（测试计量技术及仪器专业论文）电力远程监测管理系统及虚拟仪器在其中的应用.pdf

摘要 电力远程监测管理是实现电力系统自动化的关键。本文概要介绍了电力远程监 测技术的现状，指出了现有电力远程监测系统存在的问题，提出并研制了一种新型 的电力远程监测管理系统，并在系统中利用虚拟仪器处理测量结果。由于主站软件 采用了虚拟仪器技术，该系统可以快速、方便、直观、准确地掌握用户的用电情况， 提高电力远程监测管理的自动化和现代化水平。 本文介绍了电力远程监测管理系统的构成与工作原理。重点论述了电力远程监 测结果的虚拟现实处理方法。全文共分为5 章： 第1 章为绪论，主要论述了电力远程监测技术的研究现状、虚拟仪器的发展和 虚拟仪器的特点，指出电力远程监测管理系统项目研究的重要性。 第2 章系统地阐述了电力远程监测管理系统的构成，介绍了系统上行信道、下 行信道的工作原理，论述了主站软件的模块化设计思想、简要介绍了系统的主要功 能。 第3 章对虚拟仪器开发平台l a b v i e w 作了概述性的介绍，论述了虚拟仪器系 统的设计方法和步骤。 第4 章重点论述了电力远程监测管理系统测量结果的虚拟化处理方法：测量数 据的虚拟化显示和参数曲线的虚拟化显示，探讨并总结了虚拟仪器系统设计的几个 关键问题。 第5 章介绍了本文研究成果的实际应用情况，总结了系统研究的不足之处，探 讨了电力远程监测管理系统的发展方向，以及虚拟仪器技术的发展前景。 关键词：电力远程监测主站虚拟仪器l a b v i e w 仪器面板 a b s t r a c t t h em a n a g e m e n to fe l e c t r i cp o w e rr e m o t em o n i t o r i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yt o r e a l i z ee l e c t r i c p o w e ra u t o m a t i z a t i o n t h i sp a p e rs u m m a r i l yi n t r o d u c e s t h ec u r r e n t s i t u a t i o no fe l e c t r i cp o w e rr e m o t em o n i t o r i n gt e c h n i q u e s ，i n d i c a t e st h ep r o b l e m st h a t e x i s t si np r e s e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ，p u t sf o r w a r da n dd e v e l o p san e w f a s h i o n e de l e c t r i c p o w e rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m t h i ss y s t e mu t i l i z e s v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) t od e a l w i t ht h er e s u l t so f m e a s u r i n g d a t ad e r i v e di nt h ec o u r s eo f s y s t e mm o n i t o r i n g b yt h e u s e o fv it e c h n o l o g y , t h es y s t e mc a nm a s t e ru s e r si n f o r m a t i o np r o m p t l y , c o n v e n i e n t l y , a c c u r a t e l y a n d i m m e d i a t e l y , i t c a n r e m a r k a b l yi m p r o v e t h e a p p l i c a t i o n l e v e lo f a u t o m a t i z a t i o na n dm o d e r n i z a t i o ni ne l e c t r i cp o w e rr e m o t em o n i t o r i n gm a n a g e m e n t ，t o o t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ee l e m e n t sa n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee l e c t r i cp o w e r r e m o t em o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m t h ew h o l ep a p e ri sc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s ： c