0 引言
20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著電力供應(yīng)商品化、市場(chǎng)化的發(fā)展，國(guó)內(nèi)電力部門和電力用戶對(duì)電能質(zhì)量愈發(fā)重視。供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量高低，直接關(guān)系到供電系統(tǒng)能否安全運(yùn)行和用戶是否能夠安全用電。電力科研工作者們也正力圖根據(jù)供電系統(tǒng)的特點(diǎn)將電能質(zhì)量現(xiàn)象視為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行分類整理和研究，以給出符合供電系統(tǒng)實(shí)際情況的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并逐步開展綜合治理[1-3]。而對(duì)配電臺(tái)區(qū)電能供應(yīng)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)分析正是對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行治理從而提高電能質(zhì)量的前提。此外，對(duì)配電臺(tái)區(qū)電能供應(yīng)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)分析也可以為供電部門了解配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，降低電網(wǎng)損耗，制定最優(yōu)供電方案等提供科學(xué)、完整的依據(jù)[4]。因此，實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于圖形界面的配電臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)；并與佳木斯電業(yè)局合作，將本系統(tǒng)應(yīng)用到佳木斯供電局的配電系統(tǒng)中，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果，同時(shí)也提高了該局供電部門自動(dòng)化管理水平和配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。
1 系統(tǒng)的組成
配電臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)由電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置(下位機(jī))、數(shù)據(jù)分析工作站(上位機(jī))以及通訊網(wǎng)絡(luò)組成。
數(shù)據(jù)采集裝置安裝在配電臺(tái)區(qū)中的每一臺(tái)變壓器上。該裝置負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)變壓器的各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)，包括三相有功功率、三相無(wú)功功率、三相電壓、三相電流、頻率、三相功率因數(shù)、三相有功電度和無(wú)功電度、電流三相諧波和電壓三相諧波等數(shù)據(jù)。然后采用串行通信方式，通過(guò)有線或者無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行通信，上傳電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)分析工作站實(shí)質(zhì)上是一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。同樣也采用串行通信方式，獲取下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。然后通過(guò)后臺(tái)信息管理系統(tǒng)軟件對(duì)所采集到的各種電能質(zhì)量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和圖形化處理，為用戶提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)分析、歷史曲線繪制、極值記錄、電量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、供電可靠率統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)、電壓合格率統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)損分析等功能，并最終形成報(bào)表或曲線圖，打印輸出。該后臺(tái)信息管理系統(tǒng)軟件可在Windows9X/2000操作系統(tǒng)下運(yùn)行，并可以安裝在手提式PC機(jī)上運(yùn)行，構(gòu)成便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析設(shè)備。
此外，數(shù)據(jù)分析工作站還可以向下位機(jī)下傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置的初始化、對(duì)時(shí)和遠(yuǎn)程參數(shù)修改等管理功能。整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖1所示。
2 數(shù)據(jù)采集裝置
該裝置硬件系統(tǒng)主要由十六位單片機(jī)MC80C196為控制核心，高精度PT、CT電量變換，高速12位A/D摸數(shù)轉(zhuǎn)換，EPROM、大容量1兆字節(jié)FLASH MEMORY、鍵盤顯示、百年日歷時(shí)鐘、RS232、485串行接口、電源等部分組成。裝置的硬件原理圖如圖2所示。
被測(cè)線路的Ua、Ub 、Uc 、Ia、Ib、Ic信號(hào)按三表法接入裝置，精確地測(cè)量出三相四線制線路的各種電量。六路信號(hào)經(jīng)CT、PT變換后按三表法輸入到模擬開關(guān)上，由CPU控制模擬開關(guān)，選通某路輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。線路的6個(gè)信號(hào)輸入各自的采樣/保持器，這樣可以保證6個(gè)交流信號(hào)在同一時(shí)刻被采樣保持，滿足測(cè)量時(shí)對(duì)電流、電壓同性的要求。采集通道的A/D轉(zhuǎn)換器采用AD公司的分辨率12位的AD774，轉(zhuǎn)換時(shí)間25μs、轉(zhuǎn)換精度0.05%以保證裝置測(cè)量的準(zhǔn)確性。時(shí)鐘芯片采用DS12887內(nèi)置電池和晶振，直接掛在CPU的數(shù)據(jù)總線上，為裝置提供記錄電量的時(shí)刻及其它功能需要，為記憶保存大量的歷史數(shù)據(jù)裝置采用了兩片閃速存儲(chǔ)器FLASH-MEMORY AT29C040串行EEPROM，共1兆字節(jié)的記錄存儲(chǔ)空間，可整點(diǎn)記錄各電參數(shù)11個(gè)月。
