基于网络化的远程监控系统毕业论文.doc

基于网络化的远程监控系统毕业论文 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2电能质量21.2.1三相不平衡21.2.2波形失真31.2.3电压波动与闪变31.2.4暂时过电压和瞬态过电压31.3电网监控的研究现状和发展趋势41.4课题研究的内容51.5 本章小结6第2章 系统的总体设计72.1系统的总体设计72.2系统关键技术研究92.2.1具有ARM内核的微处理器53C2410102.2.2采集模块102.2.3网络通信模块112.2.4显示模块112.2.5FLASH存储器模块122.3电网电量测量的基本原理122.3.1快速傅里叶变换FFT的基本原理122.3.2基于FFT的谐波测量原理和电网电参量的计算142.3.3锁相环频率跟踪法152.3.4软件测频方法162.4电网监测仪软件设计182.4.1嵌入式Linux概述182.4.2Bootloader192.4.3Linux内核移植和编辑192.4.4根文件系统202.5 本章小结21第3章 远程监控软件的设计.223.1 电网参数实时数据算法233.1.1电网允许偏差233.1.2三相不平衡度233.2网络理论基础243.2.1 C/S结构和B/S结构243.2.2 HTTP协议263.2.3 TCP/IP协议273.2.4 套接字293.3监控中心的设计293.3.1 数据库的设计293.3.2 监控软件的设计333.4 Web服务器的设计343.4.1 用户登录模块343.4.2 实时信息显示模块353.5 Web服务器与浏览器的交互363.6 本章小结37结论35参考文献37致谢38附录39I第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景科学技术和国民经济的发展，使得电能的需求日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。电力系统的规模越来越大，电能用户逐渐增加，特别是非线性负载的应用，使电能的质量问题日趋严重1,2。由于电能质量问题会给电力系统和用电设备带来严重的危害和影响，因此必须对电网的电能质量进行有效的监测。电网的电能质量监测是评估电能质量水平和发现电能质量问题的主要手段，也是改善电能质量的前提1。如果能对电能质量做出精确的监测和分析，就可以对电网的电能质量水平和造成各种电能质量问题的原因做出分析和判断，为电能质量的改善提供依据。同时，电能也是一种商品，有了对电能质量做出精确监测的手段，就可以对电能合理定价，规范电能的消费市场。 随着电力电子技术的发展，近年来许多大型电力用户使用大功率的非线性负荷日益增多，使大量谐波电流注入电网，引起电力系统电压和电流产生严重畸变，导致电能质量下降。这对供电系统和用户均产生不良影响和危害。对此，各国对谐波和三相电网不对称问题都十分重视和关注，多次召开国际电力系统谐波会议，美、英、法等发达国家先后制定了电力系统谐波和用电设备的国家标准，我国也制定和颁发了电力系统谐波管理暂行规定。此外，由于谐波的影响，目前在实际电能计量及收、付费中也产生了一些不合理的现象：如果电源是正弦波，用户为非线性负荷，后者要产生谐波功率及电能，并将其一部分倒流入电源及其他用户，然而电能表记录的是基波电能减去由非线性负荷产生的部分谐波电能。这表明虽然该用户负荷已经成为电网污染源，但是还少交电费，这对供电部门是不利的；如果用户负荷为线性，供电电源为非正弦的畸变波，此时电能表纪录的却是基波电能并加上了部分谐波电能。电源中的谐波电能对用电设备有危害，还要用户多交电费，这显然是不合理的3。 谐波是电能质量的一个重要指标，电力网络中存在的谐波成分超过一定程度就会引起严重的危害，为了保证电网的安全运行和分析电网运行的状况，需要对电网的各种运行参数如三相电压、电流、有功功率、功率因数以及各类谐波成分的参量等进行实时监测2。 电网供电质量关系到用电设备的正常工作。由于电力电子器件整流器的非线性、时变负载会使供电系统出现大量的谐波电流。电波谐波经电网会造成电压波形畸变，使电源及与之并联的负载受到不良影响，对电网、通讯线路及信号线路产生干扰，严熏时使这些设备无法正常工作。因此，对电网供电质量进行监控，避免电网不良供电对生产设备的影响，将对提高企业的经济效益有重要意义。电网监测具有巨大的市场前景，所以电网监测系统的研究和开发受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视。电网远程监控是电网调度自动化的一个重要组成，是计算机技术、网络技术和监控技术的结合，实现了对电网的主动监视、测量、自动控制和保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。对电网进行远程监控，监控者根据设备当时的实际情况，使用第一手数据进行分析控制，具有强大的生命力和广阔的应用前景.1.2电能质量电能质量有多项评价指标，主要有：频率偏移、长时间电压偏移、电磁暂态、三相不平衡、波形失真及电压波动和闪动等，下面主要阐述一下与电网监测有关的指标，其它指标的问题基本由电厂解决，这里就不做阐述8。