基于嵌入式技术的电力系统稳定运行集中监控
2022-06-09
[摘 要]电力系统的发展要求各类变电站的通信系统实现其动力和集中监控。通过对电力系统通信动力和集中监控系统的需求分析，提出了应实现的基本功能和设计要求。介绍了该系统结构和特点，以及系统安装与运行期间发现的问题和解决措施。系统通过实际应用，提高了工作效率，对运行维护意义重大。
[关键词]集中监控 电力系统 通信 需求分析
中图分类号：P618 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0224-01
1 引言
电力系统是由发电厂、变电所、输电网、配电网和用户的用电设备等组成，并由调度控制中心对全系统的运行进行统一的管理。电网监视和控制的计算机信息系统是为电网运行管理服务的特殊的信息系统，简称为电网监控系统。它是电力系统中一个功能比较专一的系统，同时也是一个不可缺少的现代化手段。
针对电力系统监控的特点和要求，本文研制的电网监控系统以嵌人式cpu板为核心，开发了多串口电路、模拟量输人与开关量输人/输出电路和友好的人机接口，配合功能丰富的软件，能实时地监测电力系统中各设备的运行工况，并能与电力系统监控后台或发电厂、变电站监控系统的通信，实现电力系统的集中监控和“遥测、遥控、遥信、遥调”。
2 监控硬件模块
从组成来看，嵌人式系统包括硬件和软件两个部分，是两者的紧密结合。整个系统可以看成由微处理器、内存、软件系统、输入和输出四个部分组成。嵌人式电网监控系统硬件部分主要包括数据采集控制部分、嵌人式cpu板、液晶显示器、触摸屏等。
3 监控模块软件
软件部分是整个嵌人式系统的关键部分，主要包括操作系统软件和应用程序两部分，完成数据采集、数据处理、智能决策与控制、数据库的操作、人机图形界面、基于web的网络监控等功能。
3.1 操作系统的定制
许多简单的嵌人式系统并不需要嵌人式操作系统（如单片机控制）。但是，随着嵌人式系统复杂性的增加，操作系统显得越来越重要。操作系统是计算机系统中最重要的组成部分之一，它是用户与计算机之间的接口。操作系统必须具有两方面的功能：一是为用户提供各种简便有效的访问计算机资源的手段，二是要合理地组织系统工作流程，对系统进行有效地管理。为了实现上述的基本功能，需要编制不同的功能模块，按层次结构将各个功能模块有机地组织起来，建立各种进程，以完成处理器管理、存储管理、文件系统管理、设备管理和作业控制等主要功能。
嵌人式rtlinux的全部设计思想基于实时应用的划分。在这里，一个实时应用被划分成了一个运行于实时核心之上的实时进程及运行于linux核心上的分时进程；rtlinux并没有对linux内核作大的改动，而是利用linux内核模块机制，采用插人模块的方式，通过一个独立的内核来管理实时任务。在加载了rtlinux内核之后，原来的linux内核就作为实时操作系统的一个空闲任务，仅当没有实时任务要运行时才执行。
定制操作系统的关键是根据内存与cpu处理器的速度、doc （disk on chip）等方面的限制，减少系统所需的资源。为此从发行版着手，裁减了不需要的模块，保留了引导工具、linux微内核（包含内存管理、进程管理、事务处理等）、初始化进程，添加了相应的硬件驱动程序、实时内核、tcp/ip网络堆栈等。实现步骤如下：
3.1.1 重新编译linux内核，去除不需要的模块，添加需要模块。
3.1.2 重新编写触摸屏驱动，使其运行不需xfree86的支持，从而实现把系统定制得更小。
3.1.3 重新编写以太网和串口驱动程序。
3.1.4 定制后移植并编写init程序。
3.1.5 安装应用程序。
3.2 数据采集
从配电系统自动化的实现来看，最基本的功能应该是数据采集，这是实现其他功能的基础。数据采集的任务就是采集配电系统输出的模拟量和状态信息信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视；其中一部分数据还将被计算机控制系统用来产生某些控制命令的物理量。由于电力系统、发电厂或变电站的一次电流和电压都是大电流或高电压的信号，不能直接送至a/d转换器，所以必须将变电站电压互感器或电流互感器输出的强电信号，经过一个小电压互感器或小电流互感器，变换成a/d转换器所能接受的电压信号。
本系统中，数据采集是基于rtlinux操作系统平台，选用c编程语言。c编程语言作为一种高级语言、书写方便，易于开发大型应用程序。在配电网中采集的数据被自动地实时监视，以保证测量值、计算值位于容许的限度内。对状态值，主要监视其变化，并以正确的时序记录下来。对测量值、主要监视其变化率并记录其连续变化趋势。
