（电力电子与电力传动专业论文）基于lonworks技术的电力参数监控智能节点的开发.pdf

江苏大学硕士擘住论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es y s t e m a t i z a t i o n ，n e t w o r k ，a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n t i z eo fe l e c t r i c p o w e rm a n a g e m e n t ，s i n g l ef u n c t i o np o w e r m e a s u r e m e n tm e t e rd i d n ta d a p tt ot h en e e d o fm o d e mp o w e rm a n a g e m e n t t h ee l e c t r i cp o w e rm o n i t o ra p p e a r a n c eo fo u rc o u n t r y w i l lb ei nf u r t h e rr e s e a r c ha n dp e r f e c ti t sf u n c t i o n t h em o n i t o ro ft h ee l e c t r i cp o w e r q u a n t i t y , b o t hi nt h et h e o r ya n di nt h ef u l f i l l m e n th a sm a n yp r o b l e m s ，w h i c ha r e w o r t h yo fr e s e a r c hd e e p l y t h er e s e a r c ho fak i n do fn e we l e c t r i cw e te q u i pw h i c h c o m b i n e st h em e a s u r e m e n t ；c o n t r o l l i n ga n dc o m m u n i c a t i o nc a nm e a s u r ep o w e rq u a l i t y c a na s s u r et h es a f e t y , e c o n o m ya n dc r e d i b i l i t yo ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m w i t hd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p o w e r - a u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g y h a sa l s ob e e n d e v e l o p e dg r e a t l y d u r i n g t h e s e y e a r s ，t h eq u i c kd e v e l o p m e n to ff i e l d b u sa n di t sw i d ea p p l i c a t i o ni nm a n y f i e l d s h a v em a d ei tat r e n dt h a tp o w e r - a u t o m a t i z a t i o nw i l lb ec o m b i n e dw i t hf i e l d - b u s i n t h i st h e s i s ，s o m er e s e a r c hw o r ki st a x i e do u ta b o u tt h ep o w e r - p a r a m e t e rd e t e c t i n ga n d c o n t r o l l i n g b a s e do nl o nf i e l d b u s ，a n da n a p p l i c a b l ei n t e l l i g e n t n o d eo f p o w e r - p a r a m e t e rd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v e l o p e d i sd i s c u s s e d t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do fa c q u i s i t i o nu n i t ，c o n c e n t r a t o ra n dm a i n f r a m e a cm e a s u r e ds i g n a li st u r n e di n t od cs t a n d a r ds i g n a lb yt r a n s d u c e r a c q u i s i t i o nu n i t s a m p l e sa cs i g n a la n dc a nt h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t et oo b