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)設(shè)計

引言
     隨著非線性電力電子元器件的應用，電能質(zhì)量問題日益嚴重。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標準。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
 
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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)?strong>通信轉(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，負責采集和監(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)定標準，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)備相當于字符型設(shè)備，對串口的控制也就是對相應文件進行讀／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.[!--empirenews.page--]
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)比較復雜，既要負責與電力測量設(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。
 
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4總結(jié)
     經(jīng)試驗證明，多串口通信轉(zhuǎn)換器應用在電能質(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。