該裝置采用交流采樣的方法，首先通過(guò)CPU高速輸入單元HSII測(cè)算出周波頻率，并由此得到采樣/保持器的控制頻率。CPU通過(guò)對(duì)一個(gè)周期Ｔ進(jìn)行32點(diǎn)分頻采樣，把時(shí)域內(nèi)采集到的電壓、電流信號(hào)、通過(guò)富氏算法計(jì)算直接獲取電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及電網(wǎng)工頻等電量。富氏算法可有效抑制零點(diǎn)的漂移，保證功率測(cè)量精度不受電網(wǎng)對(duì)稱度的影響。
3 后臺(tái)信息管理系統(tǒng)軟件
以往的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其后臺(tái)軟件大多以對(duì)話框?yàn)橹饕娜藱C(jī)對(duì)話界面，用戶直接面對(duì)數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)整個(gè)配電臺(tái)區(qū)的線路和配電變壓器的分布情況有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)和了解。
在本系統(tǒng)中，應(yīng)用目前比較流行的可視化編程語(yǔ)言Visual C++6.0，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了不同于以往的基于圖形界面的后臺(tái)信息管理系統(tǒng)軟件[5]。整套軟件以配電臺(tái)區(qū)的接線圖為主要的操作界面，改善了信息管理系統(tǒng)的人機(jī)交互性。用戶通過(guò)圖形化的操作界面可以直觀的了解配電臺(tái)區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)可直接從圖中選擇要進(jìn)行分析的配電變壓器，操作簡(jiǎn)單方便，易學(xué)易用。
本信息管理系統(tǒng)軟件包括用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊和數(shù)據(jù)記錄顯示模塊。其中以圖形界面(配電臺(tái)區(qū)接線圖)作為前臺(tái)，通過(guò)ODBC(Open DataBase Connectivity 開放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接)接口訪問(wèn)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。全系統(tǒng)按模塊掛接方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能的連接，這樣既便于對(duì)系統(tǒng)功能的維護(hù)改進(jìn)，也易于對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)試和統(tǒng)一管理。整個(gè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3.1 用戶登錄模塊
用戶在該模塊中輸入用戶名和口令。只有輸入注冊(cè)過(guò)的有效用戶名和口令，并依據(jù)用戶權(quán)限才能啟動(dòng)相應(yīng)的功能模塊。全系統(tǒng)設(shè)置2級(jí)密碼管理：系統(tǒng)管理員和一般用戶。系統(tǒng)管理員可為一般用戶開戶并分配初始密碼。一般用戶可以應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，但無(wú)權(quán)使用系統(tǒng)維護(hù)模塊。系統(tǒng)維護(hù)模塊只對(duì)系統(tǒng)管理員開放。
3.2 圖形界面
圖形化的操作界面是本軟件的一大特色。在以配電臺(tái)區(qū)接線圖為主的操作界面上，用戶可通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊直接從圖中選擇配電變壓器，操作極為方便、直觀。
整張主接線圖是由多個(gè)功能相互獨(dú)立的圖形繪制、拼結(jié)而成的。最基本的功能單位就是這些圖形，在本文中稱之為圖元。在軟件設(shè)計(jì)中首先定義了一個(gè)虛基類 CEntity,并將該類作為一個(gè)父類。然后利用繼承的方法，由該類派生出各個(gè)圖元子類，例如變壓器類 CTran，斷路器類 CBreaker，開關(guān)類 CSwitch，線路類 CLine等等。接線圖中的所有圖元就是這些由圖元類所派生的具體的多個(gè)對(duì)象。
這些類之間的派生關(guān)系如圖4所示。
其次在圖元基類中定義了多個(gè)虛函數(shù)，作為成員函數(shù)一一對(duì)應(yīng)相應(yīng)的圖元所具有的各項(xiàng)功能。例如圖元的拖動(dòng)、繪制、確定響應(yīng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊的有效區(qū)域以及連接數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入各項(xiàng)參數(shù)等等。在各個(gè)圖元基類的派生類中，會(huì)重載這些虛函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)派生類的具體方法。
最后應(yīng)用了一個(gè)鏈表將所有的圖元連接起來(lái)，形成了一個(gè)圖元對(duì)象串。在實(shí)現(xiàn)各個(gè)圖元的具體功能時(shí)，程序中并沒有具體的直接去調(diào)用相應(yīng)圖元類的成員函數(shù)，而是調(diào)用了虛基類的虛函數(shù)，然后利用動(dòng)態(tài)聯(lián)編技術(shù)，由系統(tǒng)自動(dòng)判斷該圖元所屬的圖元類，并調(diào)用相應(yīng)圖元類的成員函數(shù)。這樣就避免了在程序編寫時(shí)加入大量的 if...then...的判斷語(yǔ)句，而將判斷工作交由系統(tǒng)自動(dòng)完成，這樣既減少了代碼量，又提高了程序的執(zhí)行效率，充分體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)聯(lián)編技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
3.3 系統(tǒng)維護(hù)模塊
本模塊只對(duì)系統(tǒng)管理員開放。該模塊提供一個(gè)繪圖工具箱，系統(tǒng)管理員可以從中選擇所需的設(shè)備圖元，包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、母線等等。并提供圖元的剪切，拷貝，復(fù)制，粘帖，移動(dòng)，變色功能和全圖縮放功能。在繪圖過(guò)程中，還可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖元，彈出數(shù)據(jù)輸入對(duì)話框，輸入設(shè)備參數(shù)。而且所輸入的數(shù)據(jù)將直接存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外，系統(tǒng)管理員還可以向數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送指令，修正下位機(jī)的參數(shù)，完成設(shè)備對(duì)時(shí)和初始化。
3.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析模塊
本模塊主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示分析和綜合分析三大功能。
