基于虛擬儀器的高分辨率SoE系統(tǒng)設計

1 引言

在電力系統(tǒng)中，SoE(Sequence of Event)事件順序記錄系統(tǒng)是調度人員正確處理事故、分析和判斷復雜電網故障的重要工具。其主要功能是將現(xiàn)場關聯(lián)設備的狀態(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度主站，作為辨別電網故障的主要依據。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量，隨著電網結構的日益復雜，供電企業(yè)對電網監(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，同時參照供電企業(yè)實際要求，所設計的SoE系統(tǒng)需同時監(jiān)測500路開關量信號，并達到0.1 ms的分辨率。在設計中，多通道信號的同步采集和附加了時間標記的開關量數(shù)據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計的難度，同時對巨型開關量數(shù)據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，擬采取如下設計方案：選擇單片機小系統(tǒng)作為下位機進行數(shù)據采集；通過USB口或串口通訊將數(shù)據傳送到計算機；在LabVIEW平臺下，對數(shù)據進行分析與處理，并對相關數(shù)據進行存儲、顯示和打印，實現(xiàn)一種在LabVIEW環(huán)境下的單片機數(shù)據采集系統(tǒng)。

3 SoE系統(tǒng)的硬件構成

在信號輸入部分，輸入模塊接收來自外部設備的開關信號，經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。

服務節(jié)點主要負責開關量信號的采集與傳送，其構成框圖如圖1所示。

3.1 信號采集部分

(1)CPU的選取與時鐘同步

在單片機構成的下位機系統(tǒng)中，考慮到開關量信號地理位置分布比較集中，數(shù)據采集采用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通過定時器產生的每隔0.1 ms產生的時鐘脈沖，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產生的同步脈沖作為采集數(shù)據的觸發(fā)信號，達到數(shù)據采集的精確同步。

(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路開關量信號的采集，8255由芯片IDT74LVC4245A驅動，同時該芯片可實現(xiàn)3.3 V與5 V信號之間的轉換，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負責與上位機進行數(shù)據通訊，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，將數(shù)據通過串口或USB口發(fā)給上位機。

4 SoE系統(tǒng)的軟件結構

根據SoE系統(tǒng)的硬件構成，其軟件結構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)據采集及數(shù)據發(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)器方式產生；波特率由定時器1的方式1產生；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)據等于此常數(shù)，則表示握手成功，否則重新接收握手數(shù)據。

在系統(tǒng)上電復位后，根據各開關量的正常狀態(tài)將原始數(shù)據存入存儲器，同時在同步脈沖下將采集到的數(shù)據與初始狀態(tài)做比較，如果數(shù)據保持不變，說明各開關量的狀態(tài)沒有改變，系統(tǒng)重新采集數(shù)據；當接收到一個事件觸發(fā)數(shù)據時，就會按照該觸發(fā)事件時間標記將采集到的數(shù)據傳送到緩存器中，同時開始計時，如果在定義的時間內沒有其他事件到達，則完成1次SoE記錄，并將數(shù)據從緩存器中發(fā)送到雙口RAM中，再由通信CPU將數(shù)據從雙口RAM中調出，經匯總整理后，經網絡提交給上位機。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工作狀態(tài)的設置及數(shù)據處理與輸出，利用LabVIEW進行數(shù)據分析和人機交互界面的編制。采集數(shù)據經通訊CPU發(fā)往上位機后，經數(shù)據處理程序輸出結果，結果以事件發(fā)生的先后順序排序，報告相應開關量的狀態(tài)變化情況，同時將相關數(shù)據存入SQL數(shù)據庫，實現(xiàn)帶有時間標簽數(shù)據的永久保存，作為優(yōu)化設計和分析故障的重要依據。由于在機組的日常運行中一些運行設備的切換是很正常的，例如磨和風機的切換，如果這些跳變也觸發(fā)產生SoE報表并打印，將造成系統(tǒng)資源的較大浪費。在實際應用中應以汽機跳閘等少數(shù)信號作為觸發(fā)信號產生SoE報表，并設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 語

基于單片機和LabVIEW的SoE系統(tǒng)，實現(xiàn)了低成本的數(shù)據采集系統(tǒng)架構，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)據采集系統(tǒng)將單片機用于數(shù)據采集的靈活性與LabVIEW強大的數(shù)據分析處理能力相結合，可廣泛用于測控領域。