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(yīng)用，電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。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

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)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/通信">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(biāo)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(zé)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，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(dāng)于字符型設(shè)備，對串口的控制也就是對相應(yīng)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(fù)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.