h a p t e r1 i st h ef o r e w o r d ，w h i c hd i s c u s s e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fe l e c t r i cp o w e r r e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e s ，p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fv i a t t h es a m et i m e ，t h i sc h a p t e ri n d i c a t e st h ei m p o r t a n c eo fr e s e a r c h i n gt h i ss y s t e m c h a p t e r 2s y s t e m i c a l l yd e m o n s t r a t e st h ep a r t so ft h es y s t e md e s c r i b e di nt h i sp a p e r ， i n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fs y s t e m st o pa n db o t t o mc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s ， d i s c u s s e st h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o di nt h em a s t e rs t a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t i nt h ee n do ft h i sc h a p t e r , t h em a i nf u n c t i o no ft h es y s t e mi sb r i e f l yi n t r o d u c e d c h a p t e r3s u m m a r i l yi n t r o d u c e sl a b v i e w , w h i c h i st h es o f t w a r ef l a to fv i t h i s c h a p t e rd i s c u s s e st h em e t h o d sa n dt h ea p p r o a c h e si nd e s i g n i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n t s s y s t e m s c h a p t e r 4s t r e s s e st w ov i r t u a ld i s p l a ym e t h o d so ft h i ss y s t e m ：t h em e t h o do fs y s t e m m e a s u r i n g d a t ad i s p l a y , a n dt h em e t h o do fc u r v ed a t ad i s p l a y t h i sc h a p t e rd i s c u s s e sa n d s u m m a r i e st h e k e yq u e s t i o n si nd e s i g n i n g v i s y s t e m s ，t o o c h a p t e r5i n t r o d u c e st h ea c t u a l l yo p e r a t i n gr e s u l t so f t h i ss y s t e m ，s u m m a r i e st h e d e f i c i e n c i e so ft h i sp a p e ri nt h es y s t e mr e s e a r c hw o r k ，a n dd i s c u s s e st h ep r o s p e c t so f t h e e l e c t r i c p o w e r r e m o t e m o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m a n dt h e p r o s p e c t s o fv i t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rr e m o t em o n i t o r i n g m a s t e rs t a t i o nv i r t u a li n s t r u m e n t l a b v i e wi n s t r u m e n tp a n e l 童兰奠l 簦篓 垒查望筵笙翌篁要薹茎墨查篓垡登壅薹塑壅璺 第一囊绪论 虚拟仪器技术是在计算机技术及现代测试技术灼基础上发展起来的一门新型 的高科技技术，虚拟仪器汗发是智能检测领域的研究热点。