基于虚拟仪器的高分辨率SoE系统设计研究———基于虚拟仪器的高分辨率SoE系统设计研究

    1 引言
   
     在电力系统中，SoE(Sequence of Event)事件顺序记录系统是调度人员正确处理事故、分析和判断复杂电网故障的重要工具。其主要功能是将现场关联设备的状态变化按照发生的先后顺序及时捕捉并加上时间标签后传送到调度主站，作为辨别电网故障的主要依据。目前的SoE系统大都是毫秒级的分辨率，当某一事件发生后，可能在同一时间间隔内出现的信息较多，不能分出先后顺序，且监测端子一般较少，只覆盖机组运行中最重要的开关量，随着电网结构的日益复杂，供电企业对电网监控水平、事故分析判断水平要求越来越高，因此要求SoE系统具有更多的监测端子和更高的分辨事件能力。
   
     2 SoE系统概述
   
     为了能更精确地获取事件信息，为事故分析提供有力的证据，同时参照供电企业实际要求，所设计的SoE系统需同时监测500路开关量信号，并达到0.1 ms的分辨率。在设计中，多通道信号的同步采集和附加了时间标记的开关量数据的排序问题成为系统开发的瓶颈。在传统的SoE系统中，受所用硬件系统的限制，在采集通道数目较多时，往往采用多组模块经I／O扩展来达到通道数目的要求，而多组模块之间采集信号时的同步要求会大幅增加软硬件设计的难度，同时对巨型开关量数据的排序会大量占用系统资源，降低系统的实时性。
   
     综合以上问题，同时较大限度地降低系统的成本，拟采取如下设计方案：选择单片机小系统作为下位机进行数据采集；通过USB口或串口通讯将数据传送到计算机；在LabVIEW平台下，对数据进行分析与处理，并对相关数据进行存储、显示和打印，实现一种在LabVIEW环境下的单片机数据采集系统。
   
     3 SoE系统的硬件构成
   
     在信号输入部分，输入模块接收来自外部设备的开关信号，经输入模块对输入信号进行整形处理，进入光电隔离电路，形成CPU所能识别的脉冲信号。
   
     服务节点主要负责开关量信号的采集与传送。
    
     3.1 信号采集部分
   
     (1)CPU的选取与时钟同步
   
     在单片机构成的下位机系统中，考虑到开关量信号地理位置分布比较集中，数据采集采用1块时钟频率为100 MHz的混合信号ISP FLASH微控制器C8051F130通过I／O扩展实现500路信号的采集。由于在SoE系统中关注的是一系列记录的先后动作顺序，所以各分散节点必须使用严格同步的时钟，否则各通道数据采集之间的时间延迟可能造成系统的紊乱，造成错误的输出报表。该系统中时间同步信息由时间信息和同步脉冲2部分组成。时间信息指时钟芯片DS12CR887提供的年月日及时分秒的时间信号，同步脉冲指由CPU通过定时器产生的每隔0.1 ms产生的时钟脉冲，通过对时钟脉冲计数确定秒数量级以下的时间。在系统上电时，CPU初始化时钟芯片、定时器及计数器，每0.1 ms产生的同步脉冲作为采集数据的触发信号，达到数据采集的精确同步。
   
     (2)I／O扩展
   
     I／O扩展方面，采用多片扩展能力较强的芯片8255，实现对500路开关量信号的采集，8255由芯片IDT74LVC4245A驱动，同时该芯片可实现3.3 V与5 V信号之间的转换，实现CPU与扩展芯片8255的连接，其选通由CPU通过译码器实现。
   
     3.2 信号传送部分
   
     为了降低数据通讯对系统资源的占用，提高系统监测的实时性，采用另一CPU负责与上位机进行数据通讯，通信CPU通过串口或USB口与上位机进行连接。通讯过程如下：当系统监测到1次事件触发后，通讯CPU从双口RAM中读出数据，将数据通过串口或USB口发给上位机。
   
     4 SoE系统的软件结构
   
     根据SoE系统的硬件构成，其软件结构也分为下位机部分与上位机部分。
   
     4.1 下位机
   
     下位机程序采用汇编语言编写，其主要完成定时数据采集及数据发送工作。其中定时采样的中断频率由定时器0的常数自动装载16位计数器方式产生；波特率由定时器1的方式1产生；自定义软件握手，握手信号可以随意选择一常数，如果单片机接收到的数据等于此常数，则表示握手成功，否则重新接收握手数据。
   
     在系统上电复位后，根据各开关量的正常状态将原始数据存入存储器，同时在同步脉冲下将采集到的数据与初始状态做比较，如果数据保持不变，说明各开关量的状态没有改变，系统重新采集数据；当接收到一个事件触发数据时，就会按照该触发事件时间标记将采集到的数据传送到缓存器中，同时开始计时，如果在定义的时间内没有其他事件到达，则完成1次SoE记录，并将数据从缓存器中发送到双口RAM中，再由通信CPU将数据从双口RAM中调出，经汇总整理后，经网络提交给上位机。其流程图可简单描述如图2所示：
   
     4.2 上位机
   
     上位机的程序主要负责工作状态的设置及数据处理与输出，利用LabVIEW进行数据分析和人机交互界面的编制。采集数据经通讯CPU发往上位机后，经数据处理程序输出结果，结果以事件发生的先后顺序排序，报告相应开关量的状态变化情况，同时将相关数据存入SQL数据库，实现带有时间标签数据的永久保存，作为优化设计和分析故障的重要依据。由于在机组的日常运行中一些运行设备的切换是很正常的，例如磨和风机的切换，如果这些跳变也触发产生SoE报表并打印，将造成系统资源的较大浪费。在实际应用中应以汽机跳闸等少数信号作为触发信号产生SoE报表，并设置当这些量中的任何一个跳变后，向前追忆及向后追加记录的个数，从而完整地反映出整个突发事故的全貌。
   
     5 结 语
   
     基于单片机和LabVIEW的SoE系统，实现了低成本的数据采集系统架构，在实际开发中，LabVIEW表现出很强的灵活性。LabVIEW环境下的单片机数据采集系统将单片机用于数据采集的灵活性与LabVIEW强大的数据分析处理能力相结合，可广泛用于测控领域。