（检测技术与自动化装置专业论文）电网电压谐波监测数据传输与管理信息系统的研制.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的发展和管理体制的改革，电网电压谐波监测的重要性日益突出。研制 开发电压谐波监测系统产品已成为有关技术标准贯彻实施的前提。本文是在新型电压谐波 监测仪表设计完成的基础上，设计开发了系统的数据传输和信息管理系统。 首先简单介绍了系统的组成、电压谐波监测仪、系统所采用的数据传输方式和m i s 的功 能。针对以a t 2 4 c 6 4 芯片为核心的i c 卡设计开发了一种专用的i c 卡读写器；根据江苏省电力 公司最新版的“电压监测仪通信规约”，编程实现了监测仪表与m i s 之间远程无线数据传输功 能。系统的软件设计采用v i s u a lb a s i c 语言并配合a c c e s s 数据库技术、串行通信技术和 s o c k e t 网络编程技术分别实现了数据库操作和通信操作。对电网电压谐波监测系统m i s 的需 求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计过程作了详细的阐述：介绍了数据库设计和系统软 件设计，并讨论了v b 数据库访问技术在管理信息系统中的应用以及a d o 编程实现。最后，对 电网电压谐波监测系统的研发进行总结。 关键词：电压谐波监测 数据传输w i n s o c k m s c o 管理信息系统 a d o a b s t r a c t a b s t r a c t v o l t a g ea n dh a m o m i cm o n i t o r i n gf o rp o w e rs u p p l ys y s t e mh a sb e e nm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dr e f o r r no ft h es y s t e mm a n a g e m e n t i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pv o l t a g ea n dh a m o m i cm o n i t o r i n gs y s t e m ( v h m s ) p r o d u c t st om e e tt h e d e m a n do f e n f o r c i n gt h en a t i o n a ls t a n d a r t d s i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fd a t ac o m m u n i c a t i o na n dm i so f m si sd i s c u s s e d f i r s t l y , t h e v o l t a g ea n dh a m o m i cm o n i t o r i n gi i l g t l u m e n t , t h ec o m m u n i c a t i o i lm o d ea n dt h ef u n c t i o n so fm 1 s c o m p o n e n t sa r cj n t r o d u s e db r i e f l y , s e c o n d l v t h ed e v e l o p m e n to fa l ll c - c a r dr e a d e r w r i t e rf o r a t 2 4 c 6 4i sp r e s e n t e d b a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf 打v h m sb yj i a n g s up o w e rs u p p l y c o ，r e m o t ew i r e l e s ss y s t e md a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ev o l t a g ea n dh a r a o m i cm o n i t o r i n g i n s t r u m e n ta n dp ca tm i s e n di s i m p l e m e n t e d 1 1 1 er e q u i r e m e n ta n a l y s i s c o n c e p t u a ld e s i g n , l o g i c a ld e s i g na n dp h y s i c a