基于虛擬儀器的高分辨率SoE系統(tǒng)設(shè)計

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)生的先后順序及時捕捉并加上時間標簽后傳送到調(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)大都是毫秒級的分辨率，當某一事件發(fā)生后，可能在同一時間間隔內(nèi)出現(xiàn)的信息較多，不能分出先后順序，且監(jiān)測端子一般較少，只覆蓋機組運行中最重要的開關(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)，同時參照供電企業(yè)實際要求，所設(shè)計的SoE系統(tǒng)需同時監(jiān)測500路開關(guān)量信號，并達到0.1 ms的分辨率。在設(shè)計中，多通道信號的同步采集和附加了時間標記的開關(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，往往采用多組模塊經(jīng)I／O擴展來達到通道數(shù)目的要求，而多組模塊之間采集信號時的同步要求會大幅增加軟硬件設(shè)計的難度，同時對巨型開關(guān)量數(shù)據(jù)的排序會大量占用系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)的實時性。

綜合以上問題，同時較大限度地降低系統(tǒng)的成本，擬采取如下設(shè)計方案：選擇單片機小系統(tǒng)作為下位機進行數(shù)據(jù)采集；通過USB口或串口通訊將數(shù)據(jù)傳送到計算機；在LabVIEW平臺下，對數(shù)據(jù)進行分析與處理，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲、顯示和打印，實現(xiàn)一種在LabVIEW環(huán)境下的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 SoE系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

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

服務(wù)節(jié)點主要負責(zé)開關(guān)量信號的采集與傳送，其構(gòu)成框圖如圖1所示。

3.1 信號采集部分

(1)CPU的選取與時鐘同步

在單片機構(gòu)成的下位機系統(tǒng)中，考慮到開關(guān)量信號地理位置分布比較集中，數(shù)據(jù)采集采用1塊時鐘頻率為100 MHz的混合信號ISP FLASH微控制器C8051F130通過I／O擴展實現(xiàn)500路信號的采集。由于在SoE系統(tǒng)中關(guān)注的是一系列記錄的先后動作順序，所以各分散節(jié)點必須使用嚴格同步的時鐘，否則各通道數(shù)據(jù)采集之間的時間延遲可能造成系統(tǒng)的紊亂，造成錯誤的輸出報表。該系統(tǒng)中時間同步信息由時間信息和同步脈沖2部分組成。時間信息指時鐘芯片DS12CR887提供的年月日及時分秒的時間信號，同步脈沖指由CPU通過定時器產(chǎn)生的每隔0.1 ms產(chǎn)生的時鐘脈沖，通過對時鐘脈沖計數(shù)確定秒數(shù)量級以下的時間。在系統(tǒng)上電時，CPU初始化時鐘芯片、定時器及計數(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，達到數(shù)據(jù)采集的精確同步。

(2)I／O擴展

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

3.2 信號傳送部分

為了降低數(shù)據(jù)通訊對系統(tǒng)資源的占用，提高系統(tǒng)監(jiān)測的實時性，采用另一CPU負責(zé)與上位機進行數(shù)據(jù)通訊，通信CPU通過串口或USB口與上位機進行連接。通訊過程如下：當系統(tǒng)監(jiān)測到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。

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)也分為下位機部分與上位機部分。

4.1 下位機

下位機程序采用匯編語言編寫，其主要完成定時數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)發(fā)送工作。其中定時采樣的中斷頻率由定時器0的常數(shù)自動裝載16位計數(shù)器方式產(chǎn)生；波特率由定時器1的方式1產(chǎn)生；自定義軟件握手，握手信號可以隨意選擇一常數(shù)，如果單片機接收到的數(shù)據(jù)等于此常數(shù)，則表示握手成功，否則重新接收握手數(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)存入存儲器，同時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)；當接收到一個事件觸發(fā)數(shù)據(jù)時，就會按照該觸發(fā)事件時間標記將采集到的數(shù)據(jù)傳送到緩存器中，同時開始計時，如果在定義的時間內(nèi)沒有其他事件到達，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。其流程圖可簡單描述如圖2所示：

4.2 上位機

上位機的程序主要負責(zé)工作狀態(tài)的設(shè)置及數(shù)據(jù)處理與輸出，利用LabVIEW進行數(shù)據(jù)分析和人機交互界面的編制。采集數(shù)據(jù)經(jīng)通訊CPU發(fā)往上位機后，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，報告相應(yīng)開關(guān)量的狀態(tài)變化情況，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)帶有時間標簽數(shù)據(jù)的永久保存，作為優(yōu)化設(shè)計和分析故障的重要依據(jù)。由于在機組的日常運行中一些運行設(shè)備的切換是很正常的，例如磨和風(fēng)機的切換，如果這些跳變也觸發(fā)產(chǎn)生SoE報表并打印，將造成系統(tǒng)資源的較大浪費。在實際應(yīng)用中應(yīng)以汽機跳閘等少數(shù)信號作為觸發(fā)信號產(chǎn)生SoE報表，并設(shè)置當這些量中的任何一個跳變后，向前追憶及向后追加記錄的個數(shù)，從而完整地反映出整個突發(fā)事故的全貌。

5 結(jié) 語

基于單片機和LabVIEW的SoE系統(tǒng)，實現(xiàn)了低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，在實際開發(fā)中，LabVIEW表現(xiàn)出很強的靈活性。LabVIEW環(huán)境下的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將單片機用于數(shù)據(jù)采集的靈活性與LabVIEW強大的數(shù)據(jù)分析處理能力相結(jié)合，可廣泛用于測控領(lǐng)域。