嵌入式电力监控系统研究

刘胜凯

（新疆特变电工楼兰新能源有限公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841899）

0 引 言

在火电厂的集控运行中，监控系统起着至关重要的作用，能够对各个子系统进行实时监测和操作管理，保证设备的正常运行与优化调度。然而，传统的监控系统存在一些问题，如硬件设备庞大、维护成本高、响应速度慢等。为了解决这些问题，嵌入式技术被引入到电力控制系统，实现了集控运行的智能化和高效化。嵌入式监控系统具有体积小、功耗低、性能高等优点，能够满足火电厂集控运行对于实时性、可靠性以及灵活性的需求。

1 嵌入式电力监控系统的介绍

嵌入式电力监控系统通常采用分层的结构，包括信号采集层、数据处理层、监控控制层、界面管理层，以实现对电力设备和系统的实时监测、数据采集以及状态管理。信号采集层是监控系统的底层，负责采集电力设备的电压、电流、温度、湿度等参数和信号。通过传感器将其转化为数字信号，并发送给上层的数据处理单元。数据处理层接收信号采集层传来的数据，进行数据处理、分析和存储。监控控制层是监控系统的核心部分，负责实时监测和控制电力设备的运行状态与参数。它通过与信号采集层和数据处理层交互，获取设备的实时数据，进行监测、报警和故障诊断。界面管理层提供用户交互界面，使操作人员能够直观地监视和控制电力设备的运行，便于操作人员查看设备状态、报警信息以及历史数据。此外，界面管理层还负责对监控系统进行配置、管理和维护。

2 嵌入式电力监控系统的终端结构

嵌入式电力监控系统是一种应用于电力领域的特定嵌入式系统，用于实现对电力设备和系统的监测、控制以及管理。它集成了硬件平台、软件系统和通信技术，具备实时性、可靠性、灵活性等特点，能够提高电力设备的效率、安全性以及可靠性。嵌入式电力监控系统的终端结构如图1 所示。

图1 嵌入式电力监控系统的终端结构

终端是嵌入式电力监控系统的用户界面，通过终端可以对系统进行监控和控制，实时显示电力设备的运行状态、报警信息、参数设置等，同时也可以进行操作指令的下发和系统配置。测控设备是嵌入式电力控制系统的核心组成部分，包括传感器、执行器、控制器。传感器用于监测电力设备的各种物理量，如电压、电流、温度、湿度等，将其转换为电信号后传输给系统。执行器则根据系统的控制指令，对电力设备进行调节和控制。控制器是嵌入式电力控制系统的中央处理单元，负责接收和处理来自测控设备的数据，并根据预设的算法和逻辑进行运算与决策，具备较强的计算能力和实时性能，能够实现对电力设备的智能控制和管理。液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）是嵌入式电力控制系统的输出设备之一，用于实时显示电力设备的运行状态、报警信息、参数设置等[1]。LCD 显示屏可以与终端相结合，提供直观的图形化界面，方便操作人员对系统进行监视和操作。

3 嵌入式电力监控系统的模块构成

嵌入式电力监控系统的模块构成如图2 所示。

图2 嵌入式电力监控系统的模块构成

数据字典组件用于定义和管理监控系统中所使用的数据项、参数以及信号。数据字典包括各个设备的名称、标识符、数据类型、单位等信息，以便于后续的数据采集和处理。子站状态查看组件用于实时监视和显示各个子站的运行状态。通过该模块，操作人员可以查看子站的连接状态、通信质量、设备状态等信息，以便及时发现和处理异常情况[2]。历史数据服务组件用于存储和查询历史数据。监控系统会将采集到的数据存储在数据库，操作人员可以通过该模块查询和分析历史数据，了解设备的运行趋势和性能指标。实时数据服务组件用于实时采集和传输设备的实时数据，包括各种参数和信号，如电流、电压、温度等。该模块负责与传感器层进行数据交互，并将实时数据传输给上位机或其他子系统。通信组件用于与其他子系统或上位机进行数据通信和交互，负责与其他系统建立连接、传输数据和接收指令，以实现监控系统与其他系统的数据共享和协同工作[3]。