t a i ns o m ee l e c t r i cp a r a m e t e r s e t h r o u g h r s - 4 8 5 i n t e r f a c e ，a c q u i s i t i o n u n i ta n dc o n c e n t r a t o rc a nr e a l i z ed a t a c o m m u n i c a t i o n s oc o n c e n t r a t o rc a ns a m p l ed a t af r o ma c q u i s i t i o nu n i ta n dt r a n s m i t c o m m a n d t o a c q u i s i t i o nu n i t a f t e rc o n c e n t r a t i n gd a t af r o ma c q u i s i t i o nu n i t ， m a n a g e m e n ta n ds t o r i n g ，c o n c e n t r a t o rc a nt r a n s m i tm e s s a g e st om a i n f r a m et h r o u g h l o n b u s s om a i n f r a m ec a nf u l f i l lt h ea n a l y s i sa n dm a n a g e m e n t t h et e c h n o l o g yt h a ttt h ep o w e r - p a r a m e t e rd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gb a s e do n l o nf i e l d b u si san e w t e c h n o l o g yo fi n t e g r a t i o nt h a t t h ed a t ac o l l e c t i o n ，t h el o n g i i 江苏大学硕士学位论文 r a n g ed e l i v e r ya n dt h ei n t e l l e c t u a l i z e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g i t sc o r ei sa u t o m a t i c ， l o n gr a n g em e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g y a n di tc o m b i n e st h ee l e c t r i cm e a s u r e t e c h n o l o g y , f i e l db u st e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，e l e c t r i c a l m a n a g e m e n t t e c h n o l o g y s oi th a sg o o da d v a n t a g e so fq u i c ks p e e d ，h i g ha c c u r a c ya n dr e a l t i m e m e a s u r e a n di tc a l lo v e r c a m et h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lm e t e rr e a d i n ga n d b r i n gn e wh o p ef o rt h em o d e r n i z a t i o no fe l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n t c u r r e n t l y ，t h e u n i t e ds t a t e s a n ds o m ed e v e l o p e dn a t i o n si ne u r o p eh a v ea l r e a d y b e e na p p l i e d a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g ya n de l e c t r i c p o w e rp a r a m e t e r sl o n gr a n g e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yt op o w e rm a n a g e m e n t t h i st e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y r e s e a r c h e da n da p p l i e dl a t e r ，b u td e v e l o p e dq u i c k l y k e y w o r d s ：p o w e rp a r a m e t e r l o n w o r k s a c q u i s i t i o nu n i tf r e