基于圖形界面的配電臺區(qū)電能質量監(jiān)測分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

    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(fā)展，國內電力部門和電力用戶對電能質量愈發(fā)重視。供電系統(tǒng)的電能質量高低，直接關系到供電系統(tǒng)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(jù)供電系統(tǒng)的特點將電能質量現(xiàn)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(tǒng)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(qū)電能供應質量的監(jiān)測分析正是對供電系統(tǒng)進行治理從而提高電能質量的前提。此外，對配電臺區(qū)電能供應質量的監(jiān)測分析也可以為供電部門了解配電系統(tǒng)運行狀況，降低電網(wǎng)損耗，制定最優(yōu)供電方案等提供科學、完整的依據(jù)[4]。因此，實現(xiàn)配電臺區(qū)電能質量的自動監(jiān)測與分析具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

    本文根據(jù)現(xiàn)場的實際需要，設計并實現(xiàn)了基于圖形界面的配電臺區(qū)電能質量監(jiān)測分析系統(tǒng)；并與佳木斯電業(yè)局合作，將本系統(tǒng)應用到佳木斯供電局的配電系統(tǒng)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(wǎng)運行的安全可靠性。

    1 系統(tǒng)的組成

    配電臺區(qū)電能質量監(jiān)測分析系統(tǒng)由電能質量數(shù)據(jù)采集裝置(下位機)、數(shù)據(jù)分析工作站(上位機)以及通訊網(wǎng)絡組成。

    數(shù)據(jù)采集裝置安裝在配電臺區(qū)中的每一臺變壓器上。該裝置負責采集、存儲現(xiàn)場變壓器的各項電能質量參數(shù)，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(shù)、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(shù)據(jù)。然后采用串行通信方式，通過有線或者無線通訊網(wǎng)絡與上位機進行通信，上傳電能質量數(shù)據(jù)。

    數(shù)據(jù)分析工作站實質上是一套計算機系統(tǒng)。同樣也采用串行通信方式，獲取下位機上傳的數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫中。然后通過后臺信息管理系統(tǒng)軟件對所采集到的各種電能質量信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和圖形化處理，為用戶提供實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)分析、歷史曲線繪制、極值記錄、電量指標統(tǒng)計、供電可靠率統(tǒng)計、負荷率統(tǒng)計、電壓合格率統(tǒng)計、網(wǎng)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(tǒng)軟件可在Windows9X/2000操作系統(tǒng)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(jiān)測分析設備。

    此外，數(shù)據(jù)分析工作站還可以向下位機下傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集裝置的初始化、對時和遠程參數(shù)修改等管理功能。整個系統(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)轉換，EPROM、大容量1兆字節(jié)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Ua、Ub 、Uc 、Ia、Ib、Ic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(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)裝置采用了兩片閃速存儲器FLASH-MEMORY AT29C040串行EEPROM，共1兆字節(jié)的記錄存儲空間，可整點記錄各電參數(shù)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(shù)及電網(wǎng)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(wǎng)對稱度的影響。

    3 后臺信息管理系統(tǒng)軟件

    以往的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，無法對整個配電臺區(qū)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(tǒng)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(fā)了不同于以往的基于圖形界面的后臺信息管理系統(tǒng)軟件[5]。整套軟件以配電臺區(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(qū)的電網(wǎng)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(tǒng)軟件包括用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊、系統(tǒng)維護模塊和數(shù)據(jù)記錄顯示模塊。其中以圖形界面(配電臺區(qū)接線圖)作為前臺，通過ODBC(Open DataBase Connectivity 開放式數(shù)據(jù)庫連接)接口訪問后臺數(shù)據(jù)庫。后臺數(shù)據(jù)庫為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。全系統(tǒng)按模塊掛接方式實現(xiàn)對各功能的連接，這樣既便于對系統(tǒng)功能的維護改進，也易于對各模塊進行調試和統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)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(jù)用戶權限才能啟動相應的功能模塊。全系統(tǒng)設置2級密碼管理：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。一般用戶可以應用數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，但無權使用系統(tǒng)維護模塊。系統(tǒng)維護模塊只對系統(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。在以配電臺區(qū)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(shù)，作為成員函數(shù)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(qū)域以及連接數(shù)據(jù)庫，輸入各項參數(shù)等等。在各個圖元基類的派生類中，會重載這些虛函數(shù)，以實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)，而是調用了虛基類的虛函數(shù)，然后利用動態(tài)聯(lián)編技術，由系統(tǒng)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(shù)。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(tǒng)自動完成，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)了動態(tài)聯(lián)編技術的優(yōu)點。