而电力系统的远稷自 动监测管理是提高电力系统运行效益的关键措施。本文介绍了虚拟仪器技零，并 在电力远程监测管理系统项目研究中采用了虚拟仪器技术，获褥了满意的应用效 果。 。 本章围绕“电力远程监测管理系统”这课题，阐述电力远程监测技术的概 念，回顾测量仪器发展的几个阶段，介缨虚拟仪器技术的檄念、国内外发嶷水乎 以及使用虚拟仪器的意义。本章最后还介绍了项县研究背最，以及本文的王佟重 点。 1 1 概述 l 。1 1 电力远程监测管理系统概述 电力嚣程簸测技术是将数据的自动采集、传输稀处理技术应用于电能供用与 管瓒系统牵的项综合往新技术。它以自动抄表技术为核心，从根本上克服了传 统抄表模式的弊端，给电能管理的现代彳l ：带来了新的希整。目前，荚国、欧溯等 发i 表国家鑫把螽动抄表技术及电能质蠹的远程瑟测技术广泛应用于配电管理。我 国对既技术的研究与应用起多较晚，但发展迅速。随着电力市场管理改革的不断 深入，对电力远程菔测技术的研究必将成为熟点与方向。 电力系统力求达弼最经济的能源消耗和璇有效的运行管理，以最合理、最便 宜的价格向用p 侯电。电力远程靛测系统实现了对配电变压器参数及居民用户用 电爨的自动抄收，不仪能够方便广大用户、提高供电企妲的服务质蘑、树立电力 企娩的良好形象，而鼠能够实行电力企监的减员增效、降低用电成本，同时对于 鸯磁用电管理、防止鬻家电力资源的丈薰流失、杜绝贪污腐败现象都其有积极的 意义。 本文将虚拟仪器技术应用于电力远稷监测管理系统中，可以较宜观地了解用 户当前的用电情况，具有实用价值。 1 1 2 仪器发展的几个盼段 测蠹燕人类认识自然、改造自然的一种学段，仪器则是测蹙中必不可少的工 一塑塞奎兰堡主兰些篷奎 具。仪器发展恐经经历了模拟式、数譬式和镪能化三个发展除段，矮墩拟仪器则 是继智能化仪器之后的额一代仪器【1 1 。 模拟式仪器是撞针式的，它綦于电磁原理进雩亍测量；数字式仪器则适成了快 速响应和高精度的翼求，将对模拟信号的测爨转化为对数字信号豹测量来显示测 爨结果；智能化仪器仪表则运用了微处理器芯片，通过将程戌固化在r o m 巾以及 将测量结果储存在r a m 中自动完成备秘测量功毙。饭以往豹智能仪器仪表骢蟹鹱 化程度其实并不惠，特别是在图形显零、颜色判别等方鞭的能力还+ 分有限，鞠 此，在此基础上，一耪更裹豹翘毙化仪器湿拟技爨便应运瑟生。 1 1 3 虚拟仪器概逮 1 1 3 1 虚拟仪器的摄念 盎投仪器燕诗算梳技术与仪器技术深屡次结合番静产辏，窀是一种全新的仪 器形式，是对戳往模撅式饺器、数字式仪器藕智能仪器的重大突破i l l 。它的击现 使铡譬仪器与计算梳之闯静弄线清失了，歼始了测量仪器静新嚣重代。因忿可以说， 虚掇佼器是仪器技术领域懿一次革命l 烈。 所谓虚接仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v 1 ) ，燕指运餍应带程序将计葬梳与 功畿亿模块硬件结合越来，用户可戳透过友好的图形界糯来操作这台计算视，就 像搽作舀己定义稻设计的仪器一样。虚按仪器戳透萌韵方式愁计算梳资源( 鲡 c p u 、内存、嚣示嚣等) 和仪器硬侔( 如a d 、d a 、数字i o 、定时器、荜片杭 等) 静溯量、按稍熊力结合在一起，完成对被测量的采集、传输、分析、髑断、 显示、数据存僚等置侔。 虚撅仪器的基本思想楚利用计算梳来管璞仪器、组绞仪器系统，进而逐步代 替佼器完成某臻功能，最终运翔取代传统电子仪器的目的。虚稚仪器实际t 是较 硬件结合、虚实结合的产杨，它充分j f 牙雨最新的计算机技术实蕊并扩展了传统仪 器静功能。 1 1 3 2 软件即仪器 在缝拟投器系统牵，疆件仅仅磊来完成缮号静输入靼输出，软 睾方是楚令系 统的关键与核，拯。任嚣一个生产厂家，甚至令耩懂专娃技术懿使蠲者，他稻在 获褥系绕授权豹裁提下，都霹潋逶过修改软佟钓方法缀方馁逸改变裙壤摄系统弱 凌熊与壤模。爨魏，震裂仪器豹最翠倡议者_ 一美国n l 公蠲翠在8 0 年代就提出 了“软件就是纹器”豹穰念。 2 虚拟仪器的出现是建立在计算机技术发展的基础上的，它彻底改观了传统检 测设备更改麻烦、升级困难的问题，也破除了检测系统功能由厂家定义、用户无 法改变的模式。虚拟仪器技术给仪器设计者和仪器用户一个充分发挥自己才能和 想象力的空间。用户( 而不仅仅是仪器生产厂家) 可以随心所欲地根据自己的需 求。设计出自己的系统，以满足多种多样的应用需要。 虚拟仪器的强大功能和灵活特性，使得它在仪器测量领域的应用前景十分广 阔。由于它以软件为核心，主要依靠软件来实现仪器系统的功能，因此虚拟仪器 系统的体积小，生产成本低，开发与生产周期短，智能化功能强，产品的技术性 能好，利润率高。在当今仪器仪表与计量测试界，“软件就是仪器”、“软件就是系 统”的观念已经被人们普遍接受。 1 1 3 3 虚拟仪器的发展现状 虚拟仪器产品自1 9 8 8 年面市以来，发展十分迅速。到1 9 9 4 年底，虚拟仪器 的制造商已达9 5 家之多，共生产1 0 0 0 多种产品，销售额达到2 9 3 亿美元，占整 个仪器销售额7 3 亿美元的4 。 美国是虚拟仪器的诞生国，也是全球最大的虚拟仪器研究、制造地，其生产 虚拟仪器的主要厂家有n i 公司、h p 公司和t c k 公司等。