1.2.1三相不平衡三相电压不平衡度是指三相系统中三相电压不平衡程度，用电压或电流负序分量与正序分量的均方根百分比表示。三相电压不平衡(即存在负序分量)会引起继电保护误动、电机附加振动力矩和发热。工作于额定转矩的电动机，如长期在负序电压含量4%的状态下运行，由于发热，电动机绝缘寿命将会减半；若某相电压高于额定电压，其运行寿命将减短的更加严重。GB/T 15543-1995电能质量 三项电压允许不平衡度规定电力系统公共连接点正常对电压不平衡度允许值为2%，短时不平衡度不得尝过4%，其中短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证继电保护和自动装置正确动作。对接入公共连接点的每个用户，规定其引起该店正常电压不平衡度允许值一般为1.3%。1.2.2波形失真波形失真定义为理想工频正弦波的稳态偏移，常用其频谱含量来描述，波形失真主要包括五个方面的内容：直流偏移，谐波，间谐波，陷波和噪声。1.2.3电压波动与闪变电压波动是指电压幅值在一定范围内有规则变动时，电压变动或工频电压包络线内的周期性变化；或电压幅值不超过0.91.1(p.u.)的一系列随机变化。电压波动值为电压方均根最大值与最小值之差相对额定电压的百分比。电压波动引起照明灯的照度波动。闪变用于说明对不同频率电压波动引起灯闪的敏感程度及引起闪变刺激性程度的电压波动值，其定义是：人眼对照明波动的一种主观感觉。对用户负荷引起的闪变限值，是根据用户负荷的大小、协议用电容量占供电容量的比例及系统电压等级规定的。按冲击负荷产生的电压波动允许值的百分数不同，电力系统公共供电点可分为3级，并作不同的规定和限制。1)10kV及以下为2.5；2)35110kV为2.0；3)220kV及以上为1.6；GB12326-2000电能质量 电压允许波动和闪变特别规定了各级电压下闪变限制值，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能造成人对灯闪明显感觉的场合。1.2.4暂时过电压和瞬态过电压暂时过电压是指在电网规定点上持续时间较长的不衰减和弱衰减的(以工频或其一定的倍数或分数的频率)振荡过电压。瞬态过电压是指持续时间几毫秒或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的过电压。它可以叠加于暂时过电压上。暂时过电压和瞬态过电压时由于电力系统运行操作、受累计、发生故障等原因引起的，是供电特性之一。国家标准GB/T18481-2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压规定了作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压的要求、电气设备的绝缘水平及过电压保护方法，并对过电压的相关术语、定义做了比较详尽的论述。1.3电网监控的研究现状和发展趋势由于电能质量关系重大，美国、日本等发达国家对此进行了多年的研究，取得了许多重要理论和应用成果，同时也制定出电能质量的一系列标准。国内对电能质量的研究起步较晚，主要是因为我国的电力供应一直较紧张，人们关注焦点主要在电力供应方面，对电能质量关心不够。随着电力供应紧张局面的逐步缓解、电能质量的日益恶化和用户对电能质量的要求不断提高，这一问题己经引起了各级电力部门的高度重视，国家也颁布了相关的技术标准，从发电、供电和用电对电能质量提出了要求，无疑对我国的电能质量水平起到了促进作用。近年来，国际上对电能质量问题的普遍关注使得电能质量监测成为了一个热门的研究方向。传统的产品在设计上大多采用工业计算机配备数据采集卡的方式，在进行电网的数据采集和分析时，主要针对稳态指标进行监测，对暂态指标考虑的不多，智能化和网络化水平不高。文献4(意大利)提出了一种基于Web的电能质量监测系统的设计实例并且采用小波变换技术作为分析手段，整个系统的设计基本上顺应了目前的发展方向，但文中主要介绍了系统的体系结构和小波变换技术的应用，未对现场的实时监测设备做具体介绍。文献5(美国)提出了一种基于DSP(Digital Signal Processing)的实时系统解决方案，该方案采用DSP(Digital Signal processor)和特殊设计的工业控制计算机的双处理器结构，DSP处理实时任务，特殊设计的工业控制计算机用于人机交互，虽说也是联机处理系统，可进行在线实时监测，但还没有达到智能化和网络化的程度，而且特殊设计的工业控制计算机的采用加大了设备的成本，不适于作为固定的在线监测设备安装在现场。文献9是国内提出的一种基于双CPU的主从式结构的电能质量监测设备，由于设计时间早，采用TMS32010型DSP，性能上己经落后，没有考虑远程通信，分析手段只局限于采用FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)进行稳态谐波分析，也没有提出实时性要求。 