q u e n c y m u l t i p l i c a t i o np h a s e l o c k e d c o n c e n t r a t o rn e t w o r kv a r i a b l e i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 学位论文作者签名： 签字日期：户歹胪日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签锣c 小知授iv 签字日期：卜呵年l 月“日 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：墨鼻劈 嗍1 棚伽 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 电能作为现代社会中使用最为广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展 水平的重要标志之一。近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统的规模 日益扩大，电能紧缺的问题己逐步解决，但与此同时，有关电能质量的监测问题 却日益紧迫的摆在了我们面前。电子电力技术和电弧炉的广泛使用，在带来技术 经济一系列效益的同时，也使电网谐波含量大为增加。电网谐波污染的日益严重， 导致了电气设备寿命缩短，网损加大，增加了电网发生谐波谐振的可能性，使继 电保护和自动装置不能正常动作或操作，导致仪表指示和电度计量不准以及计算 机和通信受干扰等一系列重要问题。有关电能质量问题的研究己引起了各国电力 工作者的高度重视。我国对电能质量的研究正处于起步阶段，但也取得了一定的 进展。 电力系统自动化主要的功能要求，是对电力系统运行状况进行监视、保护与 负荷优化分配控制。对电力参数的实时检测为实现安全、可靠、优质、经济运行 的目的提供依据，是电力系统自动化中最基本的要求，也是电力系统高度自动化 的一个重要方面。随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化， 功能单一的电力系统测量仪表已经不适应现代化电能管理的需要【2 1 。电能质量的监 测，不论在理论上还是在实践中，都有许多值得深入研究的问题。研制一种新型 的电能质量监测装置，集测量、控制和通信等功能于一体，有效地进行电能质量 监测，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性具有重要意义【3 1 。 。电力参数监控系统是一种计算机智能化的产品，广泛应用于电网调度自动化 监控系统，承担各种远动信息的“上传下达力工作，是电力系统实现远动数据采 集与监控的重要设备。它不仅能满足电力网上各个变电站实现分散式安装的要求， 也适合旧变电站自动化改造。此外，在一般的工厂或者智能小区建筑都配有配电 房，电力参数监控系统可以满足对其用电状况进行实时监测、控制的要求。该装 l 江苏大学项士学位论文 置通过对输变电线路及设备的交流电压电流的实时数据采集，自行计算出功率、 电度、功率因数、频率等参数。同时也具备遥信、遥测、遥调功能和数据传输功 能，完成现场数据采集测量和监控功能【4 】。 。 ，： 电力参数监控系统所采用的技术核心是数据采集，它集计算机技术、通信技 术、用电及计量技术于一体，具有速度快、精度高、同时性好的突出优点：同时， 可以缓解抄表人员的劳动强度、降地人为因素造成得抄表误差、快速统计等等。 因此可以说，电力参数监控系统是提高电力系统管理自动化水平的一项重要技术 手段。 1 2 国内外电力参数监控系统的现况和发展 采用实测电网中各项电能质量指标，建立电能质量监测网络，采取有效手段 改善供电质量已成为保证电网安全、可靠经济运行、高质量供电必不可少的措施 之一。世界各国都相应研制和开发了一系列的电能质量分析装置和仪器。典型的 有日本日置公司( h i o k i ) 开发的319 x 系列电能质量分析仪、谐波测试分析仪，美 国福禄克公司生产的f l u k e 4 3 型手持式供电质量分析仪，瑞典联合电力公司 ( u n i p o w e r ) 开发的u 9 0 0 f 便携式电能质量分析仪等，这些仪器多是采用硬件 d s p 技术对电信号进行分析处理。此外，国际测控技术正向网络化发展，出现了 “网络就是仪器”的概念，利用网络实现电能质量的远程监测和网络化管理i5 1 。瑞 典联合电力公司最新开发的p q s e c u r e 在线式电能质量监测分析系统和瑞士莱姆 ( l e m ) 公司开发的p q f i x 电能质量监测装置都可以非常灵活地利用现有通讯接1 ：3 ( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，m o d e m ，局域网等) 实现电能质量网络化监测。 在我国对电能质量监测装置研制的起步阶段，国内生产厂家的前沿测控装置 大多是采用单片机来实现的，其主要优点是构成简单，实现方便，价格低廉。随 着上个世纪九十年代以来数字信号处理芯片技术的快速发展，数字处理芯片以其 强大的数字运算能力被越来越多地用于电力信号地检测。我国出现了应用数字处 理芯片的热潮，数字处理芯片也被用到了电能质量监测的领域。由于数字处理芯 2 江苏大学硕士学位论文 片的控制功能不如单片机，大多数监测仪器都采用单片机和数字处理芯片相结合 的双c p u 结构7 1 。