嵌入式多串口通信轉換器的電能質量監控系統設計

引言
???? 隨著非線性電力電子元器件的應用，電能質量問題日益嚴重。因此有必要實時在線監測電能質量，以便采取措施提高電能質量。電能質量在線監測系統大多采用多串口卡搭配工控機的模式，這種模式成本昂貴，而由傳統的單片機設計的串口轉以太網設備不能滿足日益復雜的電能質量監控系統控制要求；在工業生產控制和通信領域，串行口設備大多符合RS232標準。為了能夠將多個串行口的數據轉發到以太網絡上，并實現數據的遠程傳輸、設備的遠程控制便成了急待解決的問題。同時由于成本問題，舊設備又不可能全部淘汰。
?? 因此，本文搭建了一種基于嵌入式多串口通信轉換器的電能質量監控系統。
1 電能質量監控系統總體設計
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系統結構分為三層，監測層、現地控制層、電能質量數據工作站；監測層包括7臺電力系統測量設備和電能質量補償設備；三相電壓表、三相電流表、有功功率、無功功率等檢測儀器通過串口連接到主板上，三相電流、三相電壓等數據通過串口傳輸到通信轉換器，通信轉換器再將串行數據轉換成以太網數據流，然后通過局域網發送到電能質量數據工作站；同時現地控制層建立了良好的人機界面, 使用戶可以一目了然地觀察電網運行的實時數據,并具有數據存儲、圖標顯示、數據打印等功能。
監控系統第一層為監測層，主要由電氣測量設備構成，負責采集和監測電網的實時數據，包括三相電壓有效值、三相電流有效值、有功功率、無功功率、電壓閃變率和波動率、諧波特征值等電網狀態參量，這些參量通過串口傳輸給現地控制層，其中計算諧波時目前根據要求只計算到23次諧波, 截止頻率分別選擇為1.15kHz 和40Hz。計算閃變所需的數據從所存儲10 分鐘中的數據中進行抽樣獲得, 每隔10 分鐘數據需實時更新。同時可對瞬時閃變視感度S(t)恒速采樣, 得出累積概率函數,再計算出閃變值Pst。
由于監測層和現地控制層之間采用串口連接，監測層的儀表點數最多可以擴展到256個，因此在不改變其他硬件的情況下監控系統具有較強的擴展性。
監控系統的第二層為現地控制層，現地測量的電網狀態參量通過串口傳輸給通信轉換器，再通過通信轉換器將串性數據轉換成TCP/IP數據包，它保證了電網狀態參量數據可以通過以太網傳輸給電能質量數據工作站，同時嵌入式主板還可以接受來自電能質量數據工作站的控制命令，以適應電能質量監控的需要。
監控系統的第三層為電能質量數據工作站，采用MySQL作為數據庫服務器的數據管理系統，它根據來自現地控制層的數據來判斷三相電壓、電流是否越限，諧波含量是否超過國家規定標準，同時傳達上級調度中心的調度命令來優化現場控制設備的控制策略，電能質量數據工作站還可以跟其他的電力調度通信中心聯網，進一步提高電力系統自動化程度。
2監控層設計
監控層測量設備包括三相電流表等，由于現地控制層采用linux作為操作系統，檢測層與現地控制層之間的通信利用select機制實現多路串口設備的數據傳輸與控制，在linux下，串口設備相當于字符型設備，對串口的控制也就是對相應文件進行讀／寫、控制等操作，對于本系統的8路串口設備，輪詢檢測方法顯然已不滿足系統設計需要，所謂輪詢檢測方法指對串口進行非阻塞的讀寫操作，故監控層采用select機制實現I/O復用來實現多串口數據的讀寫與控制；其程序流程實現如下：首先調用open函數打開串口并獲得各個串口設備的文件描述符fd，8個文件描述符通過FD_SET、FD_ISSET、FD_ZERO、FD_CLR函數處理，如果open函數返回數非0表明串口設備已經打開，再通過編寫自定義函數將串口配置設定為波特率115200、起始位1b、數據位8b、停止位1b和無流控協議，最后調用select函數,如果沒有可讀／寫的設備，且沒有設置超時返回功能，那么進程將阻塞在select調用上；否則select函數返回，并可通過測試參數來確定哪個I／O設備可讀或可寫，而后以非阻塞方式操作該I／O設備，從而實現期望功能.

3現地控制層軟硬件設計
3.1硬件設計
現地控制設備采用嵌入式技術，主板核心處理器采用三星公司的32位的嵌入式微處理器S3C2410，主頻200MHz以上，能夠滿足高速實時處理和大容量數據傳輸的需要，具有強大的處理能力和升級空間，本系統集成了某公司的多串口通信轉換器，提供8路串口，串口參數設置為波特率115200、起始位1b、數據位8b、停止位1b和無流控協議，具有16字節的FIFO可以減少中斷次數，一路10M/100M以太網接口，同時可以選擇、處理串口數據，并將其轉化成以太網數據流，實現多個串口設備的上網和遠程監控。當測量節點增加時，無需淘汰原有串口設備，多臺設備可同時入網，既可以提高設備利用率，又節約組網費用，還可在已有的網絡基礎上簡化布線復雜度。
3.2軟件設計
?? 現地控制層實現的任務比較復雜，既要負責與電力測量設備的通信，也要保證與電能質量數據工作站的通信，因此選擇linux系統作為嵌入式主板的操作系統。
現地控制層在TCP/IP 協議的基礎上利用套接字（socket）與電能質量數據工作站建立面向連接的C/S（客戶機/服務器）通信方式，服務器在創建socket后,程序將創建的套接字同服務器地址以及端口綁定,此時套接字處于偵聽狀態,并在固定端口上偵聽客戶機的連接請求, 服務器在接收到一個連接請求后會產生一個接收應答,利用系統調用函數fork 創建一個子進程與客戶機進行通信,父進程則繼續在固定的端口上進行偵聽。子進程在接收到數據信息后,利用MySQL更新數據庫,在通信過程中,服務器與每一個客戶機應始終保持連接,從而保證接收現場信息的及時性。圖2為現地控制層系統流程圖。
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4總結
???? 經試驗證明，多串口通信轉換器應用在電能質量監控系統，無需淘汰原有串口設備，可實現多臺設備可同時入網，在提高設備利用率的同時，又節約組網費用，性價比高，易于集成。
本文作者創新點：使現有的多串口設備聯網，并實現串行數據在以太網的透明傳輸。
項目數據來源于在實驗室條件下搭建的系統，經多次調試證明系統的性能良好，相信投入后會產生可觀的經濟效益。