ld e s i g no f m i s a r ep r e s e n t e d ，t h es y s t e ms o f t w a r ei sp r o g a m m o du s i n g v i s u a lb a s i c n kd e s i g no f d a t a b a s ea n ds y s t e ms o f t w a r ei sd e s t i n e d , w i t hd i s c u s s i o n sa b o u t d a t a b a s ea c c c s su s i n gv i s u a lb a s i c ，i t sa p p l i c a t i o ni nm i s ，a n da d o p r o g r a m m i n g f i n a l l y t h e d e v e l o p m e n to f m s j ss u m m a r i z e da n ds o m et o p i c si nf u t u r ew o r ka r cp r o p o s e d k e yw o r d s ：v o l t a g ea n dh a r m o n i cm o n i t o r i n g d a t ac o m m u n i c a t i o n w i n s o c k m s c o u m l m i s a d o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 电能质量监测 1 1 1 电能质量及其指标 第一章绪论 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正弦 的波形，按规定的电压水平对用户供电。在三相交流电力 系统中，各相的电压的电流都应该处于幅值大小相等、相 位互差2 石3 的对称状态。由于系统各元件( 发电机、变 压器、线路等等) 参数并不是理想线性对称，加之调控手 段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操 作、各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在， 因此产生了电能质置的概念。 电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常 工作的电压、电流或频率偏差、其内容涉及频率偏差、电 压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡 以及电压波动和闪变等等川。有关这些电磁现象的的一些种 类参见表1 1 。 人们对电能质量问题的重视并非近几年的事情，而是 伴随着电力系统发展的全过程，早期的内容比较简单，主 要是局限在频率偏差和电压偏差两个方面。自从8 0 年代以 来，随着新型电力负荷的出现以及它们对电能质萤的不断 增加的要求，电能质量才逐渐引起电力公司和电力用户的 普遍重视，其主要原因有以下几个方面： 1 为了提高劳动生产率和自动化水平。大量基于计算 机系统的控制设备和电子装置的投入，这些设备和装置对 电能质量非常敏感。一个计算中心失去电压2 s 就可能破坏 几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。 当今自动化生产设备的连续精密加工生产不论是变速拖 动还是机器人，工作母机还是自动化生产线，例如柔性制 造系统( f m s ) 或计算机综合制造系统( c i m s ) ，它们对配 电系统中的干扰和异常非常敏感，甚至几分之一秒的不正 常就可能在工厂内部造成混乱，这些用户对不合格电力的 容许程度严格到只有持续工频1 2 个频率周期。 表1 1 电力系统电磁现象的种类 纳秒级 冲击 微秒级 毫秒级 电磁瞬态 低频 振荡中频 高频 电压中断 即时电压跌落 电压升高 电压中断 短期电压 瞬间电压跌落 变动 电压升高 电压中断 暂时电压跌落 电压升高 长期电压 持续中断 欠电压 变动 过电压 电压不平衡 直流偏移 波形失 谐波 问谐波 真 缺口 噪声 电压波动 频率偏差 2 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大的变化。 诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电气等负 荷的迅速发展，由于其非线性、冲击性以及不平衡的_ j 电特性，使电网电压波形发生畸变， 或引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率变动，这些对供电电能质量会造 成严重的干扰和污染。 