基于Web和LabVIEW的斷路器遠程監控系統

王承宇 陳宇晨 侯 昀 陳衛蘭 潘宇婷

(1.上海工程技術大學，上海 201620；2.上海市電力公司，上海 200122；3.南方電網樂昌供電局，廣東 樂昌 512200)

網絡通信技術的快速發展使得基于網絡的遠程通信、控制在日常生活和工業中的應用日益普遍。基于Web的遠程監控系統對遠程客戶端要求低，再加上互聯網技術的普及，它將會更廣泛地應用到工業設備遠程監控、智能電網、物聯網、智能樓宇及遠程安防監控系統等上[1]。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結構及智能化程度高等特點[2]，以虛擬儀器技術為平臺建立的斷路器監測系統能夠克服傳統的測試測量系統功能單一及升級復雜等缺點，并且可以使功能更強、精度更高、速度更快、自動化程度更高、靈活性更強。

1 系統的體系結構①

為了實現不同位置的斷路器與監控層之間的通信、網絡連接和控制，筆者融合了Web服務器、嵌入式系統和LabVIEW上位機軟件的設計思想[3]，開發了基于Web的斷路器遠程監控系統。該系統一方面可以通過瀏覽器登錄到Web服務器，從而對嵌入式Web服務器進行相應的監控，另一方面可以對多臺斷路器的運行參數進行處理、存儲、顯示和分析。其系統拓撲結構如圖1所示。

采用分層思想設計斷路器遠程監控系統，系統的層次結構可以分為現場設備層、管理層和遠程監控層(圖2)。

現場設備層將線上電壓、電流經過互感器變為小信號后經過外部處理電路，在A/D轉換芯片轉換送入ARM芯片，然后通過STM32芯片進行通信，控制其輸出、輸入。

圖1 系統拓撲結構框圖

圖2 系統層次示意圖

管理層采用以太網進行連接，使用嵌入式服務器技術將網絡和管理主控單元、備用主控單元連接，管理層充當現場設備層和遠程監控層的媒介，完成它們間信息交換。

遠程監控層接收來自管理層的數據。通過LabVIEW上位機軟件對現場斷路器的運行狀況進行監測，并對運行參數進行分析，通過網絡連接實現與現場斷路器之間的信息交換、遠程監測和控制。

筆者將交換的信息分為兩類：數據流和控制流[4]。數據流由現場設備層傳至遠程監控層，控制流由遠程監控層發出直達現場設別層。層次越高對集成信息的要求越高，層次越低對現場運行設備的占空比要求越小。

2 現場設備層的設計

現場設備層處于系統的最底層，是系統數據流的來源和控制流的接受者。其基本任務是實時不間斷地對電網的電壓、電流進行采集，將采集的參數進行相應的處理并傳輸至管理層，遠程監控層。在電網發生故障(如三相不平衡、短路、過載及接地等現象)時，斷路器能迅速可靠地進行保護。

2.1 硬件系統設計

斷路器控制器具有電流保護、距離保護、零序保護、環網常閉、環網常開、自動重合、故障錄波及故障測距等功能[5]。線上電壓、電流經過采樣模塊里的互感器變為小信號，經過其內部處理電路進入A/D轉換芯片(MCP3201)，然后通過控制芯片STM32F103ZET6進行通信，控制其輸出、輸入。A/D轉換采用連續掃描的方式，便于不間斷地采集信號，并傳輸至控制芯片。控制器與開關本體通過控制電纜和航空插件進行電氣連接，實現保護和自動監控功能。控制器還配有通信模塊(以太網控制芯片ENC28J60)，通過網絡將數據傳輸至管理層、遠程監控層。當電網發生故障時通過單片機控制執行機構實現斷路器的閉合閘。

圖3所示為現場設備層主框架，該裝置共分為3部分：主板(包含主控制芯片、通信模塊、保護模塊和顯示模塊)；輸入部分(采樣模塊含有電壓、電流互感器，濾波和采樣保持電路)；輸出部分(隔離裝置、繼電器或者MOSFET、單片機控制合閘和分閘)

圖3 現場設備層主框架示意圖

現場設備層可配合10kV真空斷路器，用于10kV線路及電器設備等的保護、控制。控制器集保護、控制單元于一體。

2.2 操作系統的選擇

搭建好嵌入式硬件系統后，為了使硬件達到系統的最優控制要求，引入操作系統，程序運行時可以把一個應用流程分割為多個任務，操作系統根據任務的優先級，通過調度器使CPU分時執行各個任務，保證每個任務都能得到運行。若調度方法優良，則可使任務并行執行，減少CPU的空閑時間，提高CPU的利用率。筆者選擇實時開發的操作系統μC/OS-II，它具有代碼量少、移植簡單及可裁剪等優點[6]。

