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摘 要 :根据电力系统的特点和要求,设计了以嵌入式CPU为核心,扩展了多串口板、开关量输入板、开关量输出板、模拟量采集模块的监控模块,软件具有强大的组态能力,通过网络能与电力系统监控后台通信,实现电力系统的集中监控.
关 键 词 :电力系统 监控 嵌入式 CPU数据 库网络服务器
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.
以计算机为中心的电力系统自动监视和控制系统的基本结构如图1所示,在电力系统的自动监视和控制系统中,信息收集系统的作用是确定系统的运行条件,提供每个控制功能所需要的信息输人,同时信息收集系统也将加强运行人员和系统间的联系,根据需要向信息人员提供电力系统的实时信息.
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,如图2所示.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.
嵌人式系统的核心部件是嵌人式处理器.嵌人式系统通过网络设备与外界联系,接收外界数据并在处理后通过网络传出.本系统中采用以太网接口与电力系统监控后台通信,实现电力系统的集中监控和“四遥”功能.
人机接口采用液晶显示和触摸屏输人.与通用计算机相类似,嵌人式系统有时候也需要键盘或者鼠标一类的输人设备.但不同的是,嵌人式系统需要的是有限定的小键盘.为了控制方便起见,本文研制的监控系统采用触摸屏.
开关量输出板采用光藕和继电器二级隔离,工作可靠.开关量输人板采用光藕隔离,考虑到工业现场环境的恶劣性,在硬件和软件上都采取了一些抗干扰的措施.
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.应用程序的主要构架如图3所示,操作系统采用基于RTLinux内核的自操作系统.
程序各进程间的通信主要通过共享内存的机制来进行.远程测控(基于Web的网络测控)通过对数据库的操作,向数据库的控制表写控制规则,再由程序将控制信息读到共享内存区,经输出控制模块进行智能处理、决策后实现测控操作.历史数据查询显示直接通过对数据库的操作来实现.
3.1操作系统的
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.
和一般的计算机应用系统不同,由于电力系统具有发电、输电、变电、配电和用电一次同步完成的特点,实时性很强.标准Linux系统是一个“非抢占式”的系统,当一个进程被系统调用并处于运行状态时,是不允许进程进行调度的.这就意味着一旦系统调用中有某个任务正在执行,那么该任务就会控制处理器,直到系统调用结束,而不管其使用处理器时间的长短,很容易导致一些更重要的任务(如报警)在等待系统调用完成的过程中被延误,系统不具备实时性.因此,选用了具备“抢占式”运行的RTLinux内核,在此基础上进行系统自,很好地满足了系统实时性和可靠性的要求.
如图4所示,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.
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,从而实现把系统得更小.
3.1.3重新编写以太网和串口驱动程序.
3.1.4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.