基于Web和LabVIEW的断路器远程监控系统

王承宇 陈宇晨 侯 昀 陈卫兰 潘宇婷

(1.上海工程技术大学，上海 201620；2.上海市电力公司，上海 200122；3.南方电网乐昌供电局，广东 乐昌 512200)

网络通信技术的快速发展使得基于网络的远程通信、控制在日常生活和工业中的应用日益普遍。基于Web的远程监控系统对远程客户端要求低，再加上互联网技术的普及，它将会更广泛地应用到工业设备远程监控、智能电网、物联网、智能楼宇及远程安防监控系统等上[1]。虚拟仪器具有丰富的软件功能、简单的硬件结构及智能化程度高等特点[2]，以虚拟仪器技术为平台建立的断路器监测系统能够克服传统的测试测量系统功能单一及升级复杂等缺点，并且可以使功能更强、精度更高、速度更快、自动化程度更高、灵活性更强。

1 系统的体系结构①

为了实现不同位置的断路器与监控层之间的通信、网络连接和控制，笔者融合了Web服务器、嵌入式系统和LabVIEW上位机软件的设计思想[3]，开发了基于Web的断路器远程监控系统。该系统一方面可以通过浏览器登录到Web服务器，从而对嵌入式Web服务器进行相应的监控，另一方面可以对多台断路器的运行参数进行处理、存储、显示和分析。其系统拓扑结构如图1所示。

采用分层思想设计断路器远程监控系统，系统的层次结构可以分为现场设备层、管理层和远程监控层(图2)。

现场设备层将线上电压、电流经过互感器变为小信号后经过外部处理电路，在A/D转换芯片转换送入ARM芯片，然后通过STM32芯片进行通信，控制其输出、输入。

图1 系统拓扑结构框图

图2 系统层次示意图

管理层采用以太网进行连接，使用嵌入式服务器技术将网络和管理主控单元、备用主控单元连接，管理层充当现场设备层和远程监控层的媒介，完成它们间信息交换。

远程监控层接收来自管理层的数据。通过LabVIEW上位机软件对现场断路器的运行状况进行监测，并对运行参数进行分析，通过网络连接实现与现场断路器之间的信息交换、远程监测和控制。

笔者将交换的信息分为两类：数据流和控制流[4]。数据流由现场设备层传至远程监控层，控制流由远程监控层发出直达现场设别层。层次越高对集成信息的要求越高，层次越低对现场运行设备的占空比要求越小。

2 现场设备层的设计

现场设备层处于系统的最底层，是系统数据流的来源和控制流的接受者。其基本任务是实时不间断地对电网的电压、电流进行采集，将采集的参数进行相应的处理并传输至管理层，远程监控层。在电网发生故障(如三相不平衡、短路、过载及接地等现象)时，断路器能迅速可靠地进行保护。

2.1 硬件系统设计

断路器控制器具有电流保护、距离保护、零序保护、环网常闭、环网常开、自动重合、故障录波及故障测距等功能[5]。线上电压、电流经过采样模块里的互感器变为小信号，经过其内部处理电路进入A/D转换芯片(MCP3201)，然后通过控制芯片STM32F103ZET6进行通信，控制其输出、输入。A/D转换采用连续扫描的方式，便于不间断地采集信号，并传输至控制芯片。控制器与开关本体通过控制电缆和航空插件进行电气连接，实现保护和自动监控功能。控制器还配有通信模块(以太网控制芯片ENC28J60)，通过网络将数据传输至管理层、远程监控层。当电网发生故障时通过单片机控制执行机构实现断路器的闭合闸。

图3所示为现场设备层主框架，该装置共分为3部分：主板(包含主控制芯片、通信模块、保护模块和显示模块)；输入部分(采样模块含有电压、电流互感器，滤波和采样保持电路)；输出部分(隔离装置、继电器或者MOSFET、单片机控制合闸和分闸)

图3 现场设备层主框架示意图

现场设备层可配合10kV真空断路器，用于10kV线路及电器设备等的保护、控制。控制器集保护、控制单元于一体。

2.2 操作系统的选择

搭建好嵌入式硬件系统后，为了使硬件达到系统的最优控制要求，引入操作系统，程序运行时可以把一个应用流程分割为多个任务，操作系统根据任务的优先级，通过调度器使CPU分时执行各个任务，保证每个任务都能得到运行。若调度方法优良，则可使任务并行执行，减少CPU的空闲时间，提高CPU的利用率。笔者选择实时开发的操作系统μC/OS-II，它具有代码量少、移植简单及可裁剪等优点[6]。

