0 引言
20世紀90年代以來，隨著電力供應(yīng)商品化、市場化的發(fā)展，國內(nèi)電力部門和電力用戶對電能質(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(zhì)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(zhì)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(yīng)質(zhì)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(zhì)量的前提。此外，對配電臺區(qū)電能供應(yīng)質(zhì)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(zhì)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(shè)計并實現(xiàn)了基于圖形界面的配電臺區(qū)電能質(zhì)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(yīng)用到佳木斯供電局的配電系統(tǒng)中，取得了良好的實際應(yīng)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(zhì)量監(jiān)測分析系統(tǒng)由電能質(zhì)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(luò)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(zhì)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(luò)與上位機進行通信，上傳電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)分析工作站實質(zhì)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(zhì)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(gòu)成便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析設(shè)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(zhuǎn)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(guān)上，由CPU控制模擬開關(guān)，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(zhuǎn)換器采用AD公司的分辨率12位的AD774，轉(zhuǎn)換時間25μs、轉(zhuǎn)換精度0.05%以保證裝置測量的準確性。時鐘芯片采用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(nèi)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(zhì)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(yīng)用目前比較流行的可視化編程語言Visual C++6.0，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，設(shè)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(jié)構(gòu)，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(diào)試和統(tǒng)一管理。整個系統(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。只有輸入注冊過的有效用戶名和口令，并依據(jù)用戶權(quán)限才能啟動相應(yīng)的功能模塊。全系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，但無權(quán)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(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(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對象。
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虛函數(shù)，作為成員函數(shù)一一對應(yīng)相應(yīng)的圖元所具有的各項功能。例如圖元的拖動、繪制、確定響應(yīng)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(yīng)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(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)，然后利用動態(tài)聯(lián)編技術(shù)，由系統(tǒng)自動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(shù)的優(yōu)點。
3.3 系統(tǒng)維護模塊
本模塊只對系統(tǒng)管理員開放。該模塊提供一個繪圖工具箱，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，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(shù)據(jù)輸入對話框，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，修正下位機的參數(shù)，完成設(shè)備對時和初始化。
3.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊
本模塊主要包括實時數(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) 實時數(shù)據(jù)顯示?？梢詮臄?shù)據(jù)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(shù)、三相有功電度和無功電度、諧波、不平衡度及負荷率等數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶需要，還可以繪制實時數(shù)據(jù)曲線。
本模塊設(shè)計思路是首先根據(jù)用戶所選擇變壓器的編號，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)，上傳對應(yīng)變壓器的各項電能質(zhì)量參數(shù)，此后每隔一秒鐘重新上傳一次數(shù)據(jù)。上位機獲取數(shù)據(jù)后首先對數(shù)據(jù)進行校驗，校驗無誤后對數(shù)據(jù)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(shù)、三相有功電度和無功電度數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)顯示在指定的對話框中。
(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間段內(nèi)或者某兩個數(shù)據(jù)記錄序號之間的所有歷史記錄。通過ODBC接口連接后臺數(shù)據(jù)庫，將歷史記錄存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。能按照日、月、年以及峰值、谷值、均值分別統(tǒng)計和處理歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示、打印電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的曲線圖和報表。
在設(shè)計思路上與實時數(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)。上位機獲取數(shù)據(jù)后首先對數(shù)據(jù)進行校驗，校驗無誤后對數(shù)據(jù)進行分幀、顯示和存儲。
(c) 綜合分析。根據(jù)后臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)記錄，計算、分析用戶指定時間段內(nèi)的多項電能質(zhì)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(shù)據(jù)記錄顯示模塊
本模塊通過ODBC接口訪問后臺數(shù)據(jù)庫，用戶可以直接應(yīng)用本模塊查看后臺數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)記錄，而不必進入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫操作環(huán)境。
4 通信的實現(xiàn)
4.1 通信方式
本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集裝置可以對配電變壓器運行參數(shù)進行實時采集、計算和存儲，并具有數(shù)據(jù)遠傳功能。數(shù)據(jù)傳輸方式有以下幾種。
(a) 采用RS232總線接口。RS232是一種較簡單的通信標準。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機到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時應(yīng)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(yīng)用已有的無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線通信。相比于有線方式，無線通信更加快捷、經(jīng)濟。
(d) 使用手抄器。在現(xiàn)場抄錄數(shù)據(jù)采集裝置中的數(shù)據(jù)，再由手抄器將數(shù)據(jù)上傳至上位機中。
4.2 通信程序
本系統(tǒng)中實現(xiàn)上、下位機之間數(shù)據(jù)通信的程序也是應(yīng)用Visual C++6.0開發(fā)的。并且融合到了后臺信息管理系統(tǒng)軟件中。該部分程序采用功能強大、靈活的Win32API函數(shù)，以異步方式，實現(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，在主線程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(zhí)行效率。
5 結(jié)語
本文所給出的基于圖形界面的電能質(zhì)量監(jiān)測分析系統(tǒng)，其監(jiān)測內(nèi)容和分析功能可以滿足配電臺區(qū)實際的應(yīng)用要求。其最大特點就是后臺信息管理系統(tǒng)軟件以配電臺區(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，并在多個供電局中得到推廣。