嵌入式多串口通信转换器的电能质量监控系统设计

嵌入式多串口通信转换器的电能质量监控系统设计

引言
     随着非线性电力电子元器件的应用，电能质量问题日益严重。因此有必要实时在线监测电能质量，以便采取措施提高电能质量。电能质量在线监测系统大多采用多串口卡搭配工控机的模式，这种模式成本昂贵，而由传统的单片机设计的串口转以太网设备不能满足日益复杂的电能质量监控系统控制要求；在工业生产控制和通信领域，串行口设备大多符合RS232标准。为了能够将多个串行口的数据转发到以太网络上，并实现数据的远程传输、设备的远程控制便成了急待解决的问题。同时由于成本问题，旧设备又不可能全部淘汰。
   因此，本文搭建了一种基于嵌入式多串口通信转换器的电能质量监控系统。
1 电能质量监控系统总体设计
 

系统结构分为三层，监测层、现地控制层、电能质量数据工作站；监测层包括7台电力系统测量设备和电能质量补偿设备；三相电压表、三相电流表、有功功率、无功功率等检测仪器通过串口连接到主板上，三相电流、三相电压等数据通过串口传输到通信转换器，通信转换器再将串行数据转换成以太网数据流，然后通过局域网发送到电能质量数据工作站；同时现地控制层建立了良好的人机界面, 使用户可以一目了然地观察电网运行的实时数据,并具有数据存储、图标显示、数据打印等功能。
监控系统第一层为监测层，主要由电气测量设备构成，负责采集和监测电网的实时数据，包括三相电压有效值、三相电流有效值、有功功率、无功功率、电压闪变率和波动率、谐波特征值等电网状态参量，这些参量通过串口传输给现地控制层，其中计算谐波时目前根据要求只计算到23次谐波, 截止频率分别选择为1.15kHz 和40Hz。计算闪变所需的数据从所存储10 分钟中的数据中进行抽样获得, 每隔10 分钟数据需实时更新。同时可对瞬时闪变视感度S(t)恒速采样, 得出累积概率函数,再计算出闪变值Pst。
由于监测层和现地控制层之间采用串口连接，监测层的仪表点数最多可以扩展到256个，因此在不改变其他硬件的情况下监控系统具有较强的扩展性。
监控系统的第二层为现地控制层，现地测量的电网状态参量通过串口传输给通信转换器，再通过通信转换器将串性数据转换成TCP/IP数据包，它保证了电网状态参量数据可以通过以太网传输给电能质量数据工作站，同时嵌入式主板还可以接受来自电能质量数据工作站的控制命令，以适应电能质量监控的需要。
监控系统的第三层为电能质量数据工作站，采用MySQL作为数据库服务器的数据管理系统，它根据来自现地控制层的数据来判断三相电压、电流是否越限，谐波含量是否超过国家规定标准，同时传达上级调度中心的调度命令来优化现场控制设备的控制策略，电能质量数据工作站还可以跟其他的电力调度通信中心联网，进一步提高电力系统自动化程度。
2监控层设计
监控层测量设备包括三相电流表等，由于现地控制层采用linux作为操作系统，检测层与现地控制层之间的通信利用select机制实现多路串口设备的数据传输与控制，在linux下，串口设备相当于字符型设备，对串口的控制也就是对相应文件进行读／写、控制等操作，对于本系统的8路串口设备，轮询检测方法显然已不满足系统设计需要，所谓轮询检测方法指对串口进行非阻塞的读写操作，故监控层采用select机制实现I/O复用来实现多串口数据的读写与控制；其程序流程实现如下：首先调用open函数打开串口并获得各个串口设备的文件描述符fd，8个文件描述符通过FD_SET、FD_ISSET、FD_ZERO、FD_CLR函数处理，如果open函数返回数非0表明串口设备已经打开，再通过编写自定义函数将串口配置设定为波特率115200、起始位1b、数据位8b、停止位1b和无流控协议，最后调用select函数,如果没有可读／写的设备，且没有设置超时返回功能，那么进程将阻塞在select调用上；否则select函数返回，并可通过测试参数来确定哪个I／O设备可读或可写，而后以非阻塞方式操作该I／O设备，从而实现期望功能.

3现地控制层软硬件设计
3.1硬件设计
现地控制设备采用嵌入式技术，主板核心处理器采用三星公司的32位的嵌入式微处理器S3C2410，主频200MHz以上，能够满足高速实时处理和大容量数据传输的需要，具有强大的处理能力和升级空间，本系统集成了某公司的多串口通信转换器，提供8路串口，串口参数设置为波特率115200、起始位1b、数据位8b、停止位1b和无流控协议，具有16字节的FIFO可以减少中断次数，一路10M/100M以太网接口，同时可以选择、处理串口数据，并将其转化成以太网数据流，实现多个串口设备的上网和远程监控。当测量节点增加时，无需淘汰原有串口设备，多台设备可同时入网，既可以提高设备利用率，又节约组网费用，还可在已有的网络基础上简化布线复杂度。
3.2软件设计
   现地控制层实现的任务比较复杂，既要负责与电力测量设备的通信，也要保证与电能质量数据工作站的通信，因此选择linux系统作为嵌入式主板的操作系统。
现地控制层在TCP/IP 协议的基础上利用套接字（socket）与电能质量数据工作站建立面向连接的C/S（客户机/服务器）通信方式，服务器在创建socket后,程序将创建的套接字同服务器地址以及端口绑定,此时套接字处于侦听状态,并在固定端口上侦听客户机的连接请求, 服务器在接收到一个连接请求后会产生一个接收应答,利用系统调用函数fork 创建一个子进程与客户机进行通信,父进程则继续在固定的端口上进行侦听。子进程在接收到数据信息后,利用MySQL更新数据库,在通信过程中,服务器与每一个客户机应始终保持连接,从而保证接收现场信息的及时性。图2为现地控制层系统流程图。
 

4总结
     经试验证明，多串口通信转换器应用在电能质量监控系统，无需淘汰原有串口设备，可实现多台设备可同时入网，在提高设备利用率的同时，又节约组网费用，性价比高，易于集成。
本文作者创新点：使现有的多串口设备联网，并实现串行数据在以太网的透明传输。
项目数据来源于在实验室条件下搭建的系统，经多次调试证明系统的性能良好，相信投入后会产生可观的经济效益。