3 管理層

管理層位于現場設備層與遠程監控層之間，是信息交換的媒介。管理層與現場設備層通過以太網控制器聯入網絡，與遠程監測層采用交換機進行數據交換和隔離，以達到隔離、減少沖突的目的。基于TCP/IP協議的以太網貫通于監控系統的各個層次，使用戶決策與現場設備的控制集于一有機整體。

現場設備層還需要實現與網絡之間的通信，嵌入式Web服務器將經過處理的數據流(主要是電流、電壓信號)進行匯總，并將數據流通過交換機上傳到主控單元和備用主控單元。主控單元對實時的數據流進行管理，當主控單元出現故障時，可由備用主控單元來代替其作用。嵌入式設備可響應遠程監控層對數據的請求，監控層也可對數據進行處理，檢測，并對嵌入式設備進行相應的控制。

現在通常使用的網絡基本上都是采用TCP/IP協議，從協議分層模型方面來講，TCP/IP由4個層次組成：網絡接口層、網絡層、傳輸層和應用層[7]。要將ARM芯片作為網頁服務器，其程序是根據建立TCP應用流程(圖4)編寫的。當服務器開始監聽連接時，遠程監控端或瀏覽器就可以提出連接請求，然后嵌入式服務器做出響應。

4 遠程監控層

遠程監控層接收來自管理層的數據進行相應的處理、分析和控制。本系統中的遠程控制層包括網絡化控制與虛擬儀器技術。

網絡化控制將現場設備層和管理層上傳來的信息進行分析、處理和控制。筆者設計了結合Web服務器技術的嵌入式監控系統，該系統具有瀏覽交互式網頁及對嵌入式平臺進行監視和控制等功能。通過嵌入式Web服務器系統(圖5)，用戶可以通過HTTP協議方便地訪問相應的嵌入式平臺，進行有效監視的同時還可以進行實時控制，完成遠程控制的功能。

圖4 建立TCP應用流程

圖5 嵌入式Web服務器體系結構框圖

虛擬儀器是利用硬件系統(現場設備層)完成信號的采集、測量與調理，利用計算機強大的軟件功能實現信號數據的運算、分析和處理，利用計算機的顯示器模擬傳統儀器的控制面板，以各種形式輸出檢測結果，從而完成各種測試和顯示功能[8]。LabVIEW上位機軟件的功能是對電力系統運行中的參數進行監測和分析，上位機軟件主要包括4個方面：登錄界面的設計，包括用戶名和密碼；主界面整體設計；電流、電壓實時顯示模塊；故障分析模塊。

4.1 主界面

本系統提供了兩個數據源(采集數據和仿真信號)，可通過面板上“讀數據/仿真信號”布爾按鈕進行切換。登錄界面進入不同的斷路器監控系統主界面，將斷路器進行編號，方便我們識別不同位置的斷路器。主界面有實時運行數據、電流與電壓實時波形圖和故障情況分析，通過軟件的初步分析可以得知故障狀態、故障原因，還有不同的保護信息顯示。單個斷路器監控系統主界面如圖6所示。

圖6 單個斷路器監控系統主界面

4.2 電壓、電流有效值測量

采集的三相電壓、電流的原始數據通過網絡傳輸至遠程監控端，按列存儲在數據文件“數據保存.xls”中，從左至右為電壓信號(A相、B相和C相)和電流信號(A相、B相和C相)。每次采集5個周期，每個周期200個采樣點。保存的數據通過“讀取電子表格文件.vi”和條件結構的“0”幀中的6個“索引數組.vi”逐列讀出。

圖7是電壓、電流有效值測量的框圖程序。首先用“讀取電子表格文件.vi”和“索引數組.vi”將數據按行讀出[9]。本程序中用到了兩個for循環，外for循環將讀出的各相電壓、電流信號以周期為單位送入到內for循環，在內for循環中，將輸入的數據進行平方，然后將一個周期的200個數據的平方和相加，反饋輸出至外for循環，再除以

圖7 電壓、電流有效值測量程序

一個周期的采樣點數200，求取平方根，即得出了一個周期內電壓、電流有效值。為了得到精確的數據，現場設備層采集了多個周期的數據，故在外for循環中又計算了多個周期的平均值。通過觀察，在主面板上可以正確地顯示三相電壓、電流的有效值。

5 結束語

隨著對電力系統運行要求的提高和網絡技術的發展，遠程監控系統必將得到很大發展。采用基于Web和LabVIEW的斷路器遠程監控系統，能有效檢測斷路器的運行參數，在上位機上進行顯示，并對相應的現場設備進行管理、控制，具有很大的使用價值。