如图1 1 检测仪硬件结构主要由主c p u ( 微控制器m c u ) 、从 c p u ( 数字信号处理d s p ) 、模数转换电路、数据存储、通讯电路和控制输出电路组 成。m c u 是检测仪的核心，完成系统配置和管理、人机交互、数据通信及d s p 的控制。d s p 芯片接收数据采集系统送来的数字信号，对它们进行分析和计算， 以实现各种算法，完成功率因数、频率、谐波及各项电能指标的计算和分析，并 将结果送回主c p u 。m c u 和d s p 之间通过双口r a m 实现数据交换和协同工作。 图1 - 1 基于双c p u 的电能检测仪硬件结构 当前能够实现电力参数自动监控功能的设备是电力系统中的远动装置( r t u ， r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 。电力远动监控是8 0 年代末首先由美国而后是其它工业发 达国家逐步发展起来的技术。目前国内外在远动装置( r t u ) 方面的研究应用基本上 处于同一个水平，大多数采用r s 4 2 2 r s 4 8 5 总线通信连接方式。其发展经历了 三个过程。 1 传统的一般r t u 模块 对于这种模式，各电气参数通过各自的变送器转换为统一标准的电信号，送 进r t u 以实现y c ( 遥测) ，开关节点则直接进入r t u 的开关量通道以完成y x ( 遥 信) ，r t u 送出的开关接点信号接入电站控制回路并完成y k ( 遥控) 。如图1 2 所示。 这种模式是集中控制方式，测量不同的电器参数则需要安装对应的变送器， 江苏大学硕士学位论文 且所有信号电缆( y c ，y x ，y k ) 均需引至l 玎u 屏引。现场改造及铺电缆工作量相当 大。 圈 r t u 图1 - 2 传统的一般r t u 模块 2 基于r s 4 2 2 4 8 5 总线方式的r t u 系统 随着微机技术的发展及算法的改进，目前许多r t u 摒弃了各电气量专用变送 器，采用了交流采样技术，即采用c t ( 电流互感器) 、p t ( 电压互感器) 将i ，u 按统 一标准变换，r t u 直接对它们输出的瞬时值进行采集，并计算出线路相应的电气 参数，从而省去了变送器。 目前大多数系统中，模块之间的数据通信总线多采用r s 4 2 2 r s 4 8 5 。这种模 式是采用面向对象的分布式设计，使电力系统自动化的设计简化，功能增强、结 构紧凑、施工维护方便。总线结构方式如图1 3 所示。 电压电流 电压电流 图1 - 3 基于r s 一4 2 2 4 8 5 总线方式的r t u 系统 4 江苏大学硕士学住论文 3 基于现场总线的r t u 系统 随着现场总线技术的发展和广泛应用，r t u 模块与现场总线技术的结合成为 必然的趋势【9 1 。由现场总线梅成的面向对象的分布式体系的r t u 系统如图1 4 所 不 电压电流 电压 电流 图卜4 基于现场总线的r t u 系统 这种系统r t u 模块之间由计算机网络连接。它们之间的数据交换由网络的厂 商提供的网络通信协议完成。不同的r t u 模块只要符合该网络的要求就能够上网， 也就意味着不存在通信连接开发的问题了。与传统的自动化模块相比，基于现场 总线的电力自动化模块，除了具备面向对象的i o 模块的一般功能外，最重要的 特点就在于每一个模块以现场总线的角度而言，它均作为网络的一个“节点”f 1 0 】。 1 3 现场总线的历史背景和发展现状 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字 化、智能、双向的通讯系统。现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的 现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成i 】。 现场总线不仅是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键 是用新一代的现场总线控制系统f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 代替传统的集散 控制系统d c s ，实现现场通信网络与控制系统的集成1 2 j 。与传统的d c s 相比，f c s 气 江苏大学硕士学位论文 具有如下技术特点：系统的全开放性、现场设备的智能化与功能自治性、系统机 构的高度分散性、对现场环境的适应性。它具有传统设备所无法比拟的优势：节 省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护开销，用户具有高度的系统集成主 动权，提高了系统的准确性与可靠性。此外由于设备标准化，功能模块化，因此 还具有设计简单，易于重构等优点。 现场总线的节点是现场设备和现场仪表，如传感器、变送器、执行器和编程 器等。这些设备和以往的设备不一样，不再是传统的单功能的现成仪表，而是具 有综合能力的智能仪表。例如，温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能， 而且具有p i d 控制和运算功能；调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还具有输 出特性补偿，自校验和自诊断功能。