东南人学硕上学位论文 3 电能作为商品，在电力市场运行机制下，不同的发电公司，包括独立电能生产商， 在发电侧实行竞争。输配电系统( 即电力公司) 与发电分离，独立经营管理，为发电公司和 用户提供转送电能服务，用户侧也可以作为独立实体参加价格控制。这样一个开放和鼓励竞 争的运行环境，必然对电能质量提出越来越高的要求，并促使电能质量标准化的发展和不断 完善。 电能质鼍和一般产品质量不同有其如下特点：i 、不完全取决于电力生产企业，甚至 有的质量指标( 例如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度) 往往是由用户干扰所造成 的；2 、对于不同的供( 或用) 电点在不同的供( 或用) 电时刻，电能质量的指标往往是不 同的，也就是说电能质量在时间和空间上都处于动态的变化之中。特点1 说明：全面保障电 能质量，既是电力企业的责任，也是用户应尽的义务；特点2 说明：电能质量指标宜用概率 统计结果来衡量，并且需指明监测点。 1 1 2 改善电能质量的意义 改善电能质量对于电网的安全经济运行，保障工业产品质量和科学试验的正常进行以 及降低能耗等均有重要意义，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。 良好的电能质量无疑对电气设备的运行是有利的，但是恶劣的电能质量对电力系统运 行的不利影响并没有引起人们足够的重视。从危害程度讲某些电能质量问题的危害是破坏 性的。例如，雷电波冲击、电容器和电缆线路投切时因谐波谐振引起的过电压往往造成电气 设备的绝缘和机械损坏，从而影响电力系统的正常运行；继电保护装置冈谐波和负序干扰引 起误动造成电网大面积停电会造成巨大的经济损失；短时的供电中断或电压跌落可能导致生 产混乱和工业冶金产品的大量报废甚至危害人身安全。 另一方面，某些电能质晕问题主要影响电气设备的性能指标，例如不正常的电压和频 率偏差会引起异步电机负荷的转速和功率变化，导致传动机械的效率降低，使纺织、造纸等 产品的质量受到影响：谐波电流在旋转电机、输电线路、变压器等输配电设各中流通使得这 些设备因产生附加损耗而过热，从而降低了这些设备的寿命或容鼍。 因此，从整体上使电能质量指标越接近额定值。同时保证连续、可靠供电就是电能高质量 的标志，然而，电能从生产到消耗是一个整体，电力系统的发、供、用始终处于动态平衡之 中，其中任何一个环节都会对电能质量产生影响。而电能指标的控制需要相当的投入，而且 各种指标的控制技术也在不断发展和完善之中。实际上，电能质量指标和额定值的偏差是不 可避免的。电能质量标准制定的任务，就是从当前( 或近期发展) 的技术水平出发，确定适 当的电能质量指标偏差的允许值。标准合理与否的判断准则应是：l 、基本上能保证电力系 统的安全、连续供电和经济运行；2 、总体上能够保证用户电气设备的正常用电；3 、电力 部门( 包括干扰性用户) 在当前技术水平基础上，作一定的努力应能达标。 1 1 3 电能质量国家标准简介 从上世纪8 0 年代初开始，国家质量技术监督局( 原国家标准局) 将制定国家电能质量 系列标准列为重点项目。至2 0 0 0 年底己颁布系列标准5 个，即g b1 2 3 2 5 - - 9 0 供电电压允 许偏差；g b1 2 3 2 3 - - 2 0 0 0 电压波动和闪变：g b t1 4 5 4 9 - - 9 3 公用电网谐波；g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度：6 b t1 5 4 9 5 1 9 9 5 电力系统频率允许偏差。上述五个 标准虽然对供电特性作了一些基本的规定。但尚不全面。进一步完善电能质晕标准体系的工 作国内外都在进行之中。由于不同国家和地区电力设备装机容量的丰裕程度，输配电距离的 长短、国民经济的发展速度、无功补偿与调压设备的满足程度和用户生产的性质等不尽相同， 2 第一章绪论 所以对电能质鼍的要求也不完全一致。 目前国家对电压的监测作出了规定，其中电压有效值的监测已经成为强制性规定，电 压谐波的监测也日益受到相关部门的重视，本文内容正是针对这两个方面展开，在此给出国 家关于电压标准的概述i 。 1 9 9 0 年1 2 月1 日开始实施的国家标准g b l 2 3 2 5 - - 9 0 供电电压允许偏差规定了我国 电力系统在正常运行条件下的供电电压允许偏差范围： l 用户受电端的电压允许偏差范围 在电力系统正常运行的情况下，供电企业到用户端的供电电压允许偏差： ( i ) 3 5 k v 及以上供电的电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的4 - 1 0 。 ( 2 ) l o k v 及以下三相供电电压( 含3 8 0 v ) 允许偏差为额定电压的7 。 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差范围为额定电压的- 4 - 7 ，一1 0 。 ( 4 ) 在电力系统菲正常运行的情况下，用户受电端电压最大允许偏差不应该超过额定值的 1 0 ( 5 ) 用户用电功率因数达不到规定要求的，其受电端的电压偏差不受上述限制。 ( 6 ) 对电压有特殊要求的用户，其供电电压允许偏差由供电协议确定。 2 发电厂、变电所母线电压允许偏差范围 ( 1 ) 5 0 0 ( 3 3 0 ) k v 母线：正常运行方式时，最高运行电压不得超过系统额定电压的1 0 ： 最低运行电压不应影响电力系统同步稳定、电压稳定、工厂的正常用电以及下一级电 压的调节。向空载线路充电t 在暂态过程衰减后，线路末端电压不应超过系统额定电 压的1 1 5 倍，持续时间不应超过2 0 m i n 。 ( 2 ) 发电厂和5 0 0 k v 变电所的2 2 0 k v 母线：正常运行方式时，电压允许偏差为系统额定电 压的0 1 0 ；事故运行方式时，为系统额定电压的一5 + 1 0 。 ( 3 ) 发电厂和2 2 0 ( 3 3 0 ) k v 变电所的l l o 3 5 0 k v 母线：正常运行方式时，电压允许偏差 为相应系统额定电压的- - 3 q - 7 ：事故后为系统额定电压的 4 - 1 0 。 ( 4 ) 发电厂和变电所的l o k v 母线：应使所带线路的全部高压用户和经配电变压器供电的低 压用户的电压，均符合上述用户受电端的电压允许偏差范围。 3 电压合格率 电压合格率是指实际运行电压在允许电压偏差及电压变动幅度范围内的累计运行时间 与对应的运行统计时间的比值。 1 9 9 4 年3 月1 日开始实施的国家标准g b t1 4 5 4 9 - - 9 3 公用电网谐波规定了对公用 电网谐波的要求，公用电网电压谐波限制值如表l | 2 所示i “。 表1 2 公用电网电压谐波限值 电网标称电压( k v )电压总谐波畸变率 各次谐波电压含有率( ) ( ) 奇次偶次 o 3 85 0 4 02 0 6 、1 04 0 3 21 6 3 5 、6 63 0 2 41 2 1 1 02 ol ，6 0 8 1 2 电网电压谐波监测与系统 1 2 1 电压监测 电压是电能质量的重要指标之一。电压合格率是评价电网电压质量、生产调度管理工作、 东南大学硕士学位论文 制订电网规划和技术改造计划的重要依据，也是考核系统运行管理水平的重要指标之一。因 此，建立完善的能反映全貌的电压监测体系，并对其监测数据加强分析工作，对供电企业 的调度运行管理和规划改造工作十分重要。 为了使得电压监测点的电压质量记录能够科学真实地反映电压状况，根据需要已经开发 出了专门用于电压质量监测的“电压监测仪”产品。早期产品为记录式，它对被监测电压的 超限时间与总供屯时间分别由相应的计时器记录、累计，由人工进行电压合格率的计算，已 经被淘汰。目前广泛使用的是统计式它是以微处理器为主的设备构成，具有进行自动记录 和统计功能，其主要功能有川： 1 具有监测电压偏差及直接或间接地统计电压合格率或电压超限率的功能。 2 具有按月和按日统计的功能和具有打印功能。 3 实时显示被监测电压刷新周期为2 s 。 4 能够预置被监测电压额定值，并按要求整定在被监测电压允许偏差范围内的上限值 和下限值。 5 在正常使用条件下，在被监测额定电压的2 0 范围内，其综合误差0 5 。 由于电网中各点的电压值不同，故整个电力系统必须设置足够数鼍并具有代表性的发电 厂、变电所、配电网以及各电压等级用户的电压监测点。电力系统电压监测点的设置原则是： 1 - 与主网( 2 2 0 k v 及以上电网) 直接连接的发电厂高压母线： 2 各级调度“界面”处的3 3 0 k v 及以上变电所的一、二次母线，2 2 0 k v 变电所的二次 母线和一次母线： 3 所有变电所l o k v 母线： 4 供电企业应选定一批具有代表性的用户作为电压质每考核点。应包括：所有1 l o k v 及以上供电的和3 5 k v 专线供电的用户：其他3 5 k v 用户和l o k v 用户，每l 万k v 负 荷至少设置一个并应包括对电压有较高要求的重要用户和每个变电所l o k v 母线所 带有代表性的线路末端用户；低压3 8 0 2 2 0 v 用户，至少每百台配电变压器设置一个， 应设置在有代表性的低压配电网的首末二端和部分重要用户中。 5 供电企业还应对所辖电网的l o k v 用户和公用配电变压器、小区配电室以及具有代表 性的低压配电阿线路首末端用户的电压进行巡同检测，检测周期不应少于每年一次每次持 续时间不应少于2 4 小时。 