现场监测设备本身的不足不仅影响到现场监测，也影响设备所处的整个系统的功能。比如因为现场设备的实时性不好，对瞬时扰动的识别能力差等，会影响到系统对问题的快速反应能力以及电能质量评估能力和决策分析能力。面对这些问题，需要新的思路和新的方法来解决。 随着电能质量对国民经济的影响逐渐加大和对电能质量研究的深入，对电能质量关注的焦点也不仅仅是电压、频率和谐波等稳态指标，人们想得到关于电能质量更为准确的实时信息，比如瞬时扰动和暂态谐波等，同时也要求对电能质量监控系统提供更为直观的分析结果，以利于对电能质量问题做出决策，比如要求系统能够进行故障辨识、故障预测和信息共享等功能。如今电子技术和网络技术的飞速发展使得这种需求的实现成为可能。电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展。 因此，基于Web的远程监控将改变监控技术的面貌，打破在同一地点进行数据采集、分析和显示的传统模式。依靠嵌入式技术和网络技术，人们就可以控制远程设备。基于Web的远程监控系统将是工业控制网络的发展趋势。1.4课题研究的内容电网供电质量关系到用电设备的正常工作，对电网进行监控，避免电网不良供电对生产设备的影响，对国民经济的发展有重要意义。本论文主要实现了基于Web的电网远程监控系统。 本课题属于工业科技攻关项目，研究的主要内容有以下几点：1).电网监测仪实现对电网主要参数的监测。电网监测仪与监控中心以C/S结构互连，电网监测仪将采集到的电网数据(如：电压、电流、功率因数和频率)通过以太网传输到监控中心，由监控中心进行处理。2).实现上位机监控与管理功能。在监控中心设计MySQL数据库服务器和Web服务器，要求图形化的显示界面，实现电网参数的可视化显示；数据的趋势图显示与归档；采集数据可长期保存；实现供电质量分析、故障消息的显示与报警，及时提醒用户供电质量出现的问题；报表的生成和输出；用户权限管理。 3).用户使用浏览器访问监控中心的Web服务器。用户端和监控中心采用B/S模式，通过构建Web服务器实现了对电网参数的远程监控。1.5 本章小结在本章首先了解了基于网络化的远程监控系统的课题背景，明确的系统所要监控的主要电能质量参数，以及该系统的国内外研究现状和发展前景，最后介绍课题研究的主要内容。1 第2章 系统的总体设计 第2章 系统的总体设计2.1系统的总体设计根据系统的需求，本文利用自行研制的电网监测仪对电网电能质量进行在线监测。电网监测仪采用三星53C2410微处理器进行设计，该电网监测仪可监测电网的三相电压、三相电流等参数，同时可存储一定时间内的参数值及电网故障情况及其日期和时间。电网监测仪具有以太网接口，通过以太网连接到监控中心。上位机配备以太网卡，可接入企业内部网(INTRANET)和INTERNET网。上位机将提供监测与管理数据的Web发布服务。用户可通过浏览器远程访问系统中的数据，实现远程监测。 本文设计的是用于电力系统中的专用电网远程监控系统。电网监测仪安装在电网网络的各个分布点，用于电网电能质量的长期监测，通过以太网接口将相应分布点的电能质量参数提供给监控中心，电网监测仪应具有如下功能：1)对三相电压、电流信号实时测量，实时计算电压有效值、电流有效值、电压电流三相不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数和稳态谐波分析： 2)具有事件记录、故障报警功能； 3)分析监测结果，提取电能质量评估信息，为用户提供决策；4)具有开关量输入输出能力，可以实现各种开关控制功能；5)具有远程通信接口，服务于更高层的企业信息分析和管理系统；6)通过人机交互功能，让用户对电网的运行状况快速洞察，迅速决策功。需求决定了对系统性能的要求，为了实现上述功能，系统的构建将要为功能的实现提供足够的性能保障。因此系统应该具备以下性能：1)为满足实时性需求，必须具备高速的运行速度； 2)为了支持大计算量和复杂算法，必须具备较强大的数字信号处理能力；3)系统功能覆盖了从底层任务执行到高层应用，需要足够的系统资源；4)具备远程通信能力；5)为了实现人机交互，还应该具有键盘输入和信息显示能力。不同的系统解决方案都有其自身的特点和优势，也有其不足，具体采用哪种方案很大程度上要依赖于由应用场合的具体特征所决定的对系统的基本要求电网监测仪要求系统抗干扰能力强、可靠性高、计算量大、处理速度快、实时性好、体积小、成本低。通过各种方案的综合比较，认为单个方案由于自身的优点和缺点同时存在，都不是系统应该采用的理想方案，只有通过不同方案的相互结合以取长补短，寻找满足系统要求的最优方案。本文采用嵌入式ARM处理器和Linux操作系统作为电网监测仪的最终解决方案，这样兼顾到了系统设计中的各种设计要求，同时与监控中心相连，可以图形化的实时显示数据。53C2410处理器是保证电网监测仪具有实时性和可靠性等性能指标的关键。 电网远程监控系统采用三层结构：电网监控层、监控中心和Internet层，如图2.1所示。图2.1系统三层结构图l)电网监控层 电网监测仪连接到供电电网中，监视3相交流电网中所有的重要参数。