其中，h p 公司目前生产 1 0 0 多种型号的虚拟仪器，t e k 公司生产8 0 多种型号。目前，这些厂家的产品已 进入中国市场，但其产品价格极高，且无中文界面，不易被理解和操作。 在我国，仅有极少数企业研制虚拟仪器，并有产品上市。据了解，1 9 9 6 年以 来，我国重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学及中科泛华公司等单位致力 于研究开发虚拟仪器产品，并引进和消化了美国n i 公司、h p 公司所做的一系列 成果，取得了较好的进展。在未来的两三年内，国内将有一批企业从事虚拟仪器 的生产工作，虚拟仪器将会得到更快的发展。 1 1 3 4 采用虚拟仪器技术的意义 虚拟仪器技术研究具有重要意义： ( 1 ) 缩短仪器开发周期、降低仪器成本、提高仪器性能虚拟仪器采用图形化 编程语言，大大节省了开发人员的编程时间和精力。与传统仪器相比，利用虚拟 仪器技术研制同样的一个项目，往往可以减少善的工作量，同时也可以提高系统 j 的性能。虚拟仪器技术具有各种工艺和技术都较成熟的接口电路板，利用这些接 塑亘查兰壁兰些丝壅 i ：1 电路板既可以节省研制时间、精力，又可以提高系统的可靠性、稳定性和通用 性。 ( 2 ) 提高系统重组、创建的效率 由于虚拟仪器硬件和软件的标准化、规范化，因此可以根据不同的测量要求， 设计出新的数据采集、分析和表达方案。通过增减少量硬件电路、修改部分软件， 就可以重新配置原有的仪器，创建新的仪器系统。因此，拥有一台虚拟仪器系统， 就相当于拥有一个个人实验室。 ( 3 ) 便于实现网络化 由于虚拟仪器的接i ：1 具有通用性、开放性的特点，因此很容易将现有的设备 仪器进行联网，实现远程测控，提高自动化程度。 1 2 项目研究背景 本文研究内容来源于湖南远能电力科技公司委托开发的项目公用配电变 压器低压电力用户远程监测管理系统。该课题是对配电变压器进行实时监测，以 达到加强内部考核，减少估抄、漏抄，防止窃电、降低低压线损等目的的重要技 术支持系统。 系统测量参数多，要求测量结果显示直观，因此采用虚拟仪器技术实现系统 测量参数的显示( 数据显示、指针模拟显示和波形显示) ，系统管理人员通过主站 界面，可以更加清楚、精确、灵活、方便地获取和了解用电信息。 1 3 本文的主要工作 本文以电力远程监测系统领域现阶段的技术为参考，研制了一种新型的电力 远程监测管理系统，并在系统中采用虚拟仪器技术处理系统测量结果。文中详细 地阐述了电力远程监测管理系统的构成、工作原理、系统的主要功能，并给出了 系统主站流程：作为本文的重点内容虚拟仪器技术，文中给了较为详尽地论 述，并就利用虚拟仪器技术显示系统远程监测参数的图形化方法作了系统、细致 地阐述。 全文分为5 章： 第1 章为绪论，主要论述了电力远程监测技术的概念、要求，仪器发展的几 个阶段，以及虚拟仪器的概念、发展现状、意义，并指出项目研究的重要性。 第2 章给出了系统的结构框图，论述了系统各通信信道的工作原理，系统主 站的软件流程，以及系统主要功能。 第一章绪论 电力远程监测管理系统及虚拟仪器在其中的应用 第3 章对虚拟仪器软件开发平台l a b v i e w 作了详细介绍，主要从概念、特点、 前面板和框图程序、以及虚拟仪器系统的设计方法等方面进行论述。 第4 章详细阐述了电力远程监测结果的虚拟化显示方法，参数结果显示主要 有数据显示和曲线显示两种。同时，本章还论述了虚拟仪器开发中的几个关键问 题。 第5 章讨论了电力远程监测管理系统的发展前景，以及虚拟仪器的发展方向， 介绍了电力远程监测管理系统实际运行情况，并总结了本人在研制该系统过程中 的不足之处。 5 第二章电力远程监测管理系统设计 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国绝大部分地区的 用电已经没有限制，“一户一表制”基本普及。但是随着用户电表数量的增多，人 工抄表工作量也急剧增加：另一方面，由于线损过大和部分用户的窃电行为，一 些地区的电价一直居高不下，成为用电管理的一大难题。因此，无论是电力用户 还是用电管理部门，都迫切希望提高电力监测管理的自动化和现代化水平。 计算机技术的普及应用，为现代化用电监测与管理奠定了条件。计算机管理 系统容量大，检索、查询方便，可大大减轻劳动强度，减少操作误差，提高工作 效率。电力远程监测管理系统就是利用计算机强大的信息处理能力，实现对公用 变压器、低压居民用户的监测与管理，从而加强内部考核，减少估抄、漏抄，防 止窃电，进而实现分区、分站、分线和分台区的线损分析与管理考核。 本章主要阐述了电力远程监测管理系统的构成、主要功能，从上行信道和下 行信道等方面论述了系统的工作原理，并给出了系统主站的工作流程图。 2 1 系统的构成 电力远程监测系统采用电话线、c a n 总线、以及r s 4 8 5 总线几种通信信道。 由于系统监测居民小区住户的用电信息，因此，采用电话线拨号的方式能够及时、 方便地进行系统的远程监测管理，而参数信息在电话线上的顺利传输是通过 m o d e m 的调制和解调功能完成的。为了节约m o d e m 资源，同时满足系统集中 器通信距离和通信速率的要求，集中器的设计采用了c a n 总线通信方式。