为了促使供电企业向用户提供优质电能，在供电企业开展的安全文明生产达标和刨一流 工作中，对电压合格率指标作了明确规定，是必备条件之一，若达不到要求则一票否决。 具体要求如下： 达标企业：供电电压合格率 1 9 2 ，其中 类电压合格率i 9 0 ； 一流企业：供电电压合格率9 鼢，其中a 类电压合格率9 娲； 1 , 2 2 谐波监测 由于电网谐波问题的复杂性，采用近似的程序计算很难反映出电网的真实谐波，通常采 用谐波实际测链数据作为发现问韪、研究问题和解决问题的最终手段。实测电网谐波的干扰 状况，已经成为保证电网安全经济运行，高质量供电必不可少的措施之一。为此，世界各国 相应研制和开发了一系列的谐波测苗装置和仪器。谐波测鼍的历程大致可以分为三个阶段 “m ：第一阶段时从1 9 世纪初至2 0 世纪4 0 年代，谐波成份的分析主要依靠实测波形的傅 立叶计算，即利用信号波形的录波图，人工手动等间隔地龉取数值，然后采用手算的方法进 行谐波分析计算，计算过程十分费时费力，精度很低，分析谐波次数也不高。这一方法在我 国一直沿用到上世纪7 0 年代。第二阶段是2 0 实际5 0 年代8 0 年代，这一时期选频测攮技 4 第一章绪论 术获得了广泛的应用和普及，相应研制了一系列选频式谐波测量仪器仪表，测量方式是用失 真度式的仪器测量谐波总畸变率，外差选频式逐项测试各次谐波分量，现在使用的有些谐波 监测仪、报警仪、谐波电压表和电流表就是根据此原理制成的。这类谐波分析仪器仪表虽然 较早期的人工分析方法有了很大的提高但是测试的结果只能给出谐波的幅值而不能给出相 位，测试调节也很麻烦。第三阶段是2 0 世纪8 0 年代至今，由于集成电路和微处理机及计算 机技术的迅速发展，已经产生了一系列基于快速傅立叶变换的谐波分析仪，被测信号经过采 样保持、a d 转换，计算机傅立叶计算输出结果，测试揲作十分方便，计算结果快速而准 确，可同时进行多路信号的测量。新代多功能、数字化、自动化和智能化的谐波测量分析 仪已经成为发展的主要方向，与此相应的谐波测量方法和谐波传感装置都得到了很大的发 展。 电网谐波的分析研究和日常监督管理是建立在谐波测晕基础上的，而谐波数据的取得必 须借助于有效的测每仪器目前国内外已经研制成功的各种可供谐波测最分析使用的仪器中 仪器性麓和测试目的的不同大致可以分为三类：一是用于谐波日常监测工作的监测仪或报警 仪，该类仪器测试功能简单，但是精度不高；二是专门测试谐波用的高性能谐波分析仪和频 谱分析仪：三是用于谐波和其他电能质量综合测量的分析仪。 近年来，发达国家在研制和使用谐波分析仪方面发展较为迅速，仪器的性能先进，测量 功能齐全，使用范围广，但是价格较为昂贵。相比之下国内测量仪器价格较低，但是制造工 艺较差，可靠性和精度方面较差。 谐波作为表征电能质量的一个重要指标，也有必要在电力系统日常运行中加以监测，以 保证供电系统谐波含营和波形畸变率符合国家标准要求。维护电力系统的正常安全运行，保 证良好的供电电能质量。应对谐波电压比较严重的电网公用连接点，接有对谐波影响比较敏 感的重要设备点，安装谐波电压监测仪p j 。 监测点原则上选取谐波源用户和其他用户的公共连接点，要求监测点谐波水平必须符合 谐波标准。为了即时掌握电网谐波状况，应选取大谐波源用户供电的枢纽变电所l o k v 、3 5 k v 和1 l o k v 母线作为电网谐波监测点。监测的主要目的是判断谐波电压含有率、总畸变率以及 谐波源的电流值是否符合标准规定。监测谐波次数一般为2 1 9 次，可根据监测点实际情况 具体适当调整。 在电网中主要谐波监测点安装同定的谐波监测仪，进行连续监测或者选取某些时段进行 监测，并定期统计监测点谐波超标情况。当谐波源用户有变化时( 新投或增容) 应及时进行 测量，正常情况下至少每年测一次。 1 2 3 监测系统 通常，电压谐波监测点可设在变电站出线端或电力用户进线端。2 2 0 v a c 或3 8 0 v a v 电压 直接接入监测仪表，高压线路则通过电压互感器变换为i o o v a c 信号接入监测仪表。监测仪 表数据以各种不同的方式传送剑供电管理部门的后台计算机，经管理信息系统( m i s ) 处理 形成各种统计数据和报表，供分析、管理、决策之用。可见，监测仪表是系统的感觉器官， 数据传输是系统中枢，m i s 则是系统的大脑。 上世纪九十年代中后期，系统只监测电网电压。2 0 0 0 年后，随着新型监测仪表的出现 和应用，谐波监测逐渐与电压监测一起成为系统的组成部分。出于经济因素的考虑系统的 数据传输一般借助已有的通信线路，而不建设专用线路。通信线路可以是电力监控网络，也 可是公用通信通道两者均可分为有线和无线两种方式。供电管理部门的m i s 通常是针对各 地不同的特点和应用要求专门设计的由监测仪表管理、系统运行维护、监测数据获取、数 据处理与管理、统计分析与报表等功能模块组成。 