嵌入式电网监控系统的方案设计说明书.docx

1、嵌入式电网监控系统的方案设计说明书嵌入式电网监控系统的方案设计说明书1、 概述1.1应用背景简述电力系统是由发电厂、变电所、输电网、配电网和用户的用电设备等组成，并由调度控制中心对全系统的运行进行统一的管理。电网监视和控制的计算机信息系统是为电网运行管理服务的特殊的信息系统，简称为电网监控系统。它是电力系统中一个功能比较专一的系统，同时也是一个不可缺少的现代化手段。电力系统是一个庞大的、瞬变的多输入输出系统，各重要节点的电压、电流等参数都对整个系统安全有效的工作起着关键作用，为了保证其安全运行，需要实时地监测各节点的运行状况，及时发现电力系统的不正常状态及故障状态，快速地进行控制和处理。这要求

2、在电网各节点都要安排专门的测量仪器和监控设备，将测得的电力系统运行参数转化为数字量，这些设备的测量数据远距离传输到控制中心进行处理。电力系统监视和控制的参数要求实时性较强，不仅包括频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量、序分量等，还有些采集的特征量频率变化快而且复杂，如暂态突变量，高频的故障行波等，普通的采集处理方法数据流量小，灵活性差，对多路进行采样计算时就会显得吃力甚至难以实现。为了克服以上不足，适应现代电力系统的要求，将先进的数字信号处理DSP技术和嵌入式平台应用到电力系统中来，充分发挥其快速强大的运算和处理能力以及并行运行的能力，满足了电力系统监控的实时性和处理算法的复杂性等更高的要求

3、，并为不断发展的新理论和新算法应用于电力系统的实践奠定了技术基础。1.2设计的目标和功能对电压、电流等信号进行采样，A/D转换；对所采集的数据进行计算分析，得出各种监测指标参数；将采集到的数据转变成遵循网络协议的形式，然后上传网络，工作人员可以通过网络实时浏览在线监测信息。2、总体设计2.1系统总体结构及原理分析以计算机为中心的电力系统自动监视和控制系统的基本结构如图1 所示，在电力系统的自动监视和控制系统中，信息收集系统的作用是确定系统的运行条件，提供每个控制功能所需要的信息输入，同时信息收集系统也将加强运行人员和系统间的联系，根据需要向信息人员提供电力系统的实时信息。图一、电力监控系统框图

4、原理分析DSP数字信号处理是利用计算机或专用设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。DSP芯片是基于超大规模集成电路技术和计算机技术发展起来的一种高速专用微处理器，有强大的运算功能和高速的数据传输能力，能方便地处理以运算为主的不允许时延的实时信号，有独具一格的逆寻址方式，能高效地进行快速傅里叶变换运算，它采用内存映射方式管理I/O，能灵活方便地扩充外围电路。DSP芯片将中央处理器(CPU)、程序寄存器、数据寄存器和硬件乘法器、累加器、移位器、地址发生器集成在同一芯片上。DSP采用先进的改进型哈佛结构，程序存储器和数据存储器是完全隔

5、离的，解决了总线拥挤的问题，确保提高运算速度和系统的灵活性；在指令处理上，采用了多级流水高速设计。由于具有双地址发生器、独立的乘法器和累加器、多总线(CPU总线和DMA总线)结构和流水线处理指令方法，使DSP具有一般微处理器所不具备的并行处理指令的能力，芯片特有的先进技术还有数据指针的逆寻址功能、指令的重叠、运行无消耗循环控制等等。因此，它具有体积小、功能强、功耗低、一致性好、速度快、性能价格比高等优点。具体应用如下：1、DSP 技术在电力系统中的应用随着电力系统的快速发展，电力网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要，而几乎所有监测、分析、控制、信号传送都