在这种 通信方式下，主集中器与从集中器都是c a n 的节点，其中主集中器直接与m o d e m 相连，通过c a n 与各从集中器进行通信。由于剑蝌总线的开支较大，因此系统 从集中器的下行信道便采用了r s 4 8 5 总线。 系统的构成如图2 1 所示。电力远程监测系统是一个三级分布式通信系统， 主要由主站、集中器、采集单元、通信信道、采集终端等5 部分组成： ( 1 ) 主站 主站( m a s t e rs t a t i o n ) 主站指管理站p c 机，它通过电话线信道采集来自 集中器的数据信息，并将这些数据信息进行处理和管理。主站是公用配电变压器 远程监测系统的核心，完成低压配电变压器实时监测和低压用户远程抄表后的信 息分析与处理，完成监测信息输出、报警、控制等功能。通过主站计算机操作， 苎三主皇垄墨堡些塑篁翌墨竺堡盐 。皇垄墨堡竺塑竺曼墨竺墨垒垫垡墨垄苎塑壁旦 图2 1 电力远程监测管理系统的构成 用电管理人员可以随时获取所需要的各种数据和信息。计算机主站是系统最主要 的人机界面。 ( 2 ) 集中器 集中器( c o n c e n t r a t o r ) 一一集中器是指收集各采集终端、或采集单元、采集 模块( 或多功能电能表) 的数据，并进行处理储存，同时能和主站或手持单元进 行数据交换的设备。集中器的作用是对配变数据、低压用户参数进行采集，并完 成下行信道与上行信道的转换。集中器缓存本区所有台变单元过去异端时间的测 量数据，并等待接收主站命令。同时，集中器还要完成主站对采集终端、测量终 端的随机测量与控制命令传输。在本系统中，集中器分为主集中器和从集中器。 主、从集中器在结构和功能上没有本质区别，它们均带有r s 4 8 5 总线以构成底层 通信系统，只是主集中器比从集中器多了m o d e m 通信功能。 ( 3 ) 采集单元 采集单元( a c q u i s i t i o nu n i t ) 一一是指实时采集台区变压器电能质量参数( 如 电压、电流、功率因数、变压器油温等) 的设各。采集单元一般安装在台区变压 器附近，其输入信号是变压器副边，即低压侧的三相电压信号、四线电流信号及 变压器油温信号等。采集单元带有r s 一4 8 5 通信接口，集中器可随时对其进行数据 的采集和命令的发布。采集单元完成对台区变压器的实时监测功能。 采集模块( a c q u i s i t i o nm o d u l e ) 采集模块是指用于采集单个用户电能表 电能量信息，并将它处理后通过信道将数据传送到上级设备( 中级器或集中器) 的专用模块。采集模块与采集单元一起，均被安装在台区变压器附近。在本系统 中，采集模块分为无功模块和有功模块，它们分别监测台区的总无功电量和总有 功电量。 ( 4 1 通信信道 通信信道一一信号( 数据) 传输的媒体，如无线电、电力线、电话线等。在 该系统中，通信信道主要是公用电话网、c a n 现场总线、r s 4 8 5 总线。 ( 5 ) 采集终端 采集终端( a c q u i s i t i o nt e r m i n a l ) 一一采集终端是指用于采集多个客户电能表 电能量信息，并经处理后通过信道将数据传送到系统上一级( 中继器或集中器) 的设备。采集终端用于采集各终端表的观测信息，并传输给集中器。在本系统中， 采集终端安装在居民区，通过导线连接若干个( 1 1 6 个) 居民用户表( 脉冲表) ， 进行脉冲数累加和存储。采集终端的核心是单片机，具有一个与集中器相连接的 r s 4 8 5 通信接口。 8 苎三皇皇垄墨墨些翌篁堡墨竺堡盐 皇查墨墨笪曼竺墨墨堡丝塞型堡堡垄茎箜窒旦 2 2 系统的工作原理 2 2 1 系统的工作过程 参见图2 1 ，系统初次上电时，应先进行系统的配置状态检查：主站计算机发 送点名命令，查询从集中器( c a n 节点) 个数、采集模块个数和采集终端个数， 并根据集中器安置情况和采集终端安装情况自动生成系统网络拓扑图。之后，系 统即可依据主站命令，进入正常的监测、管理状态。 2 2 2 主集中器上行信道 电力远程监测管理系统以安装在供电局的主站为中心，以发散的形式通过电 话线与各台变区域带m o d e m 的集中器( 该集中器被称为主集中器，不带m o d e m 的则被称为从集中器) 相连，形成1 对n 的连接方式，因此，主集中器的上行信 道就是模拟电话线。利用电话网信道进行通信，只需在主集中器和主站两端各加 装一个m o d e m 即可实现，这是由于计算机所能处理的数字信号一般不能直接进 入电话线网络，而必须经过这个中间设备m o d e m 来完成信号的转换工作。 m o d e m 即调制解调器，它是m o d u l a t o r ( 调制器) 与d e m o d u l a t o r ( 解调器) 的简称，是最重要的串口通信设备之一。m o d e m 主要实现数字信号到模拟信号 ( 调制) 或模拟信号到数字信号( 解调) 的转换，这种信号转换工作主要由m o d e m 设备上的d s p 数字处理芯片来完成【3 1 。m o d e m 和计算机r s 2 3 2 的接口连线如图 2 2 所示。 d t ed c e 2 t x o ，发送数据 ， r x d 棒精辑抿 31 4 r t s ，请求发送 。 c t s 。