现场设各具有互换性，采用总线供电，具有 本质安全性。 到目前为止，世界上约有4 0 多种现场总线。2 0 世纪8 0 年代初，德国b o s c h 公司推出控制局域网络c a n 总线协议。1 9 8 4 年，美国i n t e l 公司提出b i t b u s 标准。 1 9 8 5 年，美国r o s m e n t 公司推出h a r t 协议，在4 - 2 0 m a 模拟信号的基础上叠加 数字信号。随后，德国的s i e m e n s 、a e g 、a b b 等公司推出了p r o f i b u s 标准。1 9 9 0 年，美国e c h e l o n 公司推出并由m o t o r o l a 公司和t o s h i b a 公司共同倡导的 l o n w o r k s 总线技术。l9 9 2 年，美国的f i s h e r r o s e m o u n t 、f o x b o r o 公司、德国的 s i e m e n s 、h & b 公司、日本的横河、n e c 等公司成立了i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e m p r o t o c 0 1 ) 协议集团，以德国p r o f i b u s 标准为基础提出了i s p 协议，先后有9 0 多家 公司加盟。1 9 9 3 年，美国的h o n e yw e l l 、s q u a r e 、a l l e n b r a d l y 、h p 、日本的山武、 日立、富士电机等公司成立了w o r l d f i p ( f a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 组织， 共有1 5 0 多家成员，以法国的f i p 标准为基础提出了w o r l df i p 总线标准。 在众多的现场总线产品中，下列产品是比较有影响的1 1 3 l 【1 4 】： 1 c a n 总线c a n 总线由德国b o s c h 公司于1 9 9 3 年推出，用于汽车内部测量与执 行部件之间的数据通信，是一种点对点( p e e rt op e e r ! ts i ) 现场总线网络，其总线 规范已被i s o 认定为国际标准产品。它不仅用于工业生产线、机器人等工业控制， 6 江苏大学硕士学住论文 而且还用于医疗器械、铁路、航海、航空建筑自动化等领域。由于其性能优异， 价格低廉，因此很快被推广到工业测控现场，被h o n e yw e l l 等自动化厂家广泛应 用。特别是在离散制造加工领域，c a n 总线具有较强的竞争力。 2 p r o f i b u s 总线p r o f i b u s 总线是由德国等1 3 家工业企业和5 家科研机构在 联合开发项目中制定的标准化规范，是德国标准和欧洲标准。它提供一个从传感 器执行器直至管理层的透明网络，供应完整的产品系列，从底层测控网络、工厂 管理网络直至i n t e r n e t 系统集成方案，被称为风靡全球的现场总线。p r o f i b u s 在 欧洲享有不容置疑的特殊优势，仅从制造业自动化方面看，约占4 0 的市场份额， 居欧洲之冠。在德国市场份额达4 4 ，在英国为4 3 【1 6 1 。 3 f f 总线 以f is h e r - r o s e m o u n t 公司和h e n e yw e l l 公司为首的两大集团于 1 9 9 4 年9 月联合成立了现场总线基金会，专门致力于开发国际上统一的现场总线协 议。基金会现场总线的主要技术内容包括f f 通信协议、用于完成开放互联模型中 第2 - 7 层通信协议的通信栈( c o m m u n i c a t i o ns t a c k ) ：用于描述设备特征、参数、 属性及操作接口的d d l 设备描述语言；设备描述字典；用于实现测量、控制、工程 量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术 以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。目前，它几乎集中了世界 上所有的主要自动化制造商，已成为北美和亚太地区实际上的国际标准。 4 h a r t 总线h a r t 最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的 支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通信 的开放通信协议，其特点是在模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系 统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而，在当前的过渡时期具有较强得市 场竞争力，得到了较快的发展。 5 l o n 总线l o n w o r k s 是美国e c h e l o n ( 埃施朗) 公司2 0 世纪9 0 年代推出的 局部测控操作网络，最初主要用于楼宇自动化，但很快就发展到工业现场网络。 