基于虛擬儀器的高分辨率ＳｏＥ系統設計研究

2008-04-12 00:00:00喬記平呂玉祥胡海林

現代電子技術 2008年20期

摘要：事件順序記錄系統可監測電廠事故發生前后的運行狀態，其性能直接影響事故分析的及時性和準確性。將單片機實現數據采集的靈活性與LabVIEW的海量數據分析處理能力相結合，研究巨型開關量SoE系統的硬件與軟件設計。數據采集和數據分析功能的分離，大幅降低了硬件設計的復雜程度，提高了SoE系統的分辨率，為建立SoE電網故障分析系統提供一種新的設計思路。

關鍵詞：LabVIEW；高分辨率；巨型開關量；事件順序記錄；時鐘同步

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2008)2017503

Study on the Design of SoE System with High Resolving Capability

Based on Virtual Instrument

QIAO Jiping，LV Yuxiang，HU Hailin

(Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024，China)

Abstract：Sequence of Event (SoE) system can monitor the running state of power plants when accident happens，the performance of SoE directly affect timeliness and accuracy of the accident analysis.Based on combining the agile of data acquisition with single chip computer with the analysis capability of substantive data with LabVIEW，the design of hardware and software of a SoE system is studied in this paper.Owing to the separate function of data acquisition and data analysis，the complexity of hardware design is reduced enormously，and the resolving capability is improved greatly，at the same time，a new way to design electric network malfunction analysis system is provided.

Keywords：LabVIEW；high resolving capability；substantive switchpoints；sequence of event；synchronous clock

1 引言

在電力系統中，SoE（Sequence of Event）事件順序記錄系統^［1］是調度人員正確處理事故、分析和判斷復雜電網故障的重要工具。其主要功能是將現場關聯設備的狀態變化按照發生的先后順序及時捕捉并加上時間標簽^［2］后傳送到調度主站，作為辨別電網故障的主要依據。目前的SoE系統大都是毫秒級的分辨率^［3，4］，當某一事件發生后，可能在同一時間間隔內出現的信息較多^［5］，不能分出先后順序，且監測端子一般較少，只覆蓋機組運行中最重要的開關量，隨著電網結構的日益復雜，供電企業對電網監控水平、事故分析判斷水平要求越來越高，因此要求SoE系統具有更多的監測端子和更高的分辨事件能力。

2 SoE系統概述

為了能更精確地獲取事件信息，為事故分析提供有力的證據，同時參照供電企業實際要求，所設計的SoE系統需同時監測500路開關量信號，并達到0.1 ms的分辨率。在設計中，多通道信號的同步采集和附加了時間標記的開關量數據的排序問題成為系統開發的瓶頸^［6］。在傳統的SoE系統中，受所用硬件系統的限制，在采集通道數目較多時，往往采用多組模塊經I/O擴展^［7，8］來達到通道數目的要求，而多組模塊之間采集信號時的同步要求^［9］會大幅增加軟硬件設計的難度，同時對巨型開關量數據的排序會大量占用系統資源，降低系統的實時性。

綜合以上問題，同時較大限度地降低系統的成本，擬采取如下設計方案：選擇單片機小系統作為下位機進行數據采集^［10］；通過USB口或串口通訊將數據傳送到計算機；在LabVIEW平臺下，對數據進行分析與處理，并對相關數據進行存儲、顯示和打印，實現一種在LabVIEW 環境下的單片機數據采集系統。

3 SoE系統的硬件構成

在信號輸入部分，輸入模塊接收來自外部設備的開關信號，經輸入模塊對輸入信號進行整形處理，進入光電隔離電路，形成CPU所能識別的脈沖信號。

服務節點主要負責開關量信號的采集與傳送，其構成框圖如圖1所示。

3.1 信號采集部分

（1） CPU的選取與時鐘同步

在單片機構成的下位機系統中，考慮到開關量信號地理位置分布比較集中，數據采集采用1塊時鐘頻率為100 MHz的混合信號ISP FLASH微控制器C8051F130通過I/O擴展實現500路信號的采集。由于在SoE系統中關注的是一系列記錄的先后動作順序，所以各分散節點必須使用嚴格同步的時鐘，否則各通道數據采集之間的時間延遲可能造成系統的紊亂，造成錯誤的輸出報表。該系統中時間同步信息由時間信息和同步脈沖2部分組成。時間信息指時鐘芯片DS12CR887提供的年月日及時分秒的時間信號，同步脈沖指由CPU通過定時器產生的每隔0.1ms產生的時鐘脈沖，通過對時鐘脈沖計數確定秒數量級以下的時間。在系統上電時，CPU初始化時鐘芯片、定時器及計數器，每0.1 ms產生的同步脈沖作為采集數據的觸發信號，達到數據采集的精確同步。

