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基于嵌入ARM和Linux的远程电网监控仪设计

更新时间 2011-9-14 10:48:17 点击数:

    孙立国(九台市农电有限公司,长春130500)摘要:大量电力电子装置及非线性负荷在电力系统中广泛应用,使电能质量问题日益突出。电能质量问题不仅危害电力系统本身的安全及电网的稳定运行,对系统中的用户也造成严重威胁。因此,对电能质量的实时监测具有十分重要的意义。基于ARM—Linux的嵌入式电能质量监测仪,不仅数据处理功能强、人机交互性好、系统升级简单,而且能进行远程监控,并可在此基础上向微型化、高度智能化等方向发展,以满足不同场合的需求,具有较大的使用价值和广阔的应用前景。
     关键词:ARM;嵌入式;Linux;电能质量
    随着国民经济的发展,电力系统的规模越来越大,电能用户逐渐增加,特别是非线性负载的应用,使电能的质量问题日趋严重。电能质量主要由3个要素决定:电压的波动、频率的偏差以及波形的畸变程度(即谐波问题)。谐波是电能质量的一个重要指标,电力网络中存在的谐波成分超过一定程度就会引起严重危害,因此,为了保证电网的安全运行和分析电网运行的状况,需要对电网的各种运行参数(如三相电压、电流、有功功率、功率因数以及各类谐波成分的参量等)进行实时监测。
    ARM(Advanced RISC Machine)是一类32位嵌入式微处理器,其体积小、功耗低、成本低、性能高,支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集[1],能很好地兼容8位/l6位器件。由于农村电网所处地理位置偏僻,甚至有的处于地理位置危险地带,这就给专业人员现场电网监测带来困难。而且,单个测量仪器(如电压表监测仪器)只能监测单项电网电能质量指标(如电压),并需要人工抄写,缺乏统计分析功能,实时性差,监测周期长。
    目前,嵌入式技术很流行,本系统以S3C2410芯片为主处理器,加入电网监测的一些外围设备,组成嵌入式电网远程监测系统。通过远程监测,可直接获得对影响电能质量的波形畸变、电压波动和闪变、三相电压不平衡度等指标进行的分析和显示[2]。因此,设计一套农村电网电能综合质量远程监测系统,具有重大意义。
    1系统总体结构
    在电网远程监测系统的整体结构中,电网远程监测系统由电网监测仪(以ARM9芯片为核心,具有网络通信功能的智能化电网参数综合测试设备,通过电网参数监测仪实现对各个监测点电网运行参数的测量与记录,并且通过通信网络传送到服务器中)、一台Linux服务器(连接到internet,用于保存监测仪在一定时间内保存整点时刻的电压、电流数据,保存月统计数据)客户端计算机和web浏览器组成。
    2电网监测仪硬件设计
    电网监测仪由基于ARM9微处理器、电网数据采集模块、LCD显示人机交互模块和网络通讯模块等构成。电网监测仪的ARM9微处理器用以实现电网参数采集、数据处理等控制功能,并通过以太网控制器芯片接入Internet。电网监测仪的结构如图1。
    电网监测仪的核心芯片采用三星公司的S3C24lOX。该芯片采用ARM92OT核,内部分别集成16 K指令Cache和数据Cache并采用32位精简指令集,带有全性能的MMU,适于设计移动手持产品设备,具有性能高、功耗低、接口丰富和体积小等优良特性。其外部接口单元丰富,包含LC驱动器、NANDFlash驱动器、SDRAM接口、USB主从接口3-1、ⅡC总线接口、触摸屏接口以及丰富的GPIO口等。电路设计主要由以下部分组成:电源电路、ARM9处理器、NAND Flash存储器、SDRAM存储器、调试串口、USB主设备接口以及以太网接口。其设计理念参考了当前市场上众多的开发板及嵌入式单片机的优点,并融入最新掌上电脑/手持设备的特点,是一款功能强大的嵌入式电脑平台,非常适合网络和多媒体应用。
    其中,电网数据采集模块以完成数据采集和逻辑控制任务、同步采样和A/D转换电路为主,采用锁相环电路实现取样频率和信号基波频率的准确跟踪,保证采样频率和信号基波频率的比值为固定值64,实现信号的同步采样[3]。
    网络控制芯片采用的是Crrus公司生产的全面支持IEEE 8023标准的CS8900A以太网控制器,片内集成了ISA总线接口,可以直接和有ISA总线的微处理器系统无缝连接。其主要完成数据链路层的协议,通过网络控制器与嵌入式处理器相连,扩展以太网接口,以实现信息传输网络与现场电网监控单元在硬件层次上的直接互联。
    LCD采用夏普8寸屏LQO80V3,用于显示监测到的电网参数的波动情况,并方便调试参数及控制系统。在软件上采用基于Qt opia完成用户图形界面,以便用户在现场观看电网参数的各种图形分析,例如电压、电流的波动情况以及各时期的电网参数等。用户可以现场通过USB鼠标对电网参数进行实时控制,如电网电压、电流的变比以及无功参数的实时调节等。
    客户端分布在互联网的每个角落,并通过本系统内建服务器获得电网监测界面,从中获得电网监测仪器测量得到的电能参数。通过Internet访问本地服务器,远程监视电网的运行状态,获得电网的数据和信息,对可能的故障进行分析和诊断。
    3电网参数实时采集
    在嵌入式Linux环境下,该工作需要分两步来完成,程序流程如图2所示。
    第一部分是通过驱动程序对A/D进行数据采样并将数据送入缓冲区,以便用户态程序得到采样数据;第二部分是用户态程序将采样数据从内核态读出,然后进行FFT处理。最后保存数据。该程序是周期性程序,所以将其安排成一个系统守护进程。它们的实现过程是:内核态程序是通过定时器1来产生定时中断,在中断服务程序中将上次AD采样数据存入内核态缓存中,并启动AD进行下次数据的采集。
    当采样到128个数据点之后,就设置采样完成标志,以便用户态程序得到该标志。用户态程序通过设备文件来打开指定设备,它会对采样完成标志进行监测。
    当该标志设置为有效后,用户程序通过系统调用函数来将内核态缓存读到用户态缓存。用户程序得到采样数据后,就对这些采样数据进行处理,从而得到功率因数及各次谐波有效值等。
    4电网电能质量数据网络通信
    在本电网远程监测系统中,服务器端与客户端之间的数据通信流程如图2所示。在服务器端采用嵌入式Linux操作系统,客户端采用java开发环境。用户服务程序完成的任务是响应用户的请求[4]。当用户要得到现场数据时,它先会向服务器发送连接请求,得到连接响应后就发送一个电网参数数据包给用户。若收到客户端发来继续接受数据的命令,则继续发送数据包;否则,停止发送[5]。为保证通信的完整性,用户最后必须发送关闭连接请求,服务器收到关闭连接请求时,会继续返回到监听状态。值得注意的是,当用户收到电网参数时,会同时得到一个校验码,用户必须根据校验算法检验返回的数据的正确性。如果返回的数据接收有误,必须要再次与服务器连接,直到得到正确的数据为止。
    5电网电能参数显示
    由于实时监测界面显示的电网数据变化之快,使用户对某段时间内的数据变化趋势了解不够准确。数据分析中最直观和最有效的方法就是将采集到的数据用图表进行绘制。为了方便用户查询,客户端软件采用实时数据和曲线两种方式进行表示,菜单中提供了曲线和数据模拟3个选项。
    6结语

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