6、需要先将电力系统中的大电流、电压等交流信号，经过互感器和A/D转换变成数字信号，再将数字信号进行D/A或PWM 处理用以输出控制，而这些正是DSP 的优势所在。事实上，在电机的实时控制方面，DSP 由于能够充分发挥快速计算和反馈控制的优势，已经得到了深入的应用。一些先进的电机控制理论如矢量变换控制，大多采用了更为高效的控制算法和复杂的坐标变换，所以需要大量的数学运算，从而对处理器的运算速度、实时处理能力产生了较高的要求。通过单一普通的单片机难以实现较好的实时性和快速性控制效果。一般使用高性能的DSP芯片就可以解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求。有些电机控制专用的DSP芯片将一系列外围设备

7、如模数转换器（A/D）、脉宽调制发生器（PWM）和数字信号处理器（DSP）内核集成在一起，可构造一个功能强大又非常经济的控制系统。2、DSP 技术在电力系统模拟量采集和测量中的应用计算机进入电力系统调度后，引入了EMS/DMS/SCADA的概念，而电力系统数据采集和测量是SCADA 的基础部分。传统的模拟量的采集和获得，通过变送器将一次PT 和CT 的电气量变为直流量，再进行A/D转换送给计算机。应用了交流采样技术以后，经过二次PT、CT的变换后，直接对每周波的多点采样值采用DSP法进行计算，得到电压和电流量的有效值和相角，免去了变送器环节。这不仅使得分散布置的分布式RTU很快地发展起来，而且

8、还为变电站自动化提供了功能综合优化的手段。由于这些微机式的RTU, 大多采用MCS-51系列的单片微机，又一般采用时域法的计算方法，因而数据处理能力差、可扩展空间较小、运算速度慢。当电网出现谐波或三相电路不平衡时，无功功率存在不平衡误差，其精度下降。由DSP组成的系统能够进行实时的频谱分析，提高了测量精度。这样的数据采集的速度和精度使电压、电流、功率和频率等基本遥测量的采集计算更为快捷，此外，还为进一步的电气量测量提供了方便的实现基础，如系统电压、电流的高次谐波的测量、分析，非正弦情况下的有功电能和无功电能的计量等。3、DSP 在电能质量监控中的应用随着配电网对电能质量越来越高的要求，对用户侧

9、电能质量的监视和控制逐渐得到较高的重视。电能有严格的质量标准，主要体现在电压、频率和波形三个方面。电压质量和频率质量一般都以偏移是否超过给定值来衡量，波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。所谓畸变率是指各次主谐波有效值的平方和的方根与基波有效值的百分比。给定的允许畸变率常因不同的电压等级而异，一旦发现各质量指标不符合规定的要求，可以根据不同的需要发出告警信号、引起上位机中断或直接进行相应控制等。在电能质量监测装置中可实时监测以下参数：基波电压有效值（三相），谐波电压有效值及相位，谐波电压，电流总畸变率误差，频率，功率（有功、无功、视在功率、COS、角），电压正序，零序，负序，不平衡度，电压波

10、动和闪变。在数字信号处理中，同时求得基波和高次谐波电压的最佳方法是基于傅里叶变换的FFT算法。规程要求的高次谐波的次数为29 次，根据奈奎斯特定理，采样率至少要达到29*2*50= 29000HZ，如此高的采样率最好用专门的DSP芯片来实现。对电压波动和闪变的计算，也是用DSP处理比较快捷。另外，当配电网发生故障或有些节点突然投入大负荷时，会引起较大的电压凹陷，并会持续一定的时间，需要根据其电压降低程度实时快速地进行补偿。DSP 技术又将在其中发挥不可替代的作用，如小波方法对奇异点的检测，DSP芯片的高速计算和反馈控制。可以说，电能质量控制是DSP 技术在电力系统中应用的一个最佳结合点。4、D