东南大学硕上学位论文 在我国电能供应厂网分离的大形势下，电网电压谐波监测系统已在各地以省市县三级管 理的模式广泛建立起来。国内许多厂家也独立研发了监测仪表产品和监测系统设备和软件。 2 0 0 2 年，东南大学检测技术与自动化装置学科研制开发了d t 4 型电压谐波监测仪，并自定 协议开发了数据传输及其管理信息系统。d t 4 型电压谐波监测仪以两片5 l 系列单片机为核 心，通过独特的电路设计和软件编程。在较低成本下实现电压谐波测量、统计、存贮等仪表 功能。它以r s 一2 3 2 或r s 一4 8 5 接口面向具有现场数据传输设备的变电站或大型电力用户的应 用，以基于公用电话网的f s km o d e m 方式面向一般电力用户以i c 卡人工抄表方式面向农 村或边远地区用户。管理部门m i s 设计中充分考虑了可移植性和可扩展性，为委托厂家针对 各了用户需求的二次开发以及日后的系统维护提供了很大的方便。该系统目前已在数十个地 区推广应用。 随着应用的普及和技术的发展，用户对电能质量监测系统的要求在越来越高，市场的竞 争促使设备制造厂家不断地改进产品设计。同时，国家有关部门对电网电压谐波监测的规范 和管理正日益加强，新的国家标准和管理规定将陆续出台和贯彻实施。这一切都对电嗣电压 谐波监测系统的技术研究与开发提出了新的课题。 1 3 本文的研究工作和内容 东南大学检测技术与自动化装置学科受某厂家委托，研制开发一种新型电网电压谐波 监测仪表与监测系统。该系统的技术改进主要有： 1 监测仪表功能增强。设计新的监测仪表，一台仪表可以完成三个点的监测、统计，存贮 和数据传输功能： 2 数据传输功能丰富。新的系统在继承原有的通信方式的基础上，将采用g p r s 无线网络 方式和g s m 短消息方式，井对部分的原有通信方式进行改进，同时将所有的通信方式进 行整合： 3 数据传输采用江苏省电力公司最新版。电压监测仪通信规约”； 4 m i s 的改进和升级。 作为以上研究开发项目的一部分，本课题的任务是在新型监测仪表设计完成的基础上， 设计开发系统的数据传输和m i s 。具体的研究内容是： 1 针对以 t 2 4 c 6 4 芯片为核心的i c 卡设计开发一种专用的读卡器，开发其数据存取功能， 实现系统的i c 卡抄表方式； 2 采用已有的g p r sm o d e m ，以g p r s 无线网络方式实现系统数据传输功能的开发； 3 以江苏省电力公司最新版“电压监测仪通信规约”实现系统的数据传输； 4 完成m i s 升级所需的编程与开发。 本课题针对电压谐波监测系统豹技术发展和市场需求，结合新型三通道电压谐波监测 仪表的研制和江苏省电力公司最新版“电压监测仪通信规约“的出台研制和开发该系统的 g p r s 、i c 卡数据通信与管理信息系统。本课题研究对于研发拥有自主知识产权的电能质量 监测与管理信息系统技术、提高电网管理自动化水平、满足国内市场需求有着重要的意义 本文后续章节的内容为： 第二章进行系统分析，首先分析系统功能；然后介绍系统组成：1 、现场仪表，包括仪 表系统结构、监测原理、统计数据以及数据通信方式；2 、系统使用的数据传输方式和协议。 3 、m i s 。并简要介绍一下系统编程实现。 第三章讨论系统数据传输，首先介绍i c 卡读卡器包括它的硬件组成和软件设计；然 后介绍g p r s 数据传输方式，系统的通信协议，包括系统数据传输采用的数据格式、仪表数 据约定以及差错检验；然后介绍本系统采用的两种数据传输方式：最后介绍系统数据传输程 序设计和编程实现。 6 第一章绪论 第四章讨论管理信息系统的设计与实现，首先介绍m l s 设计，包括需求分析、概念设计， 逻辑设计和物理设计；然后介绍m i s 实现，主要介绍a c c e s s 在本系统中的应用以及v b 对数 据库的访问：最后介绍安装程序的制作。 第五章给出本文的结论。 7 东南人学硕上学位论文 第二章系统设计 系统主要由数据采集模块( 电压谐波监测仪表) 、g p r s 模块、i c 卡、i c 卡读卡器，传 输网络( g p r s 网和i n t e r n e t ) ，数据中心组成。 在系统中一台电压谐波监测仪表完成一个监测点电压谐波的测量和记录并按规定 的通信协议向p c 机传送数据；数据通信可采用多种方式；运行在p c 机上的m i s 完成所有监 测点数据的存贮、管理和有关统计。本章将在对系统的功能分析的基础上，提出系统的整体 设计方案。 2 1 系统组成 电阿电压谐波监测系统的目标是完成所辖区域内所有监测点电压谐波的监测、统计和 信息管理，它是分散监测、集中管理的系统结构：在各监测点现场由监测仪表完成电压谐 波监测，并实时统计记录；将有关数据通过各种传输方式送到数据管理中心。