3 管理层

管理层位于现场设备层与远程监控层之间，是信息交换的媒介。管理层与现场设备层通过以太网控制器联入网络，与远程监测层采用交换机进行数据交换和隔离，以达到隔离、减少冲突的目的。基于TCP/IP协议的以太网贯通于监控系统的各个层次，使用户决策与现场设备的控制集于一有机整体。

现场设备层还需要实现与网络之间的通信，嵌入式Web服务器将经过处理的数据流(主要是电流、电压信号)进行汇总，并将数据流通过交换机上传到主控单元和备用主控单元。主控单元对实时的数据流进行管理，当主控单元出现故障时，可由备用主控单元来代替其作用。嵌入式设备可响应远程监控层对数据的请求，监控层也可对数据进行处理，检测，并对嵌入式设备进行相应的控制。

现在通常使用的网络基本上都是采用TCP/IP协议，从协议分层模型方面来讲，TCP/IP由4个层次组成：网络接口层、网络层、传输层和应用层[7]。要将ARM芯片作为网页服务器，其程序是根据建立TCP应用流程(图4)编写的。当服务器开始监听连接时，远程监控端或浏览器就可以提出连接请求，然后嵌入式服务器做出响应。

4 远程监控层

远程监控层接收来自管理层的数据进行相应的处理、分析和控制。本系统中的远程控制层包括网络化控制与虚拟仪器技术。

网络化控制将现场设备层和管理层上传来的信息进行分析、处理和控制。笔者设计了结合Web服务器技术的嵌入式监控系统，该系统具有浏览交互式网页及对嵌入式平台进行监视和控制等功能。通过嵌入式Web服务器系统(图5)，用户可以通过HTTP协议方便地访问相应的嵌入式平台，进行有效监视的同时还可以进行实时控制，完成远程控制的功能。

图4 建立TCP应用流程

图5 嵌入式Web服务器体系结构框图

虚拟仪器是利用硬件系统(现场设备层)完成信号的采集、测量与调理，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机的显示器模拟传统仪器的控制面板，以各种形式输出检测结果，从而完成各种测试和显示功能[8]。LabVIEW上位机软件的功能是对电力系统运行中的参数进行监测和分析，上位机软件主要包括4个方面：登录界面的设计，包括用户名和密码；主界面整体设计；电流、电压实时显示模块；故障分析模块。

4.1 主界面

本系统提供了两个数据源(采集数据和仿真信号)，可通过面板上“读数据/仿真信号”布尔按钮进行切换。登录界面进入不同的断路器监控系统主界面，将断路器进行编号，方便我们识别不同位置的断路器。主界面有实时运行数据、电流与电压实时波形图和故障情况分析，通过软件的初步分析可以得知故障状态、故障原因，还有不同的保护信息显示。单个断路器监控系统主界面如图6所示。

图6 单个断路器监控系统主界面

4.2 电压、电流有效值测量

采集的三相电压、电流的原始数据通过网络传输至远程监控端，按列存储在数据文件“数据保存.xls”中，从左至右为电压信号(A相、B相和C相)和电流信号(A相、B相和C相)。每次采集5个周期，每个周期200个采样点。保存的数据通过“读取电子表格文件.vi”和条件结构的“0”帧中的6个“索引数组.vi”逐列读出。

图7是电压、电流有效值测量的框图程序。首先用“读取电子表格文件.vi”和“索引数组.vi”将数据按行读出[9]。本程序中用到了两个for循环，外for循环将读出的各相电压、电流信号以周期为单位送入到内for循环，在内for循环中，将输入的数据进行平方，然后将一个周期的200个数据的平方和相加，反馈输出至外for循环，再除以

图7 电压、电流有效值测量程序

一个周期的采样点数200，求取平方根，即得出了一个周期内电压、电流有效值。为了得到精确的数据，现场设备层采集了多个周期的数据，故在外for循环中又计算了多个周期的平均值。通过观察，在主面板上可以正确地显示三相电压、电流的有效值。

5 结束语

随着对电力系统运行要求的提高和网络技术的发展，远程监控系统必将得到很大发展。采用基于Web和LabVIEW的断路器远程监控系统，能有效检测断路器的运行参数，在上位机上进行显示，并对相应的现场设备进行管理、控制，具有很大的使用价值。