电网监测仪能够不间断的获取供电电网中的相一零电压、相一相电压等参数并可以将实时数据上传到监控中心。 2)监控中心 监控中心通过以太网与电网监测仪连接，接收电网监测仪从电网获取的各项参数。监控中心运行自行开发设计的基于Windows的监控软件，该监控软件具有图形显示功能与良好的人机接口界面，将采集的参数可视化的显示给用户。监控软件采用FFT算法设计分析程序，用图形化的分析曲线和表格实现电网参数的分析；通过监控画面的切换，进行在线数据查询、状态查询、数据存储、控制管理等各种操作。 3)Internet层 监控中心运行MySQL数据库与Tomcat信息服务，可将采集的电网参数通过Web方式进行发布。上位机通过以太网接口接入企业内部网(INTRANET)。连入企业内部网的计算机不需另外安装软件，通过IE浏览器便可访问系统采集到的各项数据，实现电网远程监控。2.2系统关键技术研究电网监测仪的硬件平台由基于ARM的最小系统、采集模块、显示模块和网络通讯模块构成。电网监测仪的ARM微处理器实现电网参数采集、数据处理等控制功能，通过以太网控制芯片接入Internet。 基于Web的远程电网参数监测系统要求对电网参数进行FFT运算、网络实时传输等功能，故在基于ARMG嵌入式微处理器的基础上，增加实现电网远程监测功能的各种模块，构成电网监测仪，如图2.2所示：图2.2电网检测仪机构图基于ARM的最小系统主要包括微处理器(S3C2410)、UART接口电路、外部存储器(FLASH和SDRAM)、JTAG调试接口和外围电路几部分。采集模块可以把检测到的电压、电流、功率因数模拟量转化为微处理器所能识别的数字量。键盘输入模块用于设置所监测电网的参数。LCD显示模块现场显示监测到的电网参数值，如电压、电流、功率因数、有功功率和无功功率。网络通讯模块使电网监测仪能以低廉的价格和简单的方式接入Internet。2.2.1具有ARM内核的微处理器53C2410电网监测仪采用的是三星公司的S3C2410微处理器，该芯片采用了ARM920T核，内部分别集成16K指令Cache和数据Cache并采用32位精简指令集，带有全性能的MMU，适用于设计移动手持产品设备，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。它外部接口单元丰富，包含LCD驱动器、NAND Flash驱动器、SDRAM接口、USB主从接口、IIC总线接口、触摸屏接口以及丰富的GPI0口等等。电路设计主要由以下几部分组成：电源电路、ARM9处理器、NAND Flash存储器、SDRAM存储器、调试串口、USB主设备接口以及以太网接口2.2.2采集模块在采集模块中，采样电路需要采集三相电压信号和四相电流信号(含零线电流)。本系统采用交流采样法。本系统对电网数据的采集分为三相电压量、三相电流量的采集，共六路，分别为：A相电压A_V，B相电压B_V，C相电压C_V，A相电流A_A，B相电流B_A，C相电流C_A，电网的功率因数用软件测量方法计算，电网频率利用软件测频法求取。系统的工作原理为：互感器输出电压经过整流、滤波、调压、模数转换，最后送到ARM 处理器进行数据处理。电网数据采集单元的硬件设计框图如图2.3(以A相电压电路为例)所示：其中电网数据采集模块完成数据采集和逻辑控制任务为主，以同步采样和A/D转换电路为主，采用锁相环电路实现取样频率和信号基波频率的准确跟踪，保证采样频率和信号基波频率的比值为固定值64，实现信号的同步采样。图2.3电网数据采集模块框图2.2.3网络通信模块网络控制芯片采用的是Cirrus公司生产的全面支持IEEE802.3标准的CS8900A以太网控制器，片内集成了ISA总线接口，可以直接和有ISA总线的微处理器系统无缝连接，其主要完成数据链路层的协议，通过网络控制器与嵌入式处理器相连，扩展以太网接口可实现信息传输网络与现场电网监控单元在硬件层次上的直接互联。2.2.4显示模块LCD采用夏普8寸屏LQ080V3，用于显示监测到的电网参数的波动情况，并方便调试参数及控制系统。在软件上采用基于Qtopia完成用户图形界面，以便用户在现场观看电网参数的各种图形分析，比如电压、电流的波动情况，各时期的电网参数。用户可以现场通过USB鼠标对电网参数进行实时控制，比如对电网电压、电流的变比，无功参数的实时调节等。2.2.5FLASH存储器模块S3C2410X处理器支持NAND Flash、NOR Flash和SDRAM三个接口。引导程序即可存储在NOR Flash中，也可存储在NAND Flash中。而SDRAM中存储的是执行中的程序和产生的数据。存储在NOR Flash中的程序可直接执行，与在SDRAM执行相对速度较慢。存储在NAND Flash中的程序，需要拷贝到RAM中取执行。 FLASH存储器是一种可在系统(In-system)进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用，通常用来保存程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保护的用户数据。