即m i s ，形成 整体数据的处理和输出。所以，整个系统由三部分组成，即现场仪表、数据传输和m i s 。 电网电压谐波监测系统框图如图2 ，l 所示。现场仪表安装在各个监测点现场，完成电 压谐波监测、实时统计记录。数据中心( m i s ) 需要记录、处理大量的数据，并以灵活方便 豹形式输出结果，它安装在供电管理部门，因此是一个运行于p c 环境下的数据库和信息处 理软件系统。数据传输则是联接现场仪表和数据中心的纽带，由通信设各硬件和数据通信协 议组成。由于全国各地电力生产供应体制，用户特点、系统运行状况都不尽相同，所以对所 辖区域电能质量管理的具体要求千差万别。电网电压谐波监测系统中，通过m i s 的不同设 计实现不同用户的不同要求。这样不仅实现起来灵活方便，而且由于现场仪表功能统一有 利于批量生产和系统维护。这就要求现场仪表的设计必须总体考虑，为m i s 提供完整的实时 图2 1 电网电压谐波监测系统框图 统计数据由m i s 根据需要选择。 同时，通常供电部门采用分级管理的模式即省管市、市管县，所以m i s 要根据这一模 式具有相应的功能。县级m i s 由各监测点的数据形成报表上报市级m i s ；市级m i s 由其所辖 s 第二章系统设计 各监测点的数据形成报表，并汇 总县级m i s 报表，形成报表上报 省级m i s 。 2 2 电压谐波监测仪 现场仪表是基于a 删的三 相电网电压谐波监测仪p 它 通过对三相电压信号的测茸采 样，利用快速傅立叶变换算出电 压和谐波含量等电网参数，同时 还具有监测数据统计分析，与上 位机通信、显示及报警等功能。 仪表的总体结构如图2 3 所示， 它主要包括电源模块、信号采样 调理电路、a d 转换电路、实时 时钟电路、数据存储电路、通信 接口电路、人机交互显示电路和 m c u 控制器等几个部分。 三路被测信号经过电压互 感器的采集，滤波放大，然后经 a d 转换电路变为数字信号后送 m c u 处理。m c u 利用傅立叶变换 臣壶口臣垂口 l 现场仪表ll 现场仪表 图2 2 电网电压谐波监测系统分级结构 计算出各路测量信号的基波分量和各次谐波含鼍，晟后再根据仪表的设定参数进行统计、分 析、存储、显示等操作。由于电压互感器的隔离作用，外部干扰不容易对系统内部产生影响。 经m c u 处理处理以后得到的数据就是监测点电压谐波监测的最终结果，也是整个信息 管理系统的基础数据。实时统计数据处理以分钟为统计单位，将电压和谐波测量值变换为统 计值，并根据国家电能质量标准判断其是否合格，再完成统计记录。由于是实时数据，数据 图2 3 仪表的系统结构图 存贮以时间为地址索引，数据结构也经过了优化。 仪表记录存贮的电压谐波实时统计数据见表2 1 。 表2 1 仪表存贮的实时统计数据和仪表参数 i 数据项电压数据谐波数据 1 日统计总时段及尖、峰、平、谷时段的电压总畸变率超限时间、奇次谐波超限时 9 东南大学硕：学位论文 数据最大值、最小值及其出现的日期和时间、偶次谐波超限时间、总畸变率最 问、各时段合格运行、超上限超下大值、总畸变率晟大值出现日期及时 限运行时间( 以分钟为统计单位)间、最高谐波次数 总时段及尖、峰、平、谷时段的电压总畸变率超限时间、奇次谐波超限时 月统计最大值、最小值及其出现的日期和时间、偶次谐波超限时间、总畸变率最 数据间、各时段合格运行、超上艰超下大值、总畸变率最大值出现日期及时 限运行时间( 以分钟为统计单位)间、最高谐波次数 当前电压，总谐波畸变率和2 3 1 次谐波含有率、频率、终端日期及时间， 当前数据 合格运行时间和总运行时间( 以分钟为统计单位) 停电数据三相中任意一相停电和送电时间的记录 仪表编号、仪表密码、日时段数、各时段起始时间、费率、电压变比、电压 上限百分数，电压下限百分数、总谐波畸变率上限百分数、奇次谐波含有率 仪表参数 上限百分数、偶次谐波含有率上限百分数、月统计单位，仪表状态、典型日 设定，被叫方式上传地址、被叫时间设定。 完整的日曲线数据为每1 5 分钟周期 完整的日曲线数据为每1 5 分钟周期 的采样数据。起始时间为0 0 ：0 0 的采样数据。起始时间为0 0 ：0 0 曲线2 3 ：4 5 ，共9 6 点数据今日曲线：传 2 3 ：4 5 ，共9 6 点数据，今日曲线：传 送数据点个数为到当前时间的采样 送数据点个数为到当前时间的采样 数。谐波数据为总谐波畸变率及2 3 1 数。 次谐波含有率。 报警数据 当前电压值、电压超限设定值、报警日期及时问记录 在仪表中，实时统计数据的最小时间单位是日。仪表可以存贮两个月的日统计数据、两 年的月统计数据，其中所有数据均能够通过不同的通信方式向m i s 传送，日统计数据、月统 计数据和停电数据可通过仪表面板显示。为防止误操作和人为破坏，仪表设置了操作密码， 即对涉及测量、统计的工作参数和系统参数的设置修改都必须经过密码验证。