3.3 数据库设计
电网监控系统的处理过程其实就是数据采集、数据传递和数据处理的过程，其中对于数据的处理难免要用到数据库。数据库就是将数据用计算机处理后加以保存，通过规则的排列顺序及分类，使得可以快速的提取或维护数据。
数据库为电力系统监视和运行控制计算提供正确的依据，在此采用mysql实现对配电网采集的数据进行管理。mysql作为一种服务器后台数据库，由于它具有功能强大、灵活多变、丰富的应用编程接口（api）以及精巧的系统结构，受到了广大软件爱好者甚至是商业软件用户的欢迎，特别是与apache和php结合，将为建立基于数据库的动态网站提供强大动力。它具有功能强、使用简便、管理方便、容易使用、运行速度快、安全可靠性强等优点，用户可利用许多语言编写访问mysql数据库的程序。
3.4 web网页控制的实现
在电力系统，基于嵌入式web服务器技术建立的新型监测和控制系统，将有效降低系统运行维护费用，提高系统管理水平，在电力系统有着广泛的应用前景。嵌入式服务器比起以往pc机服务器结构简单，尺寸微小，价格低廉；当把嵌入式监测系统与internet连接，配置好ip地址并运行网络服务器后，用户通过网络就可以在浏览器中访问存在于系统中的主页了，从而对远程设备进行监测。采用apache+php+mysql的全免费组合方式实现基于w eb的远程测控。a-pache是服务器端软件。它是以模块化的方式来设计的，有较高的负荷上限，而且稳定快速。php是一种服务器端脚本语言，采用php语言编写程序对mysql数据库进行操作，生成动态网页。电网的安全关系着国家经济的命脉，其监控数据是高度机密。internet虽方便了与远方控制中心的数据交换，但随之而来的就是数据安全问题。为了保证远程控制的安全性不被非法侵入，本系统采用了两层的安全防护措施。在服务器级进行了安全访问限制，在网页上利用php的session实现密码认证，防止了非法入侵。由于采用了php语言，实现的远程监控网页是一个动态交互的操作界面，通过点击实现控制；对受控对象的信息显示，每秒自动刷新一次，保证了显示信息与实际采样信息的一致。
4 结束语
本文设计的电网监控模块，以嵌人式处理器为核心，设计了多串口电路、模拟量采集模块、开关量输人、开关量输出和人机接口，在rtlinux环境下编制了功能灵活的软件。考虑到工作环境的恶劣性，在硬件和软件的设计过程中，采取了抗干扰措施，有效提高了系统工作的可靠性。
参考文献
[1] 谭磊.通信动力设备与环境集中监控系统[J].电工技术.2002（12）.
[关键词]集中监控 电力系统 通信 需求分析
中图分类号：P618 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0224-01
1 引言
电力系统是由发电厂、变电所、输电网、配电网和用户的用电设备等组成，并由调度控制中心对全系统的运行进行统一的管理。电网监视和控制的计算机信息系统是为电网运行管理服务的特殊的信息系统，简称为电网监控系统。它是电力系统中一个功能比较专一的系统，同时也是一个不可缺少的现代化手段。
针对电力系统监控的特点和要求，本文研制的电网监控系统以嵌人式cpu板为核心，开发了多串口电路、模拟量输人与开关量输人/输出电路和友好的人机接口，配合功能丰富的软件，能实时地监测电力系统中各设备的运行工况，并能与电力系统监控后台或发电厂、变电站监控系统的通信，实现电力系统的集中监控和“遥测、遥控、遥信、遥调”。
2 监控硬件模块
从组成来看，嵌人式系统包括硬件和软件两个部分，是两者的紧密结合。整个系统可以看成由微处理器、内存、软件系统、输入和输出四个部分组成。嵌人式电网监控系统硬件部分主要包括数据采集控制部分、嵌人式cpu板、液晶显示器、触摸屏等。
3 监控模块软件
软件部分是整个嵌人式系统的关键部分，主要包括操作系统软件和应用程序两部分，完成数据采集、数据处理、智能决策与控制、数据库的操作、人机图形界面、基于web的网络监控等功能。
3.1 操作系统的定制
许多简单的嵌人式系统并不需要嵌人式操作系统（如单片机控制）。但是，随着嵌人式系统复杂性的增加，操作系统显得越来越重要。操作系统是计算机系统中最重要的组成部分之一，它是用户与计算机之间的接口。操作系统必须具有两方面的功能：一是为用户提供各种简便有效的访问计算机资源的手段，二是要合理地组织系统工作流程，对系统进行有效地管理。为了实现上述的基本功能，需要编制不同的功能模块，按层次结构将各个功能模块有机地组织起来，建立各种进程，以完成处理器管理、存储管理、文件系统管理、设备管理和作业控制等主要功能。