与FLASH存储器相比，SDRAM不具有掉电保护数据的特性，但其存储速度大大高于FLASH存储器，且具有读/写的属性。因此，SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址0x0处读取启动代码，在完成系统初始化后，程序代码一般应调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。2.3电网电量测量的基本原理电网电量测量是通过对电网电压与电流的检测，对电网中的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电网电压、电流的谐波等进行测量与计算，从而达到对电网进行监测的目的。本章从快速傅里叶变换的基本原理出发，讨论了频率跟踪采样法，在此基础上阐述了通过交流采样值估算信号频率的算法3。2.3.1快速傅里叶变换FFT的基本原理非周期连续时间信号x(t)的傅里叶变换可以表示为： (2.1)通过上式计算出来的是信号x(t)的连续频谱。但是，在实际的系统中我们能得到的是信号x(t)的离散采样x(nt)(T个采样周期)。因此以离散信号x(nt)来计算其频谱具有实际意义。不失一般性，设采样得到了N点采样值，那么其频谱取样的谱间距是这样一来可推得式(2.1)的离散形式为： (2.2)令并省略和，则上式可写为： (2.3)式中X(n)是时间序列想x(n)的频谱，WN称为蝶形因子。对于N点时域采样值，经过式(2.3)的计算，就可以得到N个频谱条，这就是离散傅里叶变换(DFT)。可以看出，DFT需要计算约N2次乘法和N2次加法，当N较大时，这个计算量难以承受。仔细考虑DFT的运算就会看到，充分利用蝶形因子WN下列固有特性，即可改善DFT的运算效率。的对称性：的周期性：利用WN的对称性和周期性，将N点的DFT分解为两个N/2点的DFT，这样二个N/2点的DFT总的计算量只是原来一半。这样的分解可以继续下去，将N/2点的DFT再分解为N/4的DFT，等等。最小的分解点数称为基数(radix)，基2的FFT就是最小变换为2点的DFT。对于点的DFT都可以基2的FFT来实现，这样计算量可减为个加乘运算，这比DFT的计算量大大地减轻。下面简单介绍一种时间抽取(DIT)的FFT算法。设N=2m，如果不满足这个条件，可以人为地添加若干零值点来达到。将时间序列x(n)分为偶序列和奇序列，由式(2.3)可得(2.4)由于，所以 (2.5a) (2.5b)可以看出，X0(k)和X1(k)正好是x(n)的偶序列和奇序列的DFT。并且考虑到蝶形因子的周期性，即，所以又有同理，。综上可得的前半部分为： (2.6a)后半部分为： (2.6b)式(2.6)的运算称为蝶形运算。从前面的推导得知，如果先计算N/2个点的X0(k)和X1(k)，就能由式(2.6)组合出X(k)。按照这个原理，可继续将N/2个点的子序列再按偶序列和奇序列分解为两个N/4的子序列。持续这样分解，最后可得到2点的DFT。也就是一个N=2m点的DFT，可以进行m-1级的分解，到最后一级就是基2点的DFT。计算时，先进行最后一级的基2的DFT运算；然后逐级后退，以式(2.6)组合前级的DFT，最后得到所需求的。2.3.2基于FFT的谐波测量原理和电网电参量的计算1) 谐波的计算应用FFT进行谐波分析，就是对采样信号经FFT变换后，将得到的信号频谱用来计算各次谐波分量。假设采样长度为，采样频率为，要得到的某个分量的频率是s，那么只需在FFT的结果序列上，提取的，由于为复数，对其取模就得到了频率为的谐波分量的幅值。2) 电网电参量的计算根据FFT可以计算得到电压信号所含直流、基波和各次谐波电压的幅值，则电压的有效值为： (2.7)电流的有效值为： (2.8)电压的总谐波畸变率为： (2.9)电流的总谐波畸变率为： (2.10)有功功率、视在功率和功率因数PF分别为： (2.11) (2.12) (2.13)2.3.3锁相环频率跟踪法在对电力信号进行分析和处理时，必须要解决的两个问题是频谱混叠和频谱泄露。对于频谱混叠，可以设置适当的抗混叠滤波器，并且适当选择一个周波的采样点数即可解决：对于频谱泄露，只要保证窗口函数的宽度为基波周期的整数倍，就可以避免泄露效应的产生。其解决办法有两个：一是采用适当的窗函数来降低泄露效应的影响，但是，这种方法同时也增加了计算量。对于大数据量的数据处理而言是不适合的；其二，设计有效的频率跟踪电路，使采样频率实时跟踪信号的基波频率。也就是根据采样时的基波频率来确定采样间隔，从而从根本上解决频谱泄露效应。下面着重讨论频率跟踪方案的实现问题。由于电网信号不仅信号成分复杂、幅度可变，而且基波频率也不是恒定不变的。如果按照固定的基波频率为50Hz来确定采样率，就必然产生频谱泄露效应，而正在采样的那个周波的频率又是无法事先直接测到的。目前有软件频率跟踪和硬件频率跟踪两种方案可供选择：在软件频率跟踪方案中，可以设法测得与要采样的那个周波相邻的前一个(或几个)周波的频率，以此来代替要采样的那个周波的频率，进而来确定采样率。