基于虛擬儀器的高分辨率SoE系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

在電力系統(tǒng)中，SoE(Sequence of Event)事件順序記錄系統(tǒng)是調(diào)度人員正確處理事故、分析和判斷復(fù)雜電網(wǎng)故障的重要工具。其主要功能是將現(xiàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)設(shè)備的狀態(tài)變化按照發(fā)生的先后順序及時(shí)捕捉并加上時(shí)間標(biāo)簽后傳送到調(diào)度主站，作為辨別電網(wǎng)故障的主要依據(jù)。目前的SoE系統(tǒng)大都是毫秒級(jí)的分辨率，當(dāng)某一事件發(fā)生后，可能在同一時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的信息較多，不能分出先后順序，且監(jiān)測(cè)端子一般較少，只覆蓋機(jī)組運(yùn)行中最重要的開關(guān)量，隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，供電企業(yè)對(duì)電網(wǎng)監(jiān)控水平、事故分析判斷水平要求越來越高，因此要求SoE系統(tǒng)具有更多的監(jiān)測(cè)端子和更高的分辨事件能力。

2 SoE系統(tǒng)概述

為了能更精確地獲取事件信息，為事故分析提供有力的證據(jù)，同時(shí)參照供電企業(yè)實(shí)際要求，所設(shè)計(jì)的SoE系統(tǒng)需同時(shí)監(jiān)測(cè)500路開關(guān)量信號(hào)，并達(dá)到0.1 ms的分辨率。在設(shè)計(jì)中，多通道信號(hào)的同步采集和附加了時(shí)間標(biāo)記的開關(guān)量數(shù)據(jù)的排序問題成為系統(tǒng)開發(fā)的瓶頸。在傳統(tǒng)的SoE系統(tǒng)中，受所用硬件系統(tǒng)的限制，在采集通道數(shù)目較多時(shí)，往往采用多組模塊經(jīng)I／O擴(kuò)展來達(dá)到通道數(shù)目的要求，而多組模塊之間采集信號(hào)時(shí)的同步要求會(huì)大幅增加軟硬件設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)對(duì)巨型開關(guān)量數(shù)據(jù)的排序會(huì)大量占用系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

綜合以上問題，同時(shí)較大限度地降低系統(tǒng)的成本，擬采取如下設(shè)計(jì)方案：選擇單片機(jī)小系統(tǒng)作為下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；通過USB口或串口通訊將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)；在LabVIEW平臺(tái)下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和打印，實(shí)現(xiàn)一種在LabVIEW環(huán)境下的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 SoE系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

在信號(hào)輸入部分，輸入模塊接收來自外部設(shè)備的開關(guān)信號(hào)，經(jīng)輸入模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形處理，進(jìn)入光電隔離電路，形成CPU所能識(shí)別的脈沖信號(hào)。

服務(wù)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)開關(guān)量信號(hào)的采集與傳送，其構(gòu)成框圖如圖1所示。

3.1 信號(hào)采集部分

(1)CPU的選取與時(shí)鐘同步

在單片機(jī)構(gòu)成的下位機(jī)系統(tǒng)中，考慮到開關(guān)量信號(hào)地理位置分布比較集中，數(shù)據(jù)采集采用1塊時(shí)鐘頻率為100 MHz的混合信號(hào)ISP FLASH微控制器C8051F130通過I／O擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)500路信號(hào)的采集。由于在SoE系統(tǒng)中關(guān)注的是一系列記錄的先后動(dòng)作順序，所以各分散節(jié)點(diǎn)必須使用嚴(yán)格同步的時(shí)鐘，否則各通道數(shù)據(jù)采集之間的時(shí)間延遲可能造成系統(tǒng)的紊亂，造成錯(cuò)誤的輸出報(bào)表。該系統(tǒng)中時(shí)間同步信息由時(shí)間信息和同步脈沖2部分組成。時(shí)間信息指時(shí)鐘芯片DS12CR887提供的年月日及時(shí)分秒的時(shí)間信號(hào)，同步脈沖指由CPU通過定時(shí)器產(chǎn)生的每隔0.1 ms產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，通過對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)確定秒數(shù)量級(jí)以下的時(shí)間。在系統(tǒng)上電時(shí)，CPU初始化時(shí)鐘芯片、定時(shí)器及計(jì)數(shù)器，每0.1 ms產(chǎn)生的同步脈沖作為采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號(hào)，達(dá)到數(shù)據(jù)采集的精確同步。