（2） I/O擴展

I/O擴展方面，采用多片擴展能力較強的芯片8255，實現對500路開關量信號的采集，8255由芯片IDT74LVC4245A驅動，同時該芯片可實現3.3 V與5 V信號之間的轉換，實現CPU與擴展芯片8255的連接，其選通由CPU通過譯碼器實現。

3.2 信號傳送部分

為了降低數據通訊對系統資源的占用，提高系統監測的實時性，采用另一CPU負責與上位機進行數據通訊，通信CPU通過串口或USB口與上位機進行連接。通訊過程如下：當系統監測到1次事件觸發后，通訊CPU從雙口RAM中讀出數據，將數據通過串口或USB口發給上位機。

4 SoE系統的軟件結構

根據SoE系統的硬件構成，其軟件結構也分為下位機部分與上位機部分。

4.1 下位機

下位機程序采用匯編語言編寫，其主要完成定時數據采集及數據發送工作。其中定時采樣的中斷頻率由定時器0的常數自動裝載16位計數器方式產生；波特率由定時器1 的方式1 產生；自定義軟件握手，握手信號可以隨意選擇一常數，如果單片機接收到的數據等于此常數，則表示握手成功，否則重新接收握手數據。

在系統上電復位后，根據各開關量的正常狀態將原始數據存入存儲器，同時在同步脈沖下將采集到的數據與初始狀態做比較，如果數據保持不變，說明各開關量的狀態沒有改變，系統重新采集數據；當接收到一個事件觸發數據時，就會按照該觸發事件時間標記將采集到的數據傳送到緩存器中，同時開始計時，如果在定義的時間內沒有其他事件到達，則完成1次SoE記錄，并將數據從緩存器中發送到雙口RAM中，再由通信CPU將數據從雙口RAM中調出，經匯總整理后，經網絡提交給上位機。其流程圖可簡單描述如圖2所示：

4.2 上位機

上位機的程序主要負責工作狀態的設置及數據處理與輸出，利用LabVIEW進行數據分析和人機交互界面的編制^［11］。采集數據經通訊CPU發往上位機后，經數據處理程序輸出結果，結果以事件發生的先后順序排序，報告相應開關量的狀態變化情況，同時將相關數據存入SQL數據庫，實現帶有時間標簽數據的永久保存，作為優化設計和分析故障的重要依據。由于在機組的日常運行中一些運行設備的切換是很正常的，例如磨和風機的切換，如果這些跳變也觸發產生SoE報表并打印，將造成系統資源的較大浪費^［12］。在實際應用中應以汽機跳閘等少數信號作為觸發信號產生SoE報表，并設置當這些量中的任何一個跳變后，向前追憶及向后追加記錄的個數，從而完整地反映出整個突發事故的全貌。

5 結語

基于單片機和LabVIEW的SoE系統，實現了低成本的數據采集系統架構，在實際開發中，LabVIEW表現出很強的靈活性。LabVIEW環境下的單片機數據采集系統將單片機用于數據采集的靈活性與LabVIEW強大的數據分析處理能力相結合，可廣泛用于測控領域。

參考文獻

［1］樊大飛，陳曉，麥云飛.西門子PCS7的SoE功能的實現及應用［J］.工業控制計算機，2006(1):77-78.

［2］周斌，魯國剛，黃國方.變電站遠動裝置SoE時間標注方法分析［J］.江蘇電機工程，2007(1):61-62.

［3］程保華.惠州垃圾焚燒電廠汽機ETS系統中SoE 1ms功能的實現［J］.電力行業應用，2007(5):117-120.

［4］劉文豐，傅強.幾種分散控制系統的SoE性能測試比較［J］.華中電力，2005(6):35-38.

［5］王洪哲，王榮茂.提高SoE信息真實性的探討［J］.東北電力技術，2005(2):25-28.

［6］陳繼明.基于LabWindows/CVI的電力系統故障錄波器的開發［J］.儀表技術與傳感器，2004(4):8，26.

［7］張崇明，曲興華.基于PLC的SoE虛擬儀器系統的設計與實現［J］.制造業自動化，1999(10):26-28.

［8］王素云.橫河DCS系統中SoE的應用［J］.工業控制計算機，2007，20(11):78，87.

［9］熊凱.火電廠DCS的SoE網絡時鐘同步設置方法［J］.熱力發電，2006(7):54-55.