11、SP 与电力电子技术相结合应用于电网无功补偿和谐波抑制电力电子技术的不断发展使它在电力系统中的应用越来越深入。在电力系统无功补偿上，随着电力电子元件MOSFET、SCR、GTO 到IGBT以及IGCT等新的发展和应用，无功补偿和发生装置从TSC、TSR 、SVC到大型的STATCOM也得到不断更新，而无论哪种电力电子元件应用于何种无功功率补偿方式都对触发时间和算法的快速性有着较高的要求，DSP技术和芯片在此必能发挥其功能强大的优势从而得到较好的应用。目前国外已有多种静止无功补偿装置采用DSP 芯片作为系统的控制核心。在电力系统中应用电力电子装置无功控制的同时，不可避免地会在电网中产生谐波污染。

12、解决这个问题的一种途径是装设有源滤波装置对谐波进行合理补偿，电力有源滤波器得益于新型电力电子器件和PWM 逆变技术的发展以及瞬时无功功率理论的谐波检测方法的提出，与传统的$% 谐波滤波器相比具有良好的滤波性能。基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法需要进行大量实时计算，采用一般的模拟电路和普通的CPU芯片来实现这些复杂的计算和控制很难得到较好的性能。另一种解决办法是改进电力电子装置，使其不产生谐波且不消耗无功功率，或根据需要控制功率因数。这种方法可使用大容量变流器采用多重化技术，将多个方波叠加以消除低次谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。对于中等容量的单位功率因数变流器主要采用脉宽调制（PWM）整流

13、技术，通过对半导体开关器件按照一定的控制规律进行通断控制，达到谐波抑制和提高功率因数的目的。但就目前而言，采用PWM 整流技术的研究尚不充分， 目前数字信号处理器DSP的性价比的不断提高，使得利用微处理器和DSP可以实现各种控制算法，若能将其与电力电子装置的控制联系起来，发挥其控制灵活、实时性强的特点，就可以很好地实现谐波抑制。两者相比，采用改进电力电子装置的方法，实现谐波抑制和无功补偿更为有效。但无论哪种方法和途径都离不开对高性能的数字信号处理芯片的需求。这也将促进DSP 的进一步发展及其在电力电子领域的应用。2.2 模块功能分析电网监控系统方案设计以嵌入式CPU 板为核心，开发了多串口电路

14、、模拟量输入与开关量输入/输出电路和友好的人机接口，配合功能丰富的软件，能实时地监测电力系统中各设备的运行情况，并能与电力系统监控后台或发电厂、变电站监控系统的通信，实现电力系统的集中监控和“遥测、遥控、遥信、遥调”。各个模块功能不作详细分析，在总体结构上作用可见图2 图2 功能模块结构图3 硬件设计 3.1 DSP侧外部存储器的扩展TMS320VC5470的DSP 侧在其外部的程序空间和数据空间分别扩展了RAM。选用的是2块ICC的64K*16 位10ns 的IC61LV6416SRAM;分别用DSP的程序空间片选引脚和数据空间片选引脚连接两块SRAM的片选信号端，使它们一块映射到程序存储空

15、间，另一块映射到数据存储空间，如图3所示图3 外部存储器扩展 3.2 LCD模块本课题选用带有驱动控制芯片SEED1335 的TFT型LCD 模块。SEED1335控制器主要是将ARM侧的图像信息传送到LCD 驱动器中。它可以支持图形和文本方式混合显示，LCD的尺寸为320mm*240mm,如图4所示。图4 LCD模块3.3键盘模块键盘可用来输入数字型数据或者选择控制设备的操作模式。TMS320VC5470的评估板提供了键盘接口，只要将5*5 键盘矩阵直接与接口相连。然后就是用软件实现键盘扫描，如图5所示。 图5 键盘模块3.4 A/D、D/A模块本系统所采用的D/A转换芯片是AD7564，采

16、用SPI串行总线接口方式与DSP处理器相连，如图6 所示。图6 A/D、D/A模块4. 软件设计4.1 逻辑结构框图设计软件部分是整个嵌入式系统的关键部分，主要包括操作系统软件和应用程序两部分，完成数据采集、数据处理、智能决策与控制、数据库的操作、人机图形界面、基于WEB的网络监控等功能。应用程序的主要构架如图7所示，操作系统采用基于RTLinux 内核的自定制操作系统。 图7 电网监控系统软件结构图程序各进程间的通信主要通过共享内存的机制来进行。远程测控（基于WEB 的网络测控）通过对数据库的操作，向数据库的控制表写控制规则，再由程序将控制信息读到共享内存区，经输出控制模块进行智能处理、决策

