基于圖形界面的配電臺區電能質量監測分析系統的設計與實現

在討論配電臺區電能質量監測分析必要性的基礎上，給出了一種基于圖形界面的電能質量監測分析系統。該系統由電能質量數據采集裝置和數據分析工作站組成，其中的數據分析工作站配備有應用Visual C++6.0開發的圖形化后臺信息管理系統軟件。該軟件以配電臺區接線圖為主要的操作界面，不同于以往的以對話框為主的用戶界面；人機交互性好，操作直觀、簡便。本文主要介紹了系統的組成、功能、設計實現方法以及系統的應用情況。
??? 關鍵詞：電能質量；監測分析；圖形化；Visual C++6.0

Design and implementation of power quality monitoring and analyzing system for distribution netword based on graphical user interface

LI Guo-qing¹,WANG Zhen-bao¹,LI Hong -zhong²,ZHAO Li³,XU Guo-fu³,WANG Bap-jun³

(1.Northeast China Institute of Electric Power Engineering,Jilin 132012,China;2.Department of Electric Engineering,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,China;3.Jiamusi Power Bureau,Jiamusi 154002,China)

??? Abstract: The necessity of power quality monitoring and analyzing for distribution network is discussed, and a monitoring and analyzing system based on graphical user interface is presented, which is composed of data collection unit and data analyzing workstation. An Information management system software based on graphical user interface which is programmed with Visual C++ 6.0 is installed on the workstation. The main user interface of the software is the connection layout of the distribution network, which improves the alternating capability between the user and the computer. The system structure, functions, design and implementation, and application instances are mainly introduced.
??? Key words: power quality, monitoring and analyzing, graphical user interface, Visual C++ 6.0

0? 引言
??? 20世紀90年代以來，隨著電力供應商品化、市場化的發展，國內電力部門和電力用戶對電能質量愈發重視。供電系統的電能質量高低，直接關系到供電系統能否安全運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供電系統的特點將電能質量現象視為一個整體來進行分類整理和研究，以給出符合供電系統實際情況的電能質量標準，并逐步開展綜合治理^[1-3]。而對配電臺區電能供應質量的監測分析正是對供電系統進行治理從而提高電能質量的前提。此外，對配電臺區電能供應質量的監測分析也可以為供電部門了解配電系統運行狀況，降低電網損耗，制定最優供電方案等提供科學、完整的依據^[4]。因此，實現配電臺區電能質量的自動監測與分析具有重要的理論和現實意義。
??? 本文根據現場的實際需要，設計并實現了基于圖形界面的配電臺區電能質量監測分析系統；并與佳木斯電業局合作，將本系統應用到佳木斯供電局的配電系統中，取得了良好的實際應用效果，同時也提高了該局供電部門自動化管理水平和配電網運行的安全可靠性。

1 系統的組成
??? 配電臺區電能質量監測分析系統由電能質量數據采集裝置(下位機)、數據分析工作站(上位機)以及通訊網絡組成。
??? 數據采集裝置安裝在配電臺區中的每一臺變壓器上。該裝置負責采集、存儲現場變壓器的各項電能質量參數，包括三相有功功率、三相無功功率、三相電壓、三相電流、頻率、三相功率因數、三相有功電度和無功電度、電流三相諧波和電壓三相諧波等數據。然后采用串行通信方式，通過有線或者無線通訊網絡與上位機進行通信，上傳電能質量數據。
??? 數據分析工作站實質上是一套計算機系統。同樣也采用串行通信方式，獲取下位機上傳的數據，并存入數據庫中。然后通過后臺信息管理系統軟件對所采集到的各種電能質量信息數據進行統計、分析和圖形化處理，為用戶提供實時數據顯示、歷史數據分析、歷史曲線繪制、極值記錄、電量指標統計、供電可靠率統計、負荷率統計、電壓合格率統計、網損分析等功能，并最終形成報表或曲線圖，打印輸出。該后臺信息管理系統軟件可在Windows9X/2000操作系統下運行，并可以安裝在手提式PC機上運行，構成便攜式電能質量監測分析設備。
??? 此外，數據分析工作站還可以向下位機下傳數據，實現對數據采集裝置的初始化、對時和遠程參數修改等管理功能。整個系統的組成如圖1所示。

2? 數據采集裝置
??? 該裝置硬件系統主要由十六位單片機MC80C196為控制核心，高精度PT、CT電量變換，高速12位A/D摸數轉換，EPROM、大容量1兆字節FLASH MEMORY、鍵盤顯示、百年日歷時鐘、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。