l o n w o r k s 技术采用符合i s o o s i 模型全部七层标准的l o n t a l k 通信协议，传输速 率可达1 2 5 m b p s ( 1 3 0 m ) ，传输距离最长可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，一个 7 江苏大学硕士学位论文 网上的节点数可达3 2 0 0 0 个。l o n w o r k s 技术以其突出的统一性、开放性及互操作 性正在受到各行各业的重视【 。 l o n w o r k s 具有以下特点： 1 开放性和互操作性网络协议是开放的，而且对任何用户都是对等的。其协 议已被一些国际标准组织确认为一些标准，如e i a7 0 9 和i e e e l 4 7 3 嗡】。网络协议完 整到任何制造商的产品都可以实现互操作。 2 通信介质可采用包括双绞线、电力线、无线、红外线、光缆等在内的多种 介质进行通信，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。 3 网络结构能够使用所有现有的网络结构，如主从式、对等式以及客户服务 式( c lie n t s e r v e r ) 。 4 网络拓扑可以自由组合，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式。 尤其是自由拓扑形式使得网络构建更为方便灵活。 5 网络通信采用面向对象的设计方法。l o n w o r k s 网络技术称之为“网络变 量，它使网络通信的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性。 l o n w o r k s 技术诞生至今已有近1 0 年的历史，随着科学技术的飞速发展，它本 身也在不断地更新改进，如新一代n e u r o nc h i p 的时钟频率已从i o m h z 升至2 0 m h z ， 而且e c h e l o n 公司已经宣布，开发商可以把l o n t a l k 协议固化到任何一种微处理器 中去，这就为l o n w o r k s 技术打开了新的发展空间。为了和迅猛发展的互联网 i n t e r n e t 及其它网络系统交换信息，现已有生产厂商开发出多种网络接口卡，使 用j a v a 语言编程、可进行远程查询和控制，这就使l o n w o r k s 技术又插上了远航的 翅膀8 1 。因此可以说，电力自动化产品引i x l o n 网络技术是一个非常正确的选择。 1 4 课题的意义 在大型企业以及工厂中，电能质量是一个大家都关心的问题。电网的电压过 低，设备将不能充分发挥其功效，并可能损坏。反之，如果过高，将会大大缩短 设备的使用寿命；频率的波动，不仅使过多的电能转换为热能而白白浪费掉，而 且更严重的是有可能损坏设备；如果电网的功率因数过低，则发电厂的出力不能 8 江苏大学硕士学住论文 得到充分的利用，电网调度监视电网功率因数，可以适时控制无功补偿，以保证 发电能力的充分利用。所以，如果能够实时检测电力参数，在需要时作出相应的 措施，则将使电力系统与设备运行良好。 在变电站中，可以通过实时监测线路中的电力参数，正确操作、维护，保证 供电区间的供电安全与正常运行。在工厂企业中，为了避免工厂( 或车间) 变电站的 误操作，也必须知道实时电力参数。此外，在智能小区中，为了保证小区的安全 及合理用电，也需要实时检测电压、电流以及电度等电力参数。 电能质量问题随着现代信息技术，计算机技术和电子技术的发展，越来越引 起用户和供电部门的重视，先进的网络技术应用大大提高了检测水平。建设电力 参数检测系统可以避免在电能质量工作中遇到的实时性不强、监测指标少、缺乏 决策判断的依据、工作量大、效率低等问题。建立实用、先进、可靠的电能质量 检测网络，为及时分析和反映电网的电能质量水平，找出电网中影响电能质量的 原因，采取相应的措施，对电网的安全、稳定、经济运行具有重要意义。 当前国内的电能质量分析仪主要分成三类，分别是手持式电能质量分析仪、 便携式多功能电能质量分析仪、电能质量远程监测仪i 均1 。手持式电能质量分析仪 主要测量谐波，功能单一，多数不具备综合测量、分析、判断功能。便携式多功 能电能质量分析仪，可分析多个电能质量指标，但多用于专项测量，监测不连续， 多为定时测量，对数据的自动统计分析和历史数据的对比功能不强，人机交互性 不好。电能质量远程监测仪多应用于对公共连接点电能质量的连续测量，统计和 对比功能有限，给出的测量结果不直观，缺乏超标报警、自动诊断等综合控制功 能。但在功能上、实用化方面均未达到理想效果。还存在以下一些问题： 1 处理功能较差，可扩展存储空间较小，运算速度较慢，难以运用精确严格 的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力监测高实时性的要求。 2 有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且 不完全适合我国市场。 3 有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展 9 江苏大学硕士学位论文 方向。 4 人机交互性不好。 因此，开发一种实时处理功能强、系统升级简单、保存历史数据量大、与p c 机通讯功能好、能实施远程监控、人机交互性好、特别是能实现谐波抗混叠检测 的电能质量参数检测系统势在必行。本课题根据以上的不足，在广泛调研的基础 上，提出了电力参数监控节点的设计方案，其功能满足电能质量监控的要求，提 高了电网的运行安全性。 