嵌人式rtlinux的全部设计思想基于实时应用的划分。在这里，一个实时应用被划分成了一个运行于实时核心之上的实时进程及运行于linux核心上的分时进程；rtlinux并没有对linux内核作大的改动，而是利用linux内核模块机制，采用插人模块的方式，通过一个独立的内核来管理实时任务。在加载了rtlinux内核之后，原来的linux内核就作为实时操作系统的一个空闲任务，仅当没有实时任务要运行时才执行。
定制操作系统的关键是根据内存与cpu处理器的速度、doc （disk on chip）等方面的限制，减少系统所需的资源。为此从发行版着手，裁减了不需要的模块，保留了引导工具、linux微内核（包含内存管理、进程管理、事务处理等）、初始化进程，添加了相应的硬件驱动程序、实时内核、tcp/ip网络堆栈等。实现步骤如下：
3.1.1 重新编译linux内核，去除不需要的模块，添加需要模块。
3.1.2 重新编写触摸屏驱动，使其运行不需xfree86的支持，从而实现把系统定制得更小。
3.1.3 重新编写以太网和串口驱动程序。
3.1.4 定制后移植并编写init程序。
3.1.5 安装应用程序。
3.2 数据采集
从配电系统自动化的实现来看，最基本的功能应该是数据采集，这是实现其他功能的基础。数据采集的任务就是采集配电系统输出的模拟量和状态信息信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视；其中一部分数据还将被计算机控制系统用来产生某些控制命令的物理量。由于电力系统、发电厂或变电站的一次电流和电压都是大电流或高电压的信号，不能直接送至a/d转换器，所以必须将变电站电压互感器或电流互感器输出的强电信号，经过一个小电压互感器或小电流互感器，变换成a/d转换器所能接受的电压信号。
本系统中，数据采集是基于rtlinux操作系统平台，选用c编程语言。c编程语言作为一种高级语言、书写方便，易于开发大型应用程序。在配电网中采集的数据被自动地实时监视，以保证测量值、计算值位于容许的限度内。对状态值，主要监视其变化，并以正确的时序记录下来。对测量值、主要监视其变化率并记录其连续变化趋势。
3.3 数据库设计
电网监控系统的处理过程其实就是数据采集、数据传递和数据处理的过程，其中对于数据的处理难免要用到数据库。数据库就是将数据用计算机处理后加以保存，通过规则的排列顺序及分类，使得可以快速的提取或维护数据。
数据库为电力系统监视和运行控制计算提供正确的依据，在此采用mysql实现对配电网采集的数据进行管理。mysql作为一种服务器后台数据库，由于它具有功能强大、灵活多变、丰富的应用编程接口（api）以及精巧的系统结构，受到了广大软件爱好者甚至是商业软件用户的欢迎，特别是与apache和php结合，将为建立基于数据库的动态网站提供强大动力。它具有功能强、使用简便、管理方便、容易使用、运行速度快、安全可靠性强等优点，用户可利用许多语言编写访问mysql数据库的程序。
3.4 web网页控制的实现
在电力系统，基于嵌入式web服务器技术建立的新型监测和控制系统，将有效降低系统运行维护费用，提高系统管理水平，在电力系统有着广泛的应用前景。嵌入式服务器比起以往pc机服务器结构简单，尺寸微小，价格低廉；当把嵌入式监测系统与internet连接，配置好ip地址并运行网络服务器后，用户通过网络就可以在浏览器中访问存在于系统中的主页了，从而对远程设备进行监测。采用apache+php+mysql的全免费组合方式实现基于w eb的远程测控。a-pache是服务器端软件。它是以模块化的方式来设计的，有较高的负荷上限，而且稳定快速。php是一种服务器端脚本语言，采用php语言编写程序对mysql数据库进行操作，生成动态网页。电网的安全关系着国家经济的命脉，其监控数据是高度机密。internet虽方便了与远方控制中心的数据交换，但随之而来的就是数据安全问题。为了保证远程控制的安全性不被非法侵入，本系统采用了两层的安全防护措施。在服务器级进行了安全访问限制，在网页上利用php的session实现密码认证，防止了非法入侵。由于采用了php语言，实现的远程监控网页是一个动态交互的操作界面，通过点击实现控制；对受控对象的信息显示，每秒自动刷新一次，保证了显示信息与实际采样信息的一致。
4 结束语
本文设计的电网监控模块，以嵌人式处理器为核心，设计了多串口电路、模拟量采集模块、开关量输人、开关量输出和人机接口，在rtlinux环境下编制了功能灵活的软件。考虑到工作环境的恶劣性，在硬件和软件的设计过程中，采取了抗干扰措施，有效提高了系统工作的可靠性。
参考文献
[1] 谭磊.通信动力设备与环境集中监控系统[J].电工技术.2002（12）.