高元隆,吳成明,2,張 磊

(1.三峽大學電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002)

0 引言

隨著對電力需求越來越大,電網(wǎng)及用戶不斷擴大對供電量和供電可靠性的要求,促使越來越多的供電企業(yè)實施電網(wǎng)監(jiān)測、電網(wǎng)控制等各類手段來保證配電網(wǎng)的正常運行。配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)神經(jīng)末梢存在點多線長面廣、網(wǎng)架結構復雜、設備質量參差不齊的特點,導致目前中低壓配電網(wǎng)運行狀況無法實時、全面掌握[1-2]。

目前使用的配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)大多通過抄表采集系統(tǒng)[3]采集數(shù)據(jù),一是時間間隔長、通信傳輸慢,采集數(shù)據(jù)量大但利用率低[4-5];二是大多局限于現(xiàn)場監(jiān)測或只針對某個區(qū)域監(jiān)測,沒有考慮到配電網(wǎng)整體,使得配電網(wǎng)管理人員只能獲取部分運行數(shù)據(jù)[6-8],難以有效實現(xiàn)各級配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互;三是傳統(tǒng)的上位機控件界面可視化效果差,不能很好了解配電網(wǎng)架構與配電網(wǎng)中各配電設備實時運行狀況[9]。多種原因導致配電網(wǎng)監(jiān)控功能缺失和效率低下,不利于系統(tǒng)之間信息統(tǒng)一管理和集成共享。

基于.NET平臺結合VISIO開發(fā)技術設計了配電網(wǎng)運行狀態(tài)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集與集中監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一實時采集、存儲和監(jiān)測。作為一款繪圖軟件VISIO具有繪圖簡單、靈活和呈現(xiàn)效果好等優(yōu)點,還具備強大的后臺編程控制能力[10],可通過直觀便捷的窗體組件實現(xiàn)配電網(wǎng)架構的可視化,實時獲取顯示配電網(wǎng)運行狀態(tài)信息及變化和預警信息提醒等功能,實現(xiàn)配電網(wǎng)運行狀態(tài)的自動化、規(guī)范化、智能化監(jiān)測管理。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)采用C/S體系,結構分為主機端(包含數(shù)據(jù)庫)、下位機設備端和通信模塊3個部分。下位機設備端主要完成配電網(wǎng)監(jiān)測所需數(shù)據(jù)的采集。主機端向下位機設備端發(fā)送指令后,下位機設備端將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信模塊傳送到主機端,實現(xiàn)配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的信息傳輸和監(jiān)控管理功能[11]。相較于傳統(tǒng)的上位機系統(tǒng)控件界面,VISIO繪圖的控制可以在.NET編程環(huán)境下進行,嵌入VISIO組件的主窗體能夠很好地顯示配電網(wǎng)結構以及其中運行數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。

1.1 體系結構設計

整個系統(tǒng)分為界面層、邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層3層架構[12],如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)3層架構

界面層通過嵌入VISIO組件作為主界面顯示配電網(wǎng)絡線路圖以及相關參數(shù)數(shù)據(jù),用戶可通過主界面窗體進行實時監(jiān)測;邏輯層是系統(tǒng)的核心部分,主要功能是負責接收界面層的命令,同時將命令轉發(fā)給數(shù)據(jù)訪問層,通過聯(lián)系數(shù)據(jù)訪問層與邏輯層以訪問數(shù)據(jù)庫來完成系統(tǒng)基礎設備數(shù)據(jù)更新操作。然后將相應的數(shù)據(jù)傳輸給界面層;數(shù)據(jù)訪問層通過主機端與下位機設備端通信傳輸配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù),然后分析處理所接收的數(shù)據(jù)后存入SQL server數(shù)據(jù)庫內,可以通過ADO.NET對象對數(shù)據(jù)庫存放的數(shù)據(jù)進行操作,完成業(yè)務邏輯層對數(shù)據(jù)的請求并供用戶界面層調用。下位機設備端實時采集各類重要配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)傳輸至主機。

