的重要組成部分，用于采集電力設(shè)備的各種物理量，常用的傳感器包括霍爾傳感器、電流互感器（Current Transformer，CT）、電壓互感器（Potential Transformer，PT）等。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，需要使用各種通信模塊，如以太網(wǎng)模塊、無線通信模塊（如Wi-Fi、藍(lán)牙、LoRa）等。針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，需要相應(yīng)的存儲(chǔ)器。常用的存儲(chǔ)器包括閃存、SD 卡、硬盤等，根據(jù)數(shù)據(jù)量和讀寫速度要求選擇合適的存儲(chǔ)介質(zhì)。此外，嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)通常需要提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示和用戶交互接口。這可以通過LCD 顯示屏、觸摸屏、發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）指示燈等實(shí)現(xiàn)，以方便操作人員進(jìn)行監(jiān)控和控制。

6 結(jié) 論

基于嵌入式的電力監(jiān)控系統(tǒng)研究，是當(dāng)前電力領(lǐng)域中的重要課題。通過嵌入式技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制，為電力系統(tǒng)的安全性、效率以及可靠性提供了有效的支持?；谇度胧诫娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)研究將繼續(xù)推動(dòng)電力行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。通過不斷深入研究和應(yīng)用，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備和系統(tǒng)的智能監(jiān)控與管理，為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。