清除发送 m o d c m 51 6 d s r ，d c e 准备就绪。 或其他 s g 信号地 d c e 7 r 8 d c d ，载波榆测 、 2 0 d t r d t e 准各就缝 。 2 1 r i ，振铃指示 图2 2m o d e m 与r s 2 3 2 接口的连线 9 图中的d t e ( d a t a t c r m i n a l e q u i p m e n t ，数据通信设备) 是用于发送和接收数 据的设备，在这里指主站计算机；d c e ( d a t ac o m m u n i c a t i o n s e q u i p m e n t ，数据通 信设备) 是用来连接d t e 与通信网络的设备，在这里指m o d e m 。 主站计算机端的m o d e m 从主站串行接收数据，经过调制，将该数字信号转 换为模拟信号，通过电话线网络传送到主集中器端的m o d e m 。主集中器端的 m o d e m 再将这种模拟信号进行解调，然后予以接收。通过m o d e m 进行调制与 解调的过程如图2 3 所示。 l 一数字信号一 模拟信号 一数字信号l _ j 图2 3m o d e m 调制与解调过程 和其他通信标准一样，m o d e m 通信也有一套自己的规则和标准，这套规则 和标准就是a t 命令集。a t 是a t t e n t i o n ( “引起注意”) 的缩写，所有的m o d e m 命令都由这个特定的a t 命令前缀开始，再以一个单字符的命令结束标志( 回车 符) 结尾【4 1 。 在本系统中，当m o d e m 处于命令状态时，主站计算机发送的a t 拨号命令 为：“”a t e o q o s 3 7 = 5 s 8 = 1 4 d t ”& p h o n e n o & v b c r ”。其中： 。 “e o ”表示在命令状态下关闭a t 的回显功能； “q o ”表示m o d e m 要返回结果码( “o k ”等) 给接收端d t e ： “$ 3 7 ”、“s 8 ”均是s 寄存器中的一种，其中“$ 3 7 ”寄存器确定两个 m o d e m 之间建立连接的通信速率；而“s 8 ”描述逗号拨号修饰符的暂停时间， 即当m o d e m 在拨号过程中遇到逗号时应暂停的时间； “d ”表示m o d e m 进入摘机状态准备拨号呼叫，“d t ”则表示进入音 频拨号方式( t 为音频、p 为脉冲方式) ； “p h o n e n o ”某用户电话号码： “v b c r ”回车符。 2 2 。3 主集中器下行信道 电力远程监测管理系统的主、从集中器之间通过c a n 总线相连，因此，主集 中器的下行信道就是c a n 总线，而c a n 总线节点便是从集中器节点。从集中器 节点经系统上电初始化后便具有不同的节点地址，而且该地址可以动态改变。 苎三童皇查墨里些型筻理系统设计电力远程监测管理系统及虚拟仪器在其中的应用 在实际运行过程中，主集中器收到主站的命令或数据后，便将该命令或数据 通过c a n 通信信道传送给c a n 节点从集中器；然后，从集中器再将该命令 或数据下传到其底层的r s 4 8 5 总线，并进行相关操作。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k - - 控制器局域网) 是目前较为流行的一种现场 总线技术，也是种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。c a n 总线 具有以下几个重要特点【5 l ： ( i ) 报文以短帧传送，标识符连同r t r 位共同规定了报文的优先权( 其中 标识符的高7 位不能全为1 ) ，总线按优先权进行非破坏性仲裁。 ( 2 ) c a n 不分主从，以多主方式工作。其任意节点任何时刻都可向总线发 送信息，各节点通过a c r 、a m r 进行报文滤波。 ( 3 ) 只要正确设置c a n 控制器的一些寄存器( 如位定时寄存器b t r 0 、b t r l ， 滤波寄存器a c r 、a m r ，输出寄存器o c r 等) 即可实现点对点、点对多点以及 全局广播等几种通信方式。 ( 4 ) c a n 上某一节点通过发送远程帧可以申请其他节点的数据。由标识符 的低三位d o i i ) 2 可以实现报文的拼接，其通信既方便又灵活。 ( 5 ) c a n 总线的通信波特率最高可达1 m b p s ，通信距离最远可达1 0 k m ，其 节点最多可达1 1 0 个。 本系统用到的c a n 控制器是美国p h i l i p s 公司的s j a l 0 0 0 芯片。可以通过 对s j a l 0 0 0 的位定时寄存器b t r 0 、b t r l 进行设置来实现不同通信波特率的要求， c a n 总线的通信波特率与通信距离有着密切的关系，一般来说，波特率越高，距 离越短，反之亦然。 图2 4c a n 总线的构成框图 l i 在具体通信中我们使用了s j a l 0 0 0 的增强工作模式，这种工作模式优点很多， 如可以进行双滤波方式通信、通信的可靠性很高、不易出错等等，其中双滤波通 信方式是本系统最重要的用法。