1.2 系統(tǒng)功能設計

根據(jù)實際功能需求[13],系統(tǒng)功能設計主要包括主機端模塊和數(shù)據(jù)庫存儲模塊2部分。主機端實時接收解析從下位機設備端傳來的配電網(wǎng)絡內設施設備(包括變電站、配電線路、變壓器、變電站內配電柜)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù),同時存儲于對應數(shù)據(jù)表中。主機端功能模塊主要包括用戶配置、系統(tǒng)管理、實時監(jiān)測等,功能架構見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設計

a.用戶配置模塊。系統(tǒng)登錄根據(jù)用戶所屬type類型驗證區(qū)分權限,普通用戶只能觀測實時參數(shù)數(shù)據(jù)變化及接收預警信息;管理用戶另外具有管理信息輸入以及系統(tǒng)基礎配置設備信息操作等權限。

b.系統(tǒng)管理模塊。管理用戶對系統(tǒng)進行配置管理,如系統(tǒng)基礎配置參數(shù)的設定,對配電網(wǎng)基礎設備包括變電站、配電線路、變壓器、配電柜在內的基礎參數(shù)數(shù)據(jù)進行錄入及維護功能。

c.實時監(jiān)測模塊。接收下位機設備端傳輸?shù)膮?shù)數(shù)據(jù),經(jīng)過分析處理后主線程調用參數(shù)數(shù)據(jù)顯示在VISIO組件內部,實時觀測配電網(wǎng)的運行參數(shù)狀態(tài)包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率以及配電柜溫濕度。當監(jiān)測到接收數(shù)據(jù)超限,彈送預警窗口報告警報類型與警報信息。

2 數(shù)據(jù)庫設計

本系統(tǒng)作為實時系統(tǒng),隨時都會產生大量新數(shù)據(jù),所以選擇一庫多表的形式建立“配電網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫”來保證數(shù)據(jù)存儲的有效性,采用SQL Server數(shù)據(jù)庫跟ADO.NET技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫相關操作。設計了變電站、配電線路、變壓器、配電柜等相關配電網(wǎng)基礎設置信息的數(shù)據(jù)表,各個設置信息表之間的邏輯關系用視圖表示,在業(yè)務邏輯層調用數(shù)據(jù)庫時,便于操作;同時針對配電網(wǎng)實時工況數(shù)據(jù)接收處理設計實時數(shù)據(jù)信息表作為接收實時數(shù)據(jù)存儲的相關信息,以及從站設備信息表等用于表示從站設備的配置信息和存儲報警信息日志的數(shù)據(jù)表。

3 系統(tǒng)主要功能設計

3.1 通信模塊

Modbus 通信協(xié)儀作為一種應用層報文傳輸協(xié)議,可與多臺下位機設備端經(jīng)由網(wǎng)絡(如以太網(wǎng))并行連接進行通信[14]。協(xié)議包括ASCLL、RTU、TCP3種報文類型。本系統(tǒng)采用實際使用中最常用的RTU模式,可以在.NET環(huán)境中按照特定格式編寫,利用串口進行數(shù)據(jù)傳遞,該模式下的命令數(shù)據(jù)格式見表1。

表1 數(shù)據(jù)傳輸信息格式

通過此協(xié)議,主機端完成與下位機設備端的通信傳輸。通信流程見圖3。

圖3 通信流程

3.2 VISIO組件嵌入

VISIO組件提供對象模型作為繪圖控件,可以將 VISIO圖形界面集成到應用程序中,作為可嵌入Com 組件來提供VISIO的功能。VISIO圖在嵌入窗體前已經(jīng)進行包括線路圖的繪制,相關設備和文本框控件的圖元數(shù)據(jù)的設置。圖元數(shù)據(jù)界面添加標識字符串變量的形狀數(shù)據(jù)類型,使得形狀數(shù)據(jù)界面的監(jiān)測量類型與通信模塊傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)信息對應。

在主窗體頁面添加相關 Com組件應用后,調用AxDrawingControl控件,可根據(jù)指定路徑命令filepath條件循環(huán)讀取文件VISIO圖的圖元數(shù)據(jù)及配置屬性。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊

3.3.1 數(shù)據(jù)接收處理

下位機設備端采集的實時工況數(shù)據(jù),可分為4類參數(shù)[15],參數(shù)的分類及其舉例見表2。

表2 接收參數(shù)分類及舉例

每個分類下有多個參數(shù),每個參數(shù)對應標明下位機設備端內部中唯一地址。相應參數(shù)的當前值只需要通過讀取對應地址寄存器來獲取。主機端通過通信模塊建立連接,并向下位機設備端發(fā)送請求數(shù)據(jù),發(fā)送報文包括協(xié)議規(guī)定的命令幀,然后接收下位機的反饋從而實現(xiàn)對下位機設備端監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取。主機端每次接收到的數(shù)據(jù)拼接信息按照協(xié)議進行解析,其中包含數(shù)據(jù)的數(shù)值、位置類型、ID號、數(shù)據(jù)類型等,完成數(shù)據(jù)處理接收后傳入主線程和存入數(shù)據(jù)庫對應信息表內。

3.3.2 VISIO組件顯示

定義循環(huán)VISIO圖形數(shù)據(jù)的文本框參數(shù)顯示。在接收到實時數(shù)據(jù)后,檢索圖形屬性數(shù)據(jù)取得所選VISIO圖的圖元屬性以及該圖元屬性的shape等數(shù)據(jù)之后的字符串變量然后對shape對象循環(huán),找出要實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的文本框對象,獲取與其匹配的監(jiān)測量屬性,從數(shù)據(jù)庫中的實時數(shù)據(jù)表中取得該監(jiān)測量的實時數(shù)據(jù),通過對VISIO控件的文本框text屬性進行賦值,完成數(shù)據(jù)傳遞和顯示操作[16]。

3.3.3 數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

接收值與對應預設的閾值比對,當所接收值超過對應的門限閾值時,經(jīng)由預警模塊在監(jiān)測主界面執(zhí)行預警提醒操作即包含超限數(shù)據(jù)、位置、類型、報警時間等報警信息的頁面彈窗以提醒。后續(xù)報警信息作為歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫報警信息數(shù)據(jù)表內,以供管理用戶研究分析。

4 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)工作流程如圖4所示,登錄主界面后,主機端發(fā)送請求數(shù)據(jù)的命令,下位機設備端做出反饋,主機端接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳入主線程,主線程接收到數(shù)據(jù)后與主窗體界面VISIO組件對應區(qū)域適配,完成設備和數(shù)據(jù)的動態(tài)圖形化。

圖4 系統(tǒng)設計流程

管理用戶權限實時監(jiān)測范圍內所選配電網(wǎng)絡內運行的電氣參數(shù)變化。實時監(jiān)測主界面擁有較為全面的實時監(jiān)控功能,在VISIO配電線路圖上有對應圖標單獨的屬性形狀數(shù)據(jù),配合顯示該處運行參數(shù)數(shù)據(jù),使得運行人員方便監(jiān)控設備和相關參數(shù)設定,如圖5所示。

圖5 監(jiān)測主界面

配電網(wǎng)基礎設施管理頁面完成配電網(wǎng)基礎配置信息的更新操作并且能夠將新的設備信息數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫各個基礎設備表內,如圖6所示。

圖6 配電設備參數(shù)設置

測試運行結果表明整個系統(tǒng)中各模塊功能均已實現(xiàn)且能夠正常工作。

5 結語

系統(tǒng)基于.NET平臺結合VISIO開發(fā)技術設計的實時配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),由主機端與下位機設備端以及通信模塊組成。其中主機端經(jīng)由通信模塊完成對下位機設備端傳輸?shù)呐潆娋W(wǎng)設備實時數(shù)據(jù)的接收解析處理,初步完成了配電網(wǎng)參數(shù)設置、數(shù)據(jù)解析處理、數(shù)據(jù)可視化顯示、數(shù)據(jù)存儲、預警提示等各功能的實現(xiàn)。測試結果證明,該系統(tǒng)通過簡單操作有效完成對中低壓配電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接收處理、存儲與監(jiān)測,解決了中低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息低效共享的問題。系統(tǒng)具有較為友好的人機界面和安全隱私性,管理人員也能實時、準確地遠程監(jiān)控電網(wǎng)運行狀況,及時發(fā)現(xiàn)運行的異常情況并做出處理。后續(xù)需要增強數(shù)據(jù)采集分析功能,優(yōu)化故障診斷與監(jiān)測控制的能力。