基于嵌入式多串口通信轉換器的電能質(zhì)量監控系統設計

引言
隨著(zhù)非線(xiàn)性電力電子元器件的應用，電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴重。因此有必要實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測電能質(zhì)量，以便采取措施提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量在線(xiàn)監測系統大多采用多串口卡搭配工控機的模式，這種模式成本昂貴，而由傳統的單片機設計的串口轉以太網(wǎng)設備不能滿(mǎn)足日益復雜的電能質(zhì)量監控系統控制要求；在工業(yè)生產(chǎn)控制和通信領(lǐng)域，串行口設備大多符合RS232標準。為了能夠將多個(gè)串行口的數據轉發(fā)到以太網(wǎng)絡(luò )上，并實(shí)現數據的遠程傳輸、設備的遠程控制便成了急待解決的問(wèn)題。同時(shí)由于成本問(wèn)題，舊設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換器的電能質(zhì)量監控系統。
1 電能質(zhì)量監控系統總體設計

系統結構分為三層，監測層、現地控制層、電能質(zhì)量數據工作站；監測層包括7臺電力系統測量設備和電能質(zhì)量補償設備；三相電壓表、三相電流表、有功功率、無(wú)功功率等檢測儀器通過(guò)串口連接到主板上，三相電流、三相電壓等數據通過(guò)串口傳輸到通信轉換器，通信轉換器再將串行數據轉換成以太網(wǎng)數據流，然后通過(guò)局域網(wǎng)發(fā)送到電能質(zhì)量數據工作站；同時(shí)現地控制層建立了良好的人機界面, 使用戶(hù)可以一目了然地觀(guān)察電網(wǎng)運行的實(shí)時(shí)數據,并具有數據存儲、圖標顯示、數據打印等功能。
監控系統第一層為監測層，主要由電氣測量設備構成，負責采集和監測電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數據，包括三相電壓有效值、三相電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、電壓閃變率和波動(dòng)率、諧波特征值等電網(wǎng)狀態(tài)參量，這些參量通過(guò)串口傳輸給現地控制層，其中計算諧波時(shí)目前根據要求只計算到23次諧波, 截止頻率分別選擇為1.15kHz 和40Hz。計算閃變所需的數據從所存儲10 分鐘中的數據中進(jìn)行抽樣獲得, 每隔10 分鐘數據需實(shí)時(shí)更新。同時(shí)可對瞬時(shí)閃變視感度S(t)恒速采樣, 得出累積概率函數,再計算出閃變值Pst。
由于監測層和現地控制層之間采用串口連接，監測層的儀表點(diǎn)數最多可以擴展到256個(gè)，因此在不改變其他硬件的情況下監控系統具有較強的擴展性。
監控系統的第二層為現地控制層，現地測量的電網(wǎng)狀態(tài)參量通過(guò)串口傳輸給通信轉換器，再通過(guò)通信轉換器將串性數據轉換成TCP/IP數據包，它保證了電網(wǎng)狀態(tài)參量數據可以通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給電能質(zhì)量數據工作站，同時(shí)嵌入式主板還可以接受來(lái)自電能質(zhì)量數據工作站的控制命令，以適應電能質(zhì)量監控的需要。
監控系統的第三層為電能質(zhì)量數據工作站，采用MySQL作為數據庫服務(wù)器的數據管理系統，它根據來(lái)自現地控制層的數據來(lái)判斷三相電壓、電流是否越限，諧波含量是否超過(guò)國家規定標準，同時(shí)傳達上級調度中心的調度命令來(lái)優(yōu)化現場(chǎng)控制設備的控制策略，電能質(zhì)量數據工作站還可以跟其他的電力調度通信中心聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)一步提高電力系統自動(dòng)化程度。
2監控層設計
監控層測量設備包括三相電流表等，由于現地控制層采用linux作為操作系統，檢測層與現地控制層之間的通信利用select機制實(shí)現多路串口設備的數據傳輸與控制，在linux下，串口設備相當于字符型設備，對串口的控制也就是對相應文件進(jìn)行讀／寫(xiě)、控制等操作，對于本系統的8路串口設備，輪詢(xún)檢測方法顯然已不滿(mǎn)足系統設計需要，所謂輪詢(xún)檢測方法指對串口進(jìn)行非阻塞的讀寫(xiě)操作，故監控層采用select機制實(shí)現I/O復用來(lái)實(shí)現多串口數據的讀寫(xiě)與控制；其程序流程實(shí)現如下：首先調用open函數打開(kāi)串口并獲得各個(gè)串口設備的文件描述符fd，8個(gè)文件描述符通過(guò)FD_SET、FD_ISSET、FD_ZERO、FD_CLR函數處理，如果open函數返回數非0表明串口設備已經(jīng)打開(kāi)，再通過(guò)編寫(xiě)自定義函數將串口配置設定為波特率115200、起始位1b、數據位8b、停止位1b和無(wú)流控協(xié)議，最后調用select函數,如果沒(méi)有可讀／寫(xiě)的設備，且沒(méi)有設置超時(shí)返回功能，那么進(jìn)程將阻塞在select調用上；否則select函數返回，并可通過(guò)測試參數來(lái)確定哪個(gè)I／O設備可讀或可寫(xiě)，而后以非阻塞方式操作該I／O設備，從而實(shí)現期望功能.