要实现c a n 总线增强模式的选择，只要设置 s j a l 0 0 0 时钟寄存器的第7 位一c d r 位为“1 ”即可。 图2 4 所示为c a n 总线在该系统中的构成框图，图中，p c a 8 2 c 2 5 0 为总线驱 动器，它提供对总线的差动发送能力和对c a n 控制器的差动接收能力。 2 2 4 从集中器下行信道 当从集中器收到来自c a n 总线上的命令或数据后，便将该命令或数据下传到 其底层的r s 4 8 5 总线，并进行其相关操作。因此r s 4 8 5 总线便是从集中器的下 行信道。 建议性标准r s 4 8 5 作为一种多点、差分数据传输的电气规范已成为业界应用 最为广泛的标准通信接口之一。这种通信接1 2 1 允许在简单的一对双绞线上进行多 点、双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是 其他标准无法比拟的。正因为如此。许多不同领域都采用r s 4 8 5 作为数据传输链 路，例如汽车电子、电信设备、局域网、蜂窝基站、工业控制、仪器仪表等等。 这项标准得到广泛接受的另外个原因是它的通用性，r s 4 8 5 标准只对接口的电 气特性做出规定，而不涉及插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自已的 高层通信协议【7 1 。 e i ar s 4 8 5 是c c i t t 标准化v 1 1 ) ( 2 7 兼容的平衡式电气特性标准。该标准 采用集成电路，在一对平衡的互连电缆上传送差分信号，接收端用差分接收器进 行信号判决。这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能很好，信号发 送频率最高可达1 0 m h z 。在使用双绞线，信号速率小于1 0 0 k b p s 时，传输距离可 达1 2 0 0 k m 。r s 4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根导线便 可双向通信，并可方便地构成一点对多点或多点之间的通信网络，一般使用双绞 线作为网络总线。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异，最多可接 2 5 6 个节点。 r s 4 8 5 接口的主要标准如下： ( 1 ) 传输方式：差分 ( 2 ) 传输介质：双绞线 ( 3 ) 标准节点数：3 2 ( 4 ) 共模电压范围：一7 v + 1 2 v 墨三兰皇查垄里些塑筻里系统设计电力远程监测管理系统及虚拟仪器在其中的应用 ( 5 ) 差分输入范围：一7 v + 1 2 v ( 6 ) 接收器灵敏度：_ _ _ 2 0 0 m y ( 7 ) 接收器输入阻抗：1 2 k f 】 ( 8 ) 网络拓扑结构：总线型 2 2 5 变压器运行参数计算 在本系统中，从集中器硬件传送来的三相电压和四线电流都是平均值，而计 算机只能显示参数的有效值，因此，必须要进行平均值到有效值的转换。 下面以电压为例，介绍这种转换方法。电流有效值的转换与其类似。 设定u 为电压的平均值，u 为瞬时值，u 。为有效值，u 。为电压信号的峰值， t 为电压信号的周期。 对于一个周期信号来说，电压u 的有效值就是其均方根值，即 u = j 知扩d f ( 2 1 ) 另外我们知道，在实践中用到的电压平均值的计算公式为 蜘瓤 而对于一个周期正弦电压信号，由于 u = u 。c o s ( o 瞳) u 。24 2 v 因此，将2 3 式与2 4 式代入2 2 式，可得电压的平均值u 。为 = 知i l i d f = 喜f i 【，。c o s ( 耐) 阻 = 钏t c o s 冲 j o 、 = 等【s i 啦) 重 m 1 3 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 一彬。 玎 2 0 6 3 7 u 。 2 o 8 9 8 u 一( 2 5 ) 它相当于正弦电压经全波整流后的平均值( 如图2 5 所示) ，这是因为取电 压的绝对值相当于把负半周的电压值变为相应的正值。 l 7 ： 一- j ，j j轨 。 v 等t 7 由2 4 式，可知 图2 5 正弦电压的平均值 旦。j 【_ 。1 1( 2 6 ) u 。 0 8 9 8 。一 因此，通常将称为波形因素，用字母k 表示。 “口y 故而，将从集中器测得的电压、电流的平均值转换为有效值进行显示时，只 要给平均值乘以波形因素k 即可。 2 3 系统主站软件的模块化设计 本系统主站采甩的是模块化的设计方法。模块是数据说明、可执行语句等程 序对象的集合，模块化就是把一个完整的程序分成若干个小块，其中每个小块完 成一个子功能，而把这些小块集合起来组成一个整体，就可以实现系统的整体功 能，以满足系统的需要。 、 模块化设计满足了人们能够轻松管理复杂的大型系统的需要，它是软件应具 1 4 j e 兰l 婴墨些塑里墨竺堡生 皇查垄里苎塑! 曼墨竺墨塞苎! 堡璺壅苎主丝生旦 备的唯一属性。如果一个大型程序仅由一个模块组成，那么它将很难被人所理解。 下面根据人类解决问题的一般规律，论证这个结论，从而得出模块化设计思想的 重要性。 假设函数c ( x ) 表示问题x 的复杂程度，函数e ( x ) 表示解决x 需要的工 作量( 时间) 。