所以，软件频率跟踪的任务就转化为如何快速、准确地测得一个周期信号的频率；在硬件频率跟踪方案中，采用了高精度的锁相环电路，保证采样频率和信号基波频率的比值为固定值64，即保证每一个工频周期内都能采样64点，实现取样频率和信号基波频率的准确跟踪。硬件频率跟踪电路中的核心部件是一个数字锁相环电路。由于锁相环稳定性极好，精度很高，因此，用此频率跟踪电路实现的频率跟踪误差非常小，准确度非常高。同时，由于器件技术的发展，基本的数字锁相环电路价格也很低，本文采用全硬件实现的频率跟踪方案。 其工作原理为：被测输入信号经低频滤波去除一个周波信号中由于含有高次谐波而可能产生的多余过零点，再经过零比较器将信号变成方波信号，这个方波信号的频率就和电网的基频相同，然后对这个方波信号进行锁相和64倍频，得到频率为64fl的脉冲信号，用这个脉冲信号输入到ARM9处理器的外中断脚来控制A/D转换器的采样。这样可以使采样脉冲的频率严格地跟踪电网基频，且每一个电网基频周期内的采样点数为恒定常数。保证每一个工频周期都能采样64个点。如果一个电网基频周期内的采样点数设定为64或其它值，只需调整锁相环电路中分频器的分频比即可。2.3.4软件测频方法在电力系统处于稳态运行情况下，电力系统频率是指所测相电压的两次正向过零点的时间差的倒数。本文通过计算采样序列中相邻的两个过零点之间的时间，它为信号的二分之一周期，采样点数为。如图2.1就是本文利用交流采样值估算电力系统频率的方法的示意图。 从采样序列中寻找两个相邻的过零点时，会有两种情况：一种情况如图(2.4a)，在第一个过零点前后，采样值由负变正，第二个过零点前后，采样值由正变负；另外一种情况如图(2.4b)，在第一个过零点前后，采样值由正变负，第二个过零点前后，采样值由负变正。1)第一种情况设为第一个过零点后的第一个采样点与过零点的时间差，为第二个过零点后的第一个采样点与过零点的时间差，、，为采样间隔。正弦函数在零点可以近似为线性函数，、可由过零点前后的两个采样值插值来估计。设第一个过零点前后两个采样为、，第二个过零点前后采样值为u()、u(k+1)，且第一个过零点后的第一个采样点到第二个过零点后的第一个采样点+1之间的采样间隔为k个采样间隔，则： (2.14) (2.15)则信号周期为： (2.16)图2.4a 周期测量算法图图2.4b 周期测量算法图2)第二种情况对于第一个过零点前后，采样值由正变负，计算方法和第一种情况的计算方法相同。可计算得到信号周期为： (2.17)由以上方法得到信号周期后，信号频率即可求得： (2.18)2.4电网监测仪软件设计2.4.1嵌入式Linux概述Linux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全公开源代码。从严格意义上讲，Linux指的是由Linus Torvalds维护的内核。而嵌入式Linux实际上是指Linux内核在各个嵌入式硬件平台上的移植比如ARM系列平台、SH系列平台等等。 嵌入式Linux为开发者提供了一套完整的工具链(toolchain)。它利用GNU的gcc做编译器，用gdb、kgdb、xgdb做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。2.4.2BootloaderBootloader就是内核启动之前最原始程序，实际是指写在Flash中的一小段程序，它的功能类似于PC机的BIOS程序。它所要做的主要工作就是初始化系统外设，加载内核镜像以及启动系统。Bootloader主要负责加载内核，尽管它在系统启动期间执行的时间非常短，不过它却是非常重要的系统组件。Bootloader部分的代码是与平台相关，因此该部分代码必须通过程序自己实现。2.4.3Linux内核移植和编辑Linux是一个移植性非常好的操作系统，它广泛支持许多不同体系结构的计算机系统。关于Linux的移植其实是一件相当复杂的事情，一般情况而言，从内核官方网站上得到的内核源码远远不能在它所支持的平台上运行。从官方网站上得到的内核源码只能保证在X86平台上能够正确运行成功，其它平台上的代码还不是经过严格测试。要使Linux内核在ARM9平台上运行成功，不仅要求开发者对ARMG平台有深入的理解，对Linux 内核有深入的解析，还要对GNU工具链有足够的认识。因此可以说要移植Linux 内核，一般的开发人员是没有足够的能力完成。尽管移植Linux内核是一件非常困难的事情，但是也有简单的解决方法，那就是去ARM平台内核维护者Russell King的网站下载有关于ARM9平台的Linux内核补丁，如前一节所叙述，我们只要将内核打上补丁，该内核就可以在ARM平台上运行。 本节重点是内核的编译。得到合适的内核源码后，关键是怎么编译内核，这里涉及众多选项。Linux内核编译一般分为三个步骤，分别是创建内核依赖文件、创建内核镜像文件和创建内核模块。在创建内核依赖文件过程中会在Linux内核源文件中添加一个config.h文件，这个文件中定义的宏会在编译内核过程中起全局性作用。