??? 被測線路的U_a、U_b 、U_c 、I_a、I_b、I_c信號按三表法接入裝置，精確地測量出三相四線制線路的各種電量。六路信號經CT、PT變換后按三表法輸入到模擬開關上，由CPU控制模擬開關，選通某路輸入信號進行采樣。線路的6個信號輸入各自的采樣/保持器，這樣可以保證6個交流信號在同一時刻被采樣保持，滿足測量時對電流、電壓同性的要求。采集通道的A/D轉換器采用AD公司的分辨率12位的AD774，轉換時間25μs、轉換精度0.05%以保證裝置測量的準確性。時鐘芯片采用DS12887內置電池和晶振，直接掛在CPU的數據總線上，為裝置提供記錄電量的時刻及其它功能需要，為記憶保存大量的歷史數據裝置采用了兩片閃速存儲器FLASH-MEMORY AT29C040串行EEPROM，共1兆字節的記錄存儲空間，可整點記錄各電參數11個月。
??? 該裝置采用交流采樣的方法，首先通過CPU高速輸入單元HSII測算出周波頻率，并由此得到采樣/保持器的控制頻率。CPU通過對一個周期Ｔ進行32點分頻采樣，把時域內采集到的電壓、電流信號、通過富氏算法計算直接獲取電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數及電網工頻等電量。富氏算法可有效抑制零點的漂移，保證功率測量精度不受電網對稱度的影響。

3 后臺信息管理系統軟件
??? 以往的電能質量監測系統，其后臺軟件大多以對話框為主要的人機對話界面，用戶直接面對數據，無法對整個配電臺區的線路和配電變壓器的分布情況有一個直觀的認識和了解。
??? 在本系統中，應用目前比較流行的可視化編程語言Visual C++6.0，采用面向對象的程序設計方法，設計開發了不同于以往的基于圖形界面的后臺信息管理系統軟件^[5]。整套軟件以配電臺區的接線圖為主要的操作界面，改善了信息管理系統的人機交互性。用戶通過圖形化的操作界面可以直觀的了解配電臺區的電網結構，通過點擊鼠標可直接從圖中選擇要進行分析的配電變壓器，操作簡單方便，易學易用。
??? 本信息管理系統軟件包括用戶登錄模塊、數據監測分析模塊、系統維護模塊和數據記錄顯示模塊。其中以圖形界面(配電臺區接線圖)作為前臺，通過ODBC(Open DataBase Connectivity 開放式數據庫連接)接口訪問后臺數據庫。后臺數據庫為整個系統提供數據支持。全系統按模塊掛接方式實現對各功能的連接，這樣既便于對系統功能的維護改進，也易于對各模塊進行調試和統一管理。整個系統的總體結構如圖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。只有輸入注冊過的有效用戶名和口令，并依據用戶權限才能啟動相應的功能模塊。全系統設置2級密碼管理：系統管理員和一般用戶。系統管理員可為一般用戶開戶并分配初始密碼。一般用戶可以應用數據顯示模塊和數據分析模塊，但無權使用系統維護模塊。系統維護模塊只對系統管理員開放。
3.2 圖形界面
??? 圖形化的操作界面是本軟件的一大特色。在以配電臺區接線圖為主的操作界面上，用戶可通過鼠標點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功能相互獨立的圖形繪制、拼結而成的。最基本的功能單位就是這些圖形，在本文中稱之為圖元。在軟件設計中首先定義了一個虛基類 CEntity,并將該類作為一個父類。然后利用繼承的方法，由該類派生出各個圖元子類，例如變壓器類 CTran，斷路器類 CBreaker，開關類 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對象。
??? 這些類之間的派生關系如圖4所示。