1 5 课题的研究内容 根据现有的技术条件，本课题组制定了切实可行的方案，主要完成对直接现 场模拟信号的采样、计算和数据通讯。整个电力参数监控节点由主机和集中器及 采集器组成，采集器( 也可称为智能传感器) 与集中器之间采用r s 4 8 5 通信，集中 器和主机之间采用l o n w o r k 总线进行通信。互感器从现场采集数据，送入采样及 w d 转换电路，计算出各电参量后送液晶进行显示。如果有控制要求，则把计算 后的各种模拟控制量转换成数字量或者百分比传给执行机构。同时，在其它节点 有数据请求的情况下，可以将数据通过l o n w o r k 总线送向其它节点。本文以电力 参数监控系统领域现阶段的技术为参考，提出并开发了一种基于l o n w o r k 技术的 电力参数监控节点。 本课题的研究已被列入中国高等教育学会教育科学。十一五规划研 究课题( 课题批准号：0 6 aip 0 0 9 0 0 4 6 ) 、江苏省教育科学“十一五” 规划20 06 年度课题( 高校系统立项序号：179 ) 山东省教育科 学“十一五 规划20 06 年度课题( 立项编号：115 gg 41 ) 。课题的 完成方式为前期准备在淮安信息职业技术学院实验室进行了大量的资料查询、调 研学习，在实验室内利用创新实验搭建的硬件平台进行初期试验，后期到广州威 世达控制网络有限公司、威世达通信控制技术( 北京) 有限公司合作，到公司进行 实际的产品开发与工程应用，顺利地完成了项目。 1 0 江苏大学硕士学位论文 本文完成的主要工作如下： 1 了解电力系统中电力参数监控的重要意义以及现场总线在电力自动化系统 中的应用； 2 了解衡量电能质量参数的计算方法以及目前现有的电力参数的数据采集和 数据处理方法； 3 研究开发了一种新型的电力参数监控装置，它基于l o n 网，以n e u r o n 芯 片为核心，能实现电力参数实时检测及通过l o n 总线的传送。具体有： ( 1 ) 设计电力参数数据采集和处理系统，它是以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，对 电力系统模拟信号的数据采集，并计算出电压、电流、功率、电能、功率因数、 谐波等参数； ( 2 ) 完成电力参数监控节点的硬件及软件设计； ( 3 ) 完成电力参数监控节点数据通信的硬件和软件的设计： ( 4 ) 利用l o n m a k e r 等工具软件对系统进行配置，以及将系统与l o n 网连接， 实现将电力参数送往l o n 总线，并上传到上位机。 论文内容安排如下： 第一章阐述了电力系统中电力参数监控的意义；电力参数监控系统的现状和 发展以及现场总线的历史背景和发展；课题的意义和内容。 第二章详细介绍了l o n w o r k s 的核心技术一一神经芯元片、l o n t a l k 协议、 n e u r o nc 语言。 第三章介绍了电力参数监控节点硬件设计。 第四章介绍了电力参数监控节点软件设计。 第五章介绍了基于l o n w o r k s 技术的电力参数监控网络的构建。 第六章对论文的总结。 江苏大学硕士学位论文 第2 章l o n w o r k s 技术及其应用 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司于9 0 年代推出的一种现场总线技术，它 是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线技术的一切特 点【2 0 】【2 。l o n w o r k s 网络系统由智能节点组成，每个智能节点可具有多种形式的 i o 功能，节点之间可通过不同的传输媒介进行通信，并遵守i s o o s i 的七层模型 协议，l o n w o r k s 技术包括监控网络的设计、开发、安装和调试等一整套方法，要 使用多种专用的硬件设备和软件程序。 图2 - 1 为一典型的智能节点组成框图。智能设备或智能节点与它们所处的环境 进行交互作用，以及通过不同的通信介质与其他节点进行通信。这种通信采用一 种通用的、基于消息的控制协议【2 引。l o n w o r k s 技术包含所有设计、配置和维护网 络所需要的技术，特别是以下这些部分： ( 1 ) n e u r o n 神经元芯片； ( 2 ) l o n t a l k 协议； ( 3 ) l o n w o r k s 收发器： ( 4 ) l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 开发工具： 图2 1神经元节点的结构图 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 1 神经芯元片 神经元芯片是l o n w o r k s 技术的核心器件。它是由美国e c h e l o n 公司研制的一 种集通信、控制、调度和i o 支持为一体的高级v l s i 器件。通过对硬件和固件 ( f i r m w a r e ) 的有机集合，芯片可以提供l o n 网络节点需要的所有关键功能。即 处理所有l o n t a l k 通信协议消息，传感信号输入和控制信号输出，存储和安装指 定的参数及程序，实现各种应用功能等2 引。 