(a) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示?？梢詮臄?shù)據(jù)采集裝置中讀取并實(shí)時(shí)顯示三相有功功率、三相無(wú)功功率、三相電壓、三相電流、頻率、三相功率因數(shù)、三相有功電度和無(wú)功電度、諧波、不平衡度及負(fù)荷率等數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶需要，還可以繪制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。
本模塊設(shè)計(jì)思路是首先根據(jù)用戶所選擇變壓器的編號(hào)，按照通信協(xié)議向數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送指令。數(shù)據(jù)采集裝置收到指令后做出響應(yīng)，上傳對(duì)應(yīng)變壓器的各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)，此后每隔一秒鐘重新上傳一次數(shù)據(jù)。上位機(jī)獲取數(shù)據(jù)后首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)無(wú)誤后對(duì)數(shù)據(jù)分幀，獲取三相有功功率、三相無(wú)功功率、三相電壓、三相電流、頻率、三相功率因數(shù)、三相有功電度和無(wú)功電度數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)顯示在指定的對(duì)話框中。
(b) 歷史數(shù)據(jù)顯示分析。根據(jù)用戶選擇，可以從數(shù)據(jù)采集裝置中讀取并顯示某一時(shí)間段內(nèi)或者某兩個(gè)數(shù)據(jù)記錄序號(hào)之間的所有歷史記錄。通過(guò)ODBC接口連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，將歷史記錄存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。能按照日、月、年以及峰值、谷值、均值分別統(tǒng)計(jì)和處理歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示、打印電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的曲線圖和報(bào)表。
在設(shè)計(jì)思路上與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊類似，首先根據(jù)用戶所選擇變壓器的編號(hào)以及所選擇的歷史記錄查詢區(qū)間，按照通信協(xié)議向數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送指令。數(shù)據(jù)采集裝置收到指令后做出響應(yīng)，上傳對(duì)應(yīng)符合查詢條件的變壓器電能質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)。上位機(jī)獲取數(shù)據(jù)后首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)無(wú)誤后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀、顯示和存儲(chǔ)。
(c) 綜合分析。根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)記錄，計(jì)算、分析用戶指定時(shí)間段內(nèi)的多項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)，包括電度總計(jì)、電壓極值記錄、電流極值記錄、停電記錄、電壓合格率、負(fù)荷率、供電可靠率和線損率。最終形成綜合分析報(bào)表，打印輸出。
3.5 數(shù)據(jù)記錄顯示模塊
本模塊通過(guò)ODBC接口訪問(wèn)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以直接應(yīng)用本模塊查看后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有數(shù)據(jù)記錄，而不必進(jìn)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)操作環(huán)境。
4 通信的實(shí)現(xiàn)
4.1 通信方式
本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集裝置可以對(duì)配電變壓器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、計(jì)算和存儲(chǔ)，并具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。數(shù)據(jù)傳輸方式有以下幾種。
(a) 采用RS232總線接口。RS232是一種較簡(jiǎn)單的通信標(biāo)準(zhǔn)。由于其數(shù)據(jù)傳輸速率小(<20Kbit/s),傳輸距離短(<15m),所以該種方式適于在使用手提式PC機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)用。
(b) 采用RS485總線接口。相對(duì)于RS232總線，RS485總線的傳輸距離遠(yuǎn)，最多可1.2KM，速度最高可達(dá)到10Mbit/s,可作為標(biāo)準(zhǔn)的有線傳輸方式。
(c) 應(yīng)用已有的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。相比于有線方式，無(wú)線通信更加快捷、經(jīng)濟(jì)。
(d) 使用手抄器。在現(xiàn)場(chǎng)抄錄數(shù)據(jù)采集裝置中的數(shù)據(jù)，再由手抄器將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)中。
4.2 通信程序
本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間數(shù)據(jù)通信的程序也是應(yīng)用Visual C++6.0開發(fā)的。并且融合到了后臺(tái)信息管理系統(tǒng)軟件中。該部分程序采用功能強(qiáng)大、靈活的Win32API函數(shù)，以異步方式，實(shí)現(xiàn)串口通信功能[6]。并且應(yīng)用了多線程技術(shù)，在輔助線程中完成數(shù)據(jù)傳送，在主線程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理。輔助線程并不影響主線程的運(yùn)行，主線程還可以控制輔助線程的運(yùn)行，從而提高了程序的可靠性和執(zhí)行效率。
5 結(jié)語(yǔ)
本文所給出的基于圖形界面的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容和分析功能可以滿足配電臺(tái)區(qū)實(shí)際的應(yīng)用要求。其最大特點(diǎn)就是后臺(tái)信息管理系統(tǒng)軟件以配電臺(tái)區(qū)的接線圖為主要的操作界面，大大提高了界面友好性。目前，該系統(tǒng)已在佳木斯電業(yè)局的配電系統(tǒng)中得到成功的應(yīng)用，并在多個(gè)供電局中得到推廣。