(2)I／O擴(kuò)展

I／O擴(kuò)展方面，采用多片擴(kuò)展能力較強(qiáng)的芯片8255，實(shí)現(xiàn)對(duì)500路開關(guān)量信號(hào)的采集，8255由芯片IDT74LVC4245A驅(qū)動(dòng)，同時(shí)該芯片可實(shí)現(xiàn)3.3 V與5 V信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CPU與擴(kuò)展芯片8255的連接，其選通由CPU通過譯碼器實(shí)現(xiàn)。

3.2 信號(hào)傳送部分

為了降低數(shù)據(jù)通訊對(duì)系統(tǒng)資源的占用，提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，采用另一CPU負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通信CPU通過串口或USB口與上位機(jī)進(jìn)行連接。通訊過程如下：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到1次事件觸發(fā)后，通訊CPU從雙口RAM中讀出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串口或USB口發(fā)給上位機(jī)。

4 SoE系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)SoE系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，其軟件結(jié)構(gòu)也分為下位機(jī)部分與上位機(jī)部分。

4.1 下位機(jī)

下位機(jī)程序采用匯編語言編寫，其主要完成定時(shí)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)發(fā)送工作。其中定時(shí)采樣的中斷頻率由定時(shí)器0的常數(shù)自動(dòng)裝載16位計(jì)數(shù)器方式產(chǎn)生；波特率由定時(shí)器1的方式1產(chǎn)生；自定義軟件握手，握手信號(hào)可以隨意選擇一常數(shù)，如果單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)等于此常數(shù)，則表示握手成功，否則重新接收握手?jǐn)?shù)據(jù)。

在系統(tǒng)上電復(fù)位后，根據(jù)各開關(guān)量的正常狀態(tài)將原始數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，同時(shí)在同步脈沖下將采集到的數(shù)據(jù)與初始狀態(tài)做比較，如果數(shù)據(jù)保持不變，說明各開關(guān)量的狀態(tài)沒有改變，系統(tǒng)重新采集數(shù)據(jù)；當(dāng)接收到一個(gè)事件觸發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)按照該觸發(fā)事件時(shí)間標(biāo)記將采集到的數(shù)據(jù)傳送到緩存器中，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，如果在定義的時(shí)間內(nèi)沒有其他事件到達(dá)，則完成1次SoE記錄，并將數(shù)據(jù)從緩存器中發(fā)送到雙口RAM中，再由通信CPU將數(shù)據(jù)從雙口RAM中調(diào)出，經(jīng)匯總整理后，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提交給上位機(jī)。其流程圖可簡(jiǎn)單描述如圖2所示：

4.2 上位機(jī)

上位機(jī)的程序主要負(fù)責(zé)工作狀態(tài)的設(shè)置及數(shù)據(jù)處理與輸出，利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和人機(jī)交互界面的編制。采集數(shù)據(jù)經(jīng)通訊CPU發(fā)往上位機(jī)后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序輸出結(jié)果，結(jié)果以事件發(fā)生的先后順序排序，報(bào)告相應(yīng)開關(guān)量的狀態(tài)變化情況，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)帶有時(shí)間標(biāo)簽數(shù)據(jù)的永久保存，作為優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析故障的重要依據(jù)。由于在機(jī)組的日常運(yùn)行中一些運(yùn)行設(shè)備的切換是很正常的，例如磨和風(fēng)機(jī)的切換，如果這些跳變也觸發(fā)產(chǎn)生SoE報(bào)表并打印，將造成系統(tǒng)資源的較大浪費(fèi)。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)以汽機(jī)跳閘等少數(shù)信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生SoE報(bào)表，并設(shè)置當(dāng)這些量中的任何一個(gè)跳變后，向前追憶及向后追加記錄的個(gè)數(shù)，從而完整地反映出整個(gè)突發(fā)事故的全貌。

5 結(jié) 語

基于單片機(jī)和LabVIEW的SoE系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，在實(shí)際開發(fā)中，LabVIEW表現(xiàn)出很強(qiáng)的靈活性。LabVIEW環(huán)境下的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將單片機(jī)用于數(shù)據(jù)采集的靈活性與LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力相結(jié)合，可廣泛用于測(cè)控領(lǐng)域。