17、后实现测控操作。历史数据查询显示直接通过对数据库的操作来实现。4.2 操作系统的定制许多简单的嵌入式系统并不需要嵌入式操作系统（如单片机控制）。但是，随着嵌入式系统复杂性的增加，操作系统显得越来越重要。操作系统是计算机系统中最重要的组成部分之一，它是用户与计算机之间的接口。操作系统必须具有两方面的功能：一是为用户提供各种简便有效的访问计算机资源的手段，二是要合理地组织系统工作流程，对系统进行有效地管理。为了实现上述的基本功能，需要编制不同的功能模块，按层次结构将各个功能模块有机地组织起来，建立各种进程，以完成处理器管理、存储管理、文件系统管理、设备管理和作业控制等主要功能。和一般的计算机应用系

18、统不同，由于电力系统具有发电、输电、变电、配电和用电一次同步完成的特点，实时性很强。标准Linux 系统是一个“非抢占式”的系统，当一个进程被系统调用并处于运行状态时，是不允许进程进行调度的。这就意味着一旦系统调用中有某个任务正在执行，那么该任务就会控制处理器，直到系统调用结束，而不管其使用处理器时间的长短，很容易导致一些更重要的任务（如报警）在等待系统调用完成的过程中被延误，系统不具备实时性。因此，选用了具备“抢占式”运行的RTLinux 内核，在此基础上进行系统自定制，很好地满足了系统实时性和可靠性的要求。如图, 所示，嵌入式RTLinux的全部设计思想基于实时应用的划分。在这里，一个实时

19、应用被划分成了一个运行于实时核心之上的实时进程及运行于Linux核心上的分时进程；RTLinux并没有对Linux内核作大的改动，而是利用Linux内核模块机制，采用插入模块的方式，通过一个独立的内核来管理实时任务。在加载了RTLinux 内核之后，原来的Linux内核就作为实时操作系统的一个空闲任务，仅当没有实时任务要运行时才执行。图8 RTLinux体系结构图定制操作系统的关键是根据内存与CPU处理器的速度、DOC（Disk On Chip）等方面的限制，减少系统所需的资源。为此从发行版着手，裁减了不需要的模块，保留了引导工具、Linux 微内核（包含内存管理、进程管理、事务处理等）、初始

20、化进程，添加了相应的硬件驱动程序、实时内核、TCP/IP 网络堆栈等。实现步骤如下：（1） 重新编译Linux内核，去除不需要的模块，添加需要模块。（2） 重新编写触摸屏驱动，使其运行不需Xfree86的支持，从而实现把系统定制得更小。（3） 重新编写以太网和串口驱动程序。（4） 定制后移植并编写init 程序。（5） 安装应用程序.软件设计还主要包括以下几个1、数据采集2、数据库设计3、WEB网页控制实现4、图形界面设计这里不作关系介绍了。5 结论 本文设计的方案主要是结合了嵌入式平台和DSP技术的特点，很好的满足了电网监控系统的要求，设计了DSP外部存储器的扩展电路，LCD电路，A/D、D/A电路，键盘电路，在RTLinux环境下自定制了操作系统。6 参考文献 1、彭洲红等人 嵌入式电网监控系统的设计 2005 2、羊剑 郑华耀 嵌入式平台和DSP技术在电力监控系统中的应用研究 2005 3、邵贝贝 嵌入式实时操作系统 北京：航空航天大学出版社，20034、王田苗 嵌入式系统设计与实例开发 北京：清华大学出版社20035 毛德操等 Linux内核源代码情景分析杭州：浙江大学出版社，2001