??? 其次在圖元基類中定義了多個虛函數，作為成員函數一一對應相應的圖元所具有的各項功能。例如圖元的拖動、繪制、確定響應鼠標點擊的有效區域以及連接數據庫，輸入各項參數等等。在各個圖元基類的派生類中，會重載這些虛函數，以實現派生類的具體方法。
??? 最后應用了一個鏈表將所有的圖元連接起來，形成了一個圖元對象串。在實現各個圖元的具體功能時，程序中并沒有具體的直接去調用相應圖元類的成員函數，而是調用了虛基類的虛函數，然后利用動態聯編技術，由系統自動判斷該圖元所屬的圖元類，并調用相應圖元類的成員函數。這樣就避免了在程序編寫時加入大量的 if...then...的判斷語句，而將判斷工作交由系統自動完成，這樣既減少了代碼量，又提高了程序的執行效率，充分體現了動態聯編技術的優點。
3.3 系統維護模塊
??? 本模塊只對系統管理員開放。該模塊提供一個繪圖工具箱，系統管理員可以從中選擇所需的設備圖元，包括變壓器、斷路器、隔離開關、母線等等。并提供圖元的剪切，拷貝，復制，粘帖，移動，變色功能和全圖縮放功能。在繪圖過程中，還可以通過鼠標點擊圖元，彈出數據輸入對話框，輸入設備參數。而且所輸入的數據將直接存入數據庫中。此外，系統管理員還可以向數據采集裝置發送指令，修正下位機的參數，完成設備對時和初始化。
3.4 數據監測分析模塊
??? 本模塊主要包括實時數據顯示、歷史數據顯示分析和綜合分析三大功能。
??? (a) 實時數據顯示。可以從數據采集裝置中讀取并實時顯示三相有功功率、三相無功功率、三相電壓、三相電流、頻率、三相功率因數、三相有功電度和無功電度、諧波、不平衡度及負荷率等數據。根據用戶需要，還可以繪制實時數據曲線。
??? 本模塊設計思路是首先根據用戶所選擇變壓器的編號，按照通信協議向數據采集裝置發送指令。數據采集裝置收到指令后做出響應，上傳對應變壓器的各項電能質量參數，此后每隔一秒鐘重新上傳一次數據。上位機獲取數據后首先對數據進行校驗，校驗無誤后對數據分幀，獲取三相有功功率、三相無功功率、三相電壓、三相電流、頻率、三相功率因數、三相有功電度和無功電度數據，并將所有數據顯示在指定的對話框中。
??? (b) 歷史數據顯示分析。根據用戶選擇，可以從數據采集裝置中讀取并顯示某一時間段內或者某兩個數據記錄序號之間的所有歷史記錄。通過ODBC接口連接后臺數據庫，將歷史記錄存入相應的數據庫中。能按照日、月、年以及峰值、谷值、均值分別統計和處理歷史數據，并根據統計結果顯示、打印電能質量數據的曲線圖和報表。
??? 在設計思路上與實時數據顯示模塊類似，首先根據用戶所選擇變壓器的編號以及所選擇的歷史記錄查詢區間，按照通信協議向數據采集裝置發送指令。數據采集裝置收到指令后做出響應，上傳對應符合查詢條件的變壓器電能質量歷史數據。上位機獲取數據后首先對數據進行校驗，校驗無誤后對數據進行分幀、顯示和存儲。
??? (c) 綜合分析。根據后臺數據庫中的數據記錄，計算、分析用戶指定時間段內的多項電能質量指標，包括電度總計、電壓極值記錄、電流極值記錄、停電記錄、電壓合格率、負荷率、供電可靠率和線損率。最終形成綜合分析報表，打印輸出。
3.5 數據記錄顯示模塊
??? 本模塊通過ODBC接口訪問后臺數據庫，用戶可以直接應用本模塊查看后臺數據庫中的所有數據記錄，而不必進入相應的數據庫操作環境。

4 通信的實現
4.1 通信方式
??? 本系統中數據采集裝置可以對配電變壓器運行參數進行實時采集、計算和存儲，并具有數據遠傳功能。數據傳輸方式有以下幾種。
??? (a) 采用RS232總線接口。RS232是一種較簡單的通信標準。由于其數據傳輸速率小(<20Kbit/s),傳輸距離短(<15m),所以該種方式適于在使用手提式PC機到現場采集數據時應用。
??? (b) 采用RS485總線接口。相對于RS232總線，RS485總線的傳輸距離遠，最多可1.2KM，速度最高可達到10Mbit/s,可作為標準的有線傳輸方式。
??? (c) 應用已有的無線通信網絡，實現無線通信。相比于有線方式，無線通信更加快捷、經濟。
??? (d) 使用手抄器。在現場抄錄數據采集裝置中的數據，再由手抄器將數據上傳至上位機中。
4.2 通信程序
??? 本系統中實現上、下位機之間數據通信的程序也是應用Visual C++6.0開發的。并且融合到了后臺信息管理系統軟件中。該部分程序采用功能強大、靈活的Win32API函數，以異步方式，實現串口通信功能^[6]。并且應用了多線程技術，在輔助線程中完成數據傳送，在主線程中實現數據的分析、處理。輔助線程并不影響主線程的運行，主線程還可以控制輔助線程的運行，從而提高了程序的可靠性和執行效率。

5 結語
??? 本文所給出的基于圖形界面的電能質量監測分析系統，其監測內容和分析功能可以滿足配電臺區實際的應用要求。其最大特點就是后臺信息管理系統軟件以配電臺區的接線圖為主要的操作界面，大大提高了界面友好性。目前，該系統已在佳木斯電業局的配電系統中得到成功的應用，并在多個供電局中得到推廣。