编译的具体步骤如下：# maked dep# make ARCH arm CROSS_COMPILE = ann-linux-menuconfig # make zlmage # make modules # make rnodules install 在此过程中编译生成的内核镜像文件zlmage在目录/arch/arm/boot中，在烧写内核时我们会将该镜像文件下载到NAND Flash中。2.4.4根文件系统根文件系统一直都是所有Linux系统不可缺少的主件。根文件系统目前的结构有点独特，而且包含了一些多余之处，这是因为它与日俱进的成长深受Unix发展的影响。用来建立根文件系统的“正式规则在文章FHS(File system Hierarchy Standard)中提到，我们应该遵照公认的标准来组织各个部件，由此产生可用的根文件系统。根文件系统的顶层目录各有其特殊的用法和目的。其中许多目录只对多用户系统有意义，而这些有不同用户使用的服务器或工作站，这是由系统管理员负责维护。在大多数的嵌入式Linux系统中，通常不会有所谓的用户和管理员，所以不必严格看待用来建立根文件系统的规则。这并不表示你可以违反所有的规则，只是意味着破坏某些规则对系统的正常操作几乎没有影响。值得注意的是，即使是用于工作站或服务器的主流商业发行套间也不会一定遵守根文件系统的建立规则。根文件的顶层目录结构如图25所示。对于嵌入式系统而言，为多用户提供可扩展环境的所有目录(例如/home、/mnt、/opt和/root)都可以省略。在调整根文件系统的时候，我们甚至可以进一步移除目录/tmp和/var，不过这么做可能会危害到某些软件的运行，因此不建议采用这种过于简化的方法。表2.1 根文件的顶层目录结构图目录内容bin必须的用户命令(二进制文件)boot引导加载程序使用的静态文件dev设备文件和其他特殊文件etc系统设置文件，包括启动文件home用户主目录，包括供服务账号所使用的主目录，例如FTPlib必要的链接库，包括C链接库、内核模块mnt安装点，用于暂时安装文件系统，例如NFS文件系统opt附加的软件套件proc用于提供内核与进程信息的虚拟文件系统rootRoot用户的主目录sbin必要的系统管理员命令tmp暂时性的文件user用户应用系统和文件var监控程序和工具程序所存放的可变数据根据引导加载程序和它的配置情况，可能不需要/boot目录。这取决于引导加载程序是否在内核被启动之前从根文件系统取回内核镜像。在实际应用中，我们的Bootloader不会访问任何文件系统。其余的目录，/bin、/dev、/etc、/lib、/proc、/sbin和/user，都是不可缺少的。2.5 本章小结本章主要介绍了系统的总体设计，包括系统关键技术研究；电网电量测量的基本原理；电网监测仪的设计，为后文做下了理论基础以及铺垫。第3章 远程监控元件的设计 第3章 远程监控软件的设计.基于Web的电网远程监控系统可以分为电网监测仪、监控中心(包括通信单元、Web服务器和数据库)及用户端(浏览器)三个子系统。电网监测仪和监控中心采用客户端/服务器分布式网络结构，远程监控中心(服务器)通过以太网连接电网监测仪(客户端)，监控中心可以直接实现电网的远程监控；用户端(浏览器)和监控中心采用浏览器/服务器结构，授权用户只需使用浏览器即可访问监控中心的Web服务器，从而实现远程监控。本章是远程监控主机的数据库和Web服务器设计。 实现基于Web的远程监控系统的关键问题是解决web服务器与数据库服务器之间的连接，即Web数据库访问技术9。Web数据库访问技术有CGI(Common Gateway Interface)通用网关接口、Microsoft的ISAPI、ASP和JSP。CGI开发较早，技术成熟，但存在的问题是Web服务器必须对每个用户请求创建一个单独的网关进程，所以CGI执行程序时资源开销较大。另外，CGI编写烦琐，维护困难，缺少访问控制，对数据库难以设置安全访问控制。ISAPI是Microsoft提供的一套面向Internet服务的API接口，用它编制的程序以动态链接库(DLL)的形式存在，可实现CGI程序所能提供的全部功能，缺点是开发API程序比CGI程序更困难。ASP简单易学，但是它只能在windows平台使用。SUN在Java基础上开发的JSP(Java Server Pages)实现了平台无关，功能强大且编程简单，因此监控系统采用JSP方案来完成监控中心Web服务器的设计。 电网监测仪一方面负责采集电网电压和电流并传送给监控中心，另一方面接受监控中心的控制命令，并采取相应的动作；监控中心完成和电网监测仪的数据传输，Web服务器则完成与电网监测仪、数据库服务器及客户端的交互，数据库用于存储历史数据；授权用户通过浏览器与监控中心Web服务器交互，从监控中心获取实时或历史数据或者通过监控中心传送控制命令(包括远程设置各个监测设备的运行参数、采集终端的运行数据、对该数据进行编辑、显示、存储、打印输出等)。采用这种三层B/S模型比以往采用的两层C/S模型相比，可以省去客户端软件的编写，客户端只要具备浏览器即可完成与Web服务器的交互。