那么对于两个问题p 1 和p 2 来说，如果p 1 问题比p 2 闯题复杂，即： c ( p 1 ) c ( p 2 ) ( 2 7 ) 那么： e ( p 1 ) e ( p 2 ) 一( 2 8 ) 即在p 1 上花费的时间将大于在p 2 上花费的时间。同时，根据人类解决问题 的经验，可以得到另一个有趣的规律，即： c ( p i + p 2 ) c ( p 1 ) + c ( p ”( 2 9 ) 也就是说，如果一个问题由p 1 和p 2 组合而成，那么该问题的复杂程度大于 分别考虑每个问题时的复杂程度之和。 显然，解决问题所需的工作量： e ( p i + p 2 ) e ( p 1 ) 十e ( p ”( 2 1 0 ) 不等式( 2 1 0 ) 说明，如果把一个复杂问题分解成许多容易解决的小问题， 那么这个复杂问题也就容易解决了。这就是模块化的设计思想。 电力远程监测管理系统是一个复杂的大型系统，利用模块化的思想设计系统 软件，可以使程序容易设计、阅读和理解，软件结构非常清晰，调试容易，可修 改性强。基于模块化的程序设计方法，本系统主站软件流程主要有系统工作流程、 系统点名流程、抄表命令流程、设置命令流程、广播命令流程。 2 3 1 系统工作流程 系统初次上电时，应先进行系统的配置状态检查：主站计算机发送点名命令， 查询从集中器( c a n 节点) 个数、以及采集终端个数，然后，系统即可依据主站 命令，进入正常的监测、管理状态。 系统主站的工作流程如图2 6 所示，其通信信道是2 2 2 节所讨论的主集中器 上行信道公用电话线网络。 主站计算机先通过m o d e m 拨通某用户电话，建立该用户与表站( 变压器台 区) 之间的连接。当连接建立之后，主站即可发送命令，集中器则进行命令的判 断，并转入相应的处理工作。主站命令主要可分为点名命令、抄表命令、设置命 令( 设置时区时段、设置时间参数、设置电表底数等) 、广播冻结命令等。 塑堕查兰堡主兰些望塞 图2 6 系统主站的工作流程 j 垦已j 型垄堡塑塑塑塑! 墨塑茎 皇垄堡堡些塑竺翌墨竺塑型堡曼垄苎! 塑窒星 2 3 2 系统点名流程 系统点名流程如图2 7 所示。点名命令主要用来查询从集中器( c a n 节点) 个数、以及采集终端个数，该命令一般在系统初次上电时才被执行。 图2 7 系统点名流程 电力远程监测管理系统的c a n 节点个数为1 1 1 0 个，因此系统主站必须事 先知道该系统从集中器的个数及其地址，以便主站计算机机统揽全局，统一管理。 1 7 一一 塑堕查兰堡圭兰些丝苎 类似的，采集终端下挂用户电表，它与从集中器之间的通信方式是r s 4 8 5 总线， 所用到的4 8 5 芯片是t i 公司( 美国德州公司) 的s n 6 5 l b c l 8 4 。由于s n 6 5 l b c l 8 4 芯片规定的从机个数为1 6 4 个，因此系统采集终端的个数也为1 6 4 个，而每 个采集终端最多可挂1 6 个用户电表。因此，系统主站必须也事先知道系统采集终 端的个数及其地址，才可完成对具体用户电表的抄收和设置等工作。 在图2 7 中，系统主站发送的点名命令格式为： “0 b b h ”+ c a n a d d + “0 a a h ”+ c m n d + b y t e h 十b y t e l + a d r h + a d r l + c h k x o r + c h k 圣u m 其中： “0 b b h ”主站发送命令的起始码，即命令头。 c a n a d d 一系统中c a n 节点的地址。 “0 a a h ”一一主、从集中器之间，以及从集中器与各表计之间进行通信的 命令起始码。 c m n d 抄表命令号。 b y t e h 、b y t e l 所要抄收的数据字节数。其中b y t e h 为字节高8 位，b y t e l 为低8 位，所抄收的数据总长度= ( b y t e h + 2 5 6 + b y t e l ) 个字节。 a d r h 、a d r l 分别表示抄收对象的表型和表号( 每个对象都有其固定的表型 和表号，这由协议来规定) 。 c h k x o r 、c h k s u m 分别为异或校验、和校验。 2 3 3 抄表命令流程 系统主站抄表命令流程如图2 8 所示。 抄表工作包括主站抄收采集模块( 即台变有功表和无功表) 、采集单元、采集 终端的数据，并将这些数据进行储存、分析、处理、和显示等。 在抄表命令里，其中： ( 1 ) 主站所要抄收的参数有：总电量、上( 本) 月电量、上( 本) 月最大需 量、模式、时间参数、时区时段、瞬时值检测、缺相检测、末端电压异常、停电 记录、实时电压、昨天( 前天) 曲线等。 ( 2 ) 主站发送的“抄表命令”格式与2 3 2 节中系统点名命令格式相同，只 是，c m n d 命令号不同，主、从集中器的工作也不同。 j 坠兰巳生塑墅型墅墅墅墅! 型一 皇垄垄墨些翌笪堡薹竺垦垒垫堡墨壅苎箜查星 图2 , 8 主站抄表命令流程 2 3 4 设置命令流程 图2 9 主站设置命令流程 系统主站的设置命令主要指系统主站对主、从集中器，以及对采集模块、采 集单元、采集终端等对象的参数进行设置的命令。这些参数包括电表底数、时区 时段