4 嵌入式电力监控系统软件设计

4.1 数据字典的建立

在嵌入式电力监控系统中，建立数据字典是非常重要的一步。数据字典用于定义和管理系统中所使用的各种数据项、参数以及信号，为数据采集、处理和显示提供便利。首先，需要明确系统中需要监测和控制的各种数据项，如电压、电流、温度等。根据实际需求和设备特点，列出所有需要采集和处理的数据项。对每个数据项进行数据类型的定义，如整数、浮点数、布尔值等。其次，还需要定义数据的单位，将数据项按照不同的功能或设备进行分组和分类，以便后续的数据处理和显示[4]。再次，对于需要进行报警的数据项，需要设定相应的报警阈值。当数据超过或低于设定的阈值时，系统会触发相应的报警机制，通知操作人员进行处理。最后，要为每个数据项分配唯一的标识符，用于在软件中进行数据的访问和处理。标识符可以使用简短且具有描述性的名称，方便开发人员在代码中使用，然后将数据字典进行文档化，包括数据项名称、数据类型、单位、报警阈值等信息。这样可以方便开发人员和维护人员查阅与使用，也有助于系统的维护和升级。

4.2 数据库设计

在嵌入式电力监控系统的软件设计中，数据库设计是一个关键的环节。数据库用于存储和管理监控系统中采集到的实时数据与历史数据，提供数据查询、分析以及报表生成等功能。首先，根据系统的需求和数据字典，确定需要创建的数据表。每个数据表对应一个特定的数据项或参数。例如，可以创建一个名为“Voltage”的数据表用于存储电压数据，创建一个名为“Temperature”的数据表用于存储温度数据。其次，为每个数据表定义相应的字段。字段表示数据表中的列，用于存储具体的数据。字段的类型应与数据字典中定义的数据类型相匹配。还要为每个数据表选择合适的主键。主键用于唯一标识数据表中的每一行记录。一般来说，设备编号和时间戳可以组成一个复合主键，以确保每个数据点的唯一性。最后，要根据系统的查询需求，考虑为某些字段添加索引。索引可以提高数据查询的速度和效率。通常情况下，主键字段和常用查询的字段是索引的最好选择。如果数据表之间存在关联关系，则需要设计相应的关系[5]。

4.3 监控数据采集

在嵌入式电力监控系统的软件设计中，监控数据采集是一个关键的环节，主要涉及以下几个方面。首先，要对传感器进行选择并连接，根据监测的具体需求，选择合适的传感器进行数据采集，包括温度传感器、电流传感器、电压传感器等；监测不同的物理量。其次，需要确定数据采集的频率与精度，根据实际需求和系统要求，选择合适的采样频率。有些参数可能需要高频率采样，而其他参数可能只需要低频率采样。数据采集精度取决于传感器的性能和系统要求。对于某些应用，可能需要更高的精度以确保数据的准确性。再次，要对数据进行处理与存储，对采集到的原始数据进行处理和校正。通过滤波、去噪、线性化等处理方法，以提高数据的质量和可靠性[6]。最后，实现异常检测和报警，对采集到的数据进行异常检测，并触发相应的报警机制。当监测到异常情况时，系统可以自动发送报警通知，或触发其他相应的处理措施。

5 嵌入式电力监控系统的硬件技术

嵌入式电力监控系统通常采用嵌入式处理器作为核心处理单元，如ARM Cortex 系列处理器。这些处理器具有低功耗、高性能等特点，能够满足电力监控系统的实时性和计算要求。传感器是硬件中的重要组成部分，用于采集电力设备的各种物理量，常用的传感器包括霍尔传感器、电流互感器（Current Transformer，CT）、电压互感器（Potential Transformer，PT）等。为了实现远程监控和控制，需要使用各种通信模块，如以太网模块、无线通信模块（如Wi-Fi、蓝牙、LoRa）等。针对实时数据和历史数据的存储，需要相应的存储器。常用的存储器包括闪存、SD 卡、硬盘等，根据数据量和读写速度要求选择合适的存储介质。此外，嵌入式电力监控系统通常需要提供实时数据的显示和用户交互接口。这可以通过LCD 显示屏、触摸屏、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）指示灯等实现，以方便操作人员进行监控和控制。

6 结 论

基于嵌入式的电力监控系统研究，是当前电力领域中的重要课题。通过嵌入式技术的应用，可以实现对电力设备和系统的实时监测、数据采集、远程控制，为电力系统的安全性、效率以及可靠性提供了有效的支持。基于嵌入式电力监控系统研究将继续推动电力行业的发展和创新。通过不断深入研究和应用，有望实现对电力设备和系统的智能监控与管理，为电力行业的可持续发展做出更大的贡献。