3.1 电网参数实时数据算法3.1.1电网允许偏差GB12325-90电能质量-供电电压允许偏差规定，供电电压35kV时正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；三相供电电压10kV时允许偏差为额定电压的7%；220V单相供电电压的允许偏差为额定电压的+7%、-10%。测试电压的允许偏差比较简单。使用符合标准要求的电压表测出系统的实际电压(与额定值偏差最大的电压)，然后用下式即可求出电压偏差。3.1.2三相不平衡度GB/T15543-1995电能质量-三相电压允许不平衡规定，正常运行方式下系统在公共连接点的电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。对每个用户的电压不平衡度的一半限值为1.3%；而电气设备规定工况的电压允许不平衡度和负序电流值则由各自标准规定。此标准所指的不平衡度为三相电压的负序分量与正序分量之比的百分数，用来表示三相不平衡的程度。2%不平衡度允许值为95%概率时求得的数值，另外5%时间有可能超过2%，但不得超过4%。假设公共连接点的正序阻抗与负序阻抗相等，则不对称负荷在公共连接点上造成的不平衡度可近似为式中：-负序电流的负序值；-公共连接点的短路容量；U-线电压3.2网络理论基础3.2.1 C/S结构和B/S结构本文设计的电网监控系统一个显著特点就是监控中心和浏览器的连接采用B/S结构，监控中心和电网监测仪的连接采用的C/S结构来实现整体网络的规划。客户端服务器(Clien/Server，简称C/S)结构是指这两个系统或两个进程的关系，客户端请求服务器系统为之完成工作，服务器提供客户端要求的服务。大多数情况下应根据请求者与被请求者的关系来确定哪一方是客户端和哪一方是服务器。 在C/S结构中，客户进程请求服务器进程，有服务器进程完成任务后，将结果返回给客户，这是最基本的C/S模式。它采用客户应用进程与服务器应用进程共同去实现应用系统的用户界面处理、业务逻辑、数据处理等功能。用户界面表示由客户应用进程实现，业务逻辑由客户和服务器联合完成，数据服务由服务器进程承担。基本的C/S模式已经得到了广泛使用，但在大型应用系统与用户需求变化较大的系统中，这种结构有很明显的不足：无法适应系统新的变化；客户端的负担重；数据库服务器性能下降等。 所谓B/S(Browser/Server，简称B/S)结构就是浏览器/Web服务器/数据库服务器，可以说是三层的C/S结构，其中，表示层是WWW浏览器，客户端根据URL向Web服务器提出服务请求，Web服务器把数据文件传送给客户，而客户端由HTML 负责表示逻辑；服务端是Web服务器，通常它使用ASP、JSP等技术访问数据库进行数据查询或处理；数据层是负责各种数据处理的数据库服务器。在Internet环境下，由于客户端是浏览器，也就构成了Browser/Server这样一种特殊的三层C/S结构。其结构图如图3.1所示。图3.1基于Web的电网远程监测系统三层结构图所有的客户代码，只用来表示逻辑，这样就可以构造通用的客户端。每个Web页面在三层B/S结构中被描述为“瘦客户”，因为所下载的HTML代码都是描述性的，通常不含自己的处理逻辑，它只含有Web浏览器显示所需要的信息。B/S结构具有以下几个方面的特点：建立了一种与平台无关的应用机制，应用程序不局限于任何硬件平台或操作系统，提供了一个跨平台的、简单一致的开发平台和应用环境。这种与平台无关性主要体现在通讯协议采用统一的TCP/IP协议，信息传输采用标准的超文本传输协议HTTP，客户端逻辑表示采用HTML语言。这种跨平台性使得信息可以在一个广域网范围传播，从而打破了传统信息在局域网范围内的单向流动。这种模式的应用特征简单一致。以浏览器作为客户端软件，客户端无需编程，且用户界面一致，对用户来说，简单易用，对系统人员，则无需做客户端的特殊维护，降低了维护费用。B/S结构是可扩展的，伸缩性强。它允许不断扩一展来满足用户的需要。只做服务器端的开发，避免了传统客户端的应用软件的分发和为不同操作系统的客户端分别开发不同版本软件的麻烦；同时，也意味着实现了应用程序的共享，提高了系统的易维护性。3.2.2 HTTP协议HTTP协议是一个面向事务、无状态的应用层协议。在传输层，HTTP协议使用请求(request)/响应(response)模型。一个简单的HTTP事务包括以下过程。首先，客户端(浏览器)发起和建立一条到服务器的TCP连接。然后，客户端发送一个HTTP请求到服务器，请求包含方法、URL、协议版本和一个类MIME报文。服务器解析HTTP请求后，给出相应的HTTP响应，响应包括协议版本、状态码、解释状态码的简短短语和一个类MIME报文。最后，释放TCP连接。Linux操作系统为用户提供了称为BSD Socket的网络编程接口。利用其中的TCP套接口函数，可以非常方便地实现HTTP协议。 Web服务器技术的核心是HTTP引擎。HTTP协议是Web应用的标准协议，Web服务器利用它与浏览器通信。HTTP规定了发送和处理请求的标准方式，规定了浏览器与服务器之间传输的消息格式及各种控制信息。HTTP报文共有两种类型，这两种类型是一方发送的请求报文和另一方的响应报文。1请求报文的格式 请求报