基于LabVIEW的无线电力管理系统设计与实现

2012-10-16苏巧平涂德凤

制造业自动化 2012年20期

苏巧平，刘原，涂德凤

（1.安徽新华学院电子通信工程学院，合肥 230088；2.安徽医学高等专科学校，合肥 230000）

0 引言

电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源，在现代社会中起着非常重要的作用。随着科技的进步和社会的发展，电力参数的测量也凸显出巨大的作用和意义，通过对电力参数及时、准确和可靠测量，科学调整电力供应控制策略，达到节能降耗和低碳环保的目的。本文基于ZigBee无线通信技术和设计实现了分布在较大范围的电力参数精确采集和电力监控和管理决策支持系统的软硬件设计，适用于学校、智能楼宇、高层公寓、饭店、商厦、工矿企业、国家重点消防单位以及石油化工、文教卫生、金融和电信等领域用电的安全保护和电力供应控制策略。

1 无线电力管理系统工作原理

图1 无线电力管理系统结构图

无线电力管理系统由分布在较大范围的带有收发数据功能的电表（采集节点）、路由节点、协调器节点和监控室中的数据获取平台软件四部分组成。如图1所示。

在整个无线电力参数采集的网路中，协调器只有一个，路由节点和采集节点有多个。采集节点完成信息获取的任务。采集节点获取到数据后统一通过路由器节点发送到协调器节点。路由器节点是负责转发信息的设备，大大增加了ZigBee技术传输的距离范围。电力参数汇聚到协调器节点后，通过RS485总线传输到串口集线器，然后通过串口集线器将RS485信号转换为串口信号，传送到上位机控制平台，按照约定的通信协议经过数据解析然后将电力参数数据处理存入数据库，进行图形化和报表显示以及电力管理调度决策等功能。

1.1 硬件系统设计

本系统电力参数测量终端选用STC12C5A60S2单片机作为测量电参数的核心器件。三相电压通过电压互感器(TV)输入，三相计量电流通过电流互感器(TA)输入。电压和电流经过互感器后转换成二次侧电压小信号送入信号调理模块处理，调理成A/D采样所需的电压信号，送给单片机自带的A/D转换器进行采样及A/D转换，将转换后的结果存于单片机FLASH存储器中并实时发送数据给现场无线收发模块，无线发送数据。本硬件系统具有强大的数据采集和处理功能，实现对供电线路的三相电压、电流、频率、功率因素、有功功率、无功功率、电能、谐波等电参数的测量，系统框图如图1所示。其中有功功率、视在功率、功率因数和电能的计算是依据以下公式得出的。

1.2 Zigbee数据采集

ZigBee是一种低功耗近距离的无线组网通信技术。其特点是低功耗、近距离、低成本、复杂度低、自组织和低数据速率。应用场合包括自动控制和远程控制等领域，方便嵌入各种设备。

ZigBee通信模块和电力参数采集模块的主要工作任务是：建立无线传感器网络、将网络ID和自身的MAC、网络地址发送给协调器节点、协调器节点接收上位机发送来的指令，解析后做相应的处理后发送给其他网络设备、接收到其他设备的入网信息、接收到其它设备发送来的相关数据后发送给上位机。终端采集节点的任务有：启动后寻找网络并加入网络、接收协调器发来的相关命令，并处理后采集数据，发回给协调器。路由器的工作主要有两个：一是在网络中转发数据包，拓展网络的范围；二是当节点加入路由器后，通知协调器。整个系统信号链如图2所示。

图2 系统信号链示意图

2 电力管理系统软件设计

在电力管理系统设计过程中，作者尝试了第四代编程语言LabVIEW的使用，感受到了的快捷和高效。LabVIEW不仅可以快捷的实现数据采集和数据库操作，界面美观大方，程序可读性强，LabVIEW的使用也是今后软硬件平台使用的必然趋势，特别是涉及到串口通信、485通信、USB通信等，LabVIEW都提供了强大的工具包，大大提高了开发的效率。本系统是基于事件结构的多线程应用软件，本软件系统包括两部分任务，即后台数据采集解析、实时报警和数据库存储，前台包括电力参数数据的图形化显示、各种数据库查询操作、电能功耗分析和各种报表的生成等功能。系统框图如图3所示。

图3 系统框图

2.1 LabVIEW数据采集模块

LabVIEW数据采集包括写串口和读串口，电表采集电力参数数据时是连续不间断的，但是向上位机发送数据要等待上位机的发送数据命令，查询信息帧包括：设备地址码、寄存器信息码、功能代码、校准码。地址码表明要选中的从机设备；寄存器信息码包含了从设备要执行功能的任何附加信息，例如从何寄存器开始读及要读的寄存器数量；功能代码为被选中的从设备要执行何种功能，例如功能代码99是要求从设备读寄存器并返回寄存器的所有内容，本文中就是用的这一功能；校验码用来检验一帧信息的正确性，从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法，它采用CRC16的校准规则。CRC校验作为一个子VI被调用，为便于读者更好的理解程序的编写过程，图4为去掉循环和判断过程的串口写和读过程。其中串口的读写串口子VI均为嵌入式开发模块中的VI，性能可靠稳定。

读取串口数据首先根据通信协议进行数据解析，将解析到的14个电参数数据存储在14个局部变量中，图4中粉红色变量为局部变量。

图4 数据解析

在存储数据之前首先要进行数据源连接，LabVIEW可以直接将SQL语句送给ODBC。ODBC是微软公司开放服务结构中有关数据库的一个组成部分，它建立了一组规范，并提供了一组对数据库访问的标准API（应用程序编程接口）。这些API利用SQL来完成其大部分任务。ODBC本身也提供了对SQL语言的支持。图5是数据源的链接设置，通过此设置LabVIEW可以轻松地对于路径下的数据库表单进行相应的数据库操作。图6将存储在14个局部变量的数据捆绑为簇写入表名为tk的表中。

2.2 电力管理系统

图5 数据源链接设置

图6 数据入表程序

电力管理系统是C/S架构的软件系统，通过输入用户和密码即可进行分布在较大区域内电表的运行监视、电能质量分析、用电运行评估和火灾漏电分析等。系统运行基于消息事件，包括鼠标点击、进入、离开和双击。每个消息都对应相应的处理程序，程序编写方便，便于移植，易读性很强。以查询有功功率为例，点击水平方向的功率下拉菜单选择有功功率，程序便会执行图7的程序。