2 - 1 1 神经元芯片的结构和存储器配置 神经元芯片包含3 1 5 0 和3 1 2 0 两大系列，3 1 5 0 芯片支持外部存储器，可进行 软件的扩展，适用于大型复杂系统；3 1 2 0 本身为一完整的最小系统，它支持小型 应用程序，适用于简单的低成本系统。两种神经元芯片的结构框图和主要硬件资 源配置如图2 2 和表2 1 所示【2 5 】【2 6 1 。 v 蕾v 曲 图2 - 2 神经元芯片的结构框图 表2 - 1 神经元芯片硬件配置比较表 特征m c l 4 31 5 0m c l 4 31 2 0m c 31 2 0 e 2t m p n 31 2 0 e 2 处理器 333 3 r a m ，b 2 0 4 81 0 2 42 0 4 81 0 2 4 r o m b 无 1 0 2 4 01 0 2 4 01 0 2 4 0 江苏大学硕士学位论文 e e p r o m b5 1 25 1 22 0 4 81 0 2 4 1 6 位定时器计数器 2222 外部存储器接口有无无无 封装 p q f p s o gs o gs o g 管脚 6 43 23 23 2 在两种芯片的静态r a m 中( 2 k 和l k ) ，设有数据堆栈，存储有应用程序和系 统数据，并开辟有l o n t a l k 协议中的网络缓冲区和应用缓冲区。对于3 1 5 0 芯片， 内存和外存总共有6 5 5 3 6 字节地址空间，可为r o m ，e p r o m ，e e p r o m 或r a m ，处理 器通过外部存储器可访问其中的5 9 3 9 2 b ，另外的6 1 4 4 b 为内部映射。需要1 6 3 8 4 b 的外部存储器来存储l o n t a l k 协议的内容，包括介质访问控制和网络处理器执行 系统软件以及i 0 驱动和事件驱动工作软件，它们是由生产厂在芯片中固化好的。 而余下的外部存储器可用于存储用户写入的应用程序代码、存储附加的应用程序 读写数据、附加的网络缓冲区和应用程序缓冲区。对于3 1 2 0 芯片，在1 0 2 4 b 的神 经元芯片固件区内也同样存有l o n t a l k 协议的内容。而用户程序只能使用0 5 k b 的e e p r o m ( m c l 4 3 1 2 0 e 2 为2 0 4 8 b ；t m p n 3 1 2 0 e 2 为1 0 2 4 b ) 。 2 1 2 神经元芯片的处理器 神经元芯片内部含有3 个8 位流水线作业的微处理器( c p u ) 。神经元芯片内 3 个处理器功能如图2 - 3 所示。其中，处理器l # 为介质访问控制处理器( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) ，它控制l o n t a l k 七层协议中的第一层物理层和第2 层数据链 路层，并可以驱动通信子系统的硬件来完成冲突避免算法。处理器l # 通过共享存 储器中的网络缓冲区与处理器2 # 通信。处理器2 # 为网络处理器( n e t w o r k s ) ，它 控制l o n t a l k 七层协议中的第3 层到第6 层( 网络层、运输层、会话层和表示层) ， 可完成网络变量进程、编址、处理事项进程、报文鉴定、软件定时器、网络管理 和路由寻址等功能。处理器2 # 通过共享存储器中的网络缓冲区与处理器1 # 通信， 使用应用缓冲区与处理器3 # 通信。处理器3 # 为应用处理器( a p p l i c a t i o n ) ，它 1 4 江苏大孝硕士学位论文 实现网络协议中的第7 层应用层，执行用户代码和用户代码调用的操作系统来进 行工作，大部分应用程序的编程语言为n e u r o nc 。处理器3 # 通过共享存储器中的 应用缓冲区与处理器2 # 通信。除应用层需要用户编写外，其余6 层都由固件来完 成。用户可以不必关心网络底层的事情，这些都由处理器1 并和2 # 自动完成。 ! i ! 共享r a mi i ； 图2 3 神经元芯片处理器功能 2 1 3 神经元芯片的i 0 和通信功能 3 1 2 0 和3 1 5 0 芯片都有1 1 只i o 引脚( 1 0 0 1 0 1 0 ) ，这些引脚可通过编程设定为各 种不同的功能，用户可根据需要灵活地配置，使用起来十分方便。1 1 只引脚可以 组成3 4 种不同的i 0 功能，它可分为输入、输出和双向三大类别。在1 0 0 1 0 1 0 的1 1 只引脚中，1 0 0 - - 1 0 3 具有高电流吸收能力( 2 0 m a ，0 8 v ) ，1 0 4 1 0 7 具有片内可选 择上拉电阻，所有引脚信号均为带滞后的t t l 电平，其中1 0 0 1 0 7 还带有低电平检 测锁存器。神经元芯片带有两个片内定时计数器。图2 - 4 为神经元芯片的定时计 数器外部连接图。定时计数器1 为多路选择定时计数器( m u l t i p l e x e d t i m e r c o u n t e r ) ，它的输入可通过一个多路选择开关，从1 0 4 1 0 7 中选择一个通 道，输出为1 0 f f 。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 4 神经元芯片定时计数器外部连接图 定时计数器2 为专用定时计数器( d e d i c a r e dt i m e r c o u n t e r ) ，它的输入 是1 0 4 ，输出是1 0 1 。每个定时计数器包括：可以被c p u 写入的1 6 位装入寄存器； 1 6 位计数器