对实时统计数 据采取了一定的抗干扰措施，并对重要的参数进行多组备份和合理性判断，进一步提高仪表 工作的可靠性。 在数据通信方面，考虑到不同应用场合的情况，仪表配置多种通信方式，i c 卡方式、 g p r s 无线传输方式等。g p r s 无线传输方式是信息管理系统中的通信模块通过i n t e r n e t 网和 中国移动的g p r s 网络远程调取仪表数据，仪表端配置g p r s m o d e m ；i c 卡方式是信息管理系 统通过i c 卡读写器读取i c 卡中存储的数据，在仪表端配置i c 卡接口，i c 卡选用a t m e l 公 司生产的a t 2 4 c 6 4i c 卡。具体的内容将在后面的章节中讨论。 2 3 数据传输与协议 由于整个系统是分级结构，所有的数据传输都是自上而下的，即由m i s 根据管理的需要， 发起数据传输( 抄表) 过程。所以。在数据传输系统中，m i s 是主机，各现场仪表是从机。 抄表是m i s 与某一台仪表“一对一”的通信过程，数据的主要流向是从仪表到m i s 其间m i s 要向仪表发送命令并控制数据传输的过程。 2 3 1 通信方式 目前，传统的电力监测通信信道分为有线和无线两类。有线传输的方式有：电力线载波 传输、r s 一4 8 5 现场总线、p s t n 公用电话网、光纤通信等8 1 ；无线传输方式有v t t f u h f 无线 1 0 第二章系统设计 电台、i s m 扩频电台、g s m 与c d i d a 等移动通信网以及卫星通信网等。每一种方法都各有其不 同的特点，它们的运作模式分别如下：利片j 电力线载波作为通信介质可以充分利片j 现有的供 电线路而不需要另外铺设专用的通信线路，但是电力线 i l i 】有干扰较大，且载波信号只能在 一个配电变压器区域内传送，通信距离较短j ；r s 一4 8 5 现场总线具有通信速率高、可靠性 好等优点，但用于大容里量系统时铺设专用线路 程造价太高、并且其传输距离也十分有限。 利用p s t n 公用电话网和g s h 、c d m a 等移动通信网作为通信介质的初期投入费用少，并且基 本无盲区覆盖，但日积月累的运营费用较高“j 。利用v h f u i t f 无线电台作为通信介质的 特点是：传输距离较远只需维护费用而无运营费用，系统使用及站点扩展很方便，尤其适 用于大容量分散式数据采集与监控系统，其性能价格比较高，但必须向当地的无线电管理部 门申请相应得频点才可正常使用。由此可见，有线和无线方式各有利弊，有线通讯的优势在 于数据传输的可靠性，但当r t u 远程测控终端过于分散时相应的测控系统所需铺设的专用线 路造价过高；而无线通信则在大容角的数据采集与监控系统中优势十分明显。 在各地的电网电压谐波监测系统应用中，监测点的场地、环境、设备以及系统管理人 员的配置也不同：有的监测点是变电站有的是厂矿企业，有的其至在居民家里；有的是市 区，有的是偏远的乡村；对于数据采集，有的有专门部门或专业人员负责有的则是委托当 地居民代管。所以。数据传输部分的设计要体现多样化，各监测点可以具有多种通信方式， 以适应不同的应用需求。另外，应尽量减少现场操作，并使之简便易行以减少误操作的可能 性。同时，由于仪表只能存贮两个月的完整数据，原则上必须每个月一次地将仪表数据传到 m i s 数据库中，所以，设计中应考虑尽可能地降低系统应用中数据传输所需的费用。 目前共用电话网己相当普及，一般监测点处都安装了电话线，所以系统数据传输的主要 方式通常是电话远传，即h i s 通过电话拨号，呼叫远方的现场仪表；现场仪表接到呼叫后激 活其通信功能，并回应呼叫，两者建立通信，m i s 再通过向仪表发送有关命令。完成数据传 送【l 。东南大学检测技术与自动化装置学科己研制开发了d t 4 犁单相电压谐波监测仪，并 自定协议开发了监测数据传输及其管理信息系统。该系统的远程通信就采用基于公用电话网 f s k1 4 0 d e m 方式。 近年来我国无线通信和计算机网络业迅速发展，利用g p r s 网络实现远程抄表技术日趋 成熟。g p r s 无线传输与其他无线传输方案( 如g s m 短消息方式) 相比，实时性强，运行费用 低，其应用日益广泛l l ”本系统中远程抄表采用g p r s 无线网络传输数据。 对于不适用采用g p r s 网络实现抄表的监测点，则采用人工抄表，即由操作人员采用i c 卡，到现场采集仪表中的数据，再到管理部门将所抄数据送入计算机。i c 卡抄表方式所用 的数据传输接口是i c 卡座和r s - 2 3 2 总线。i c 卡作为一种成熟的数据读写手段，其应用越 来越广泛。目前通用的i c 卡读写都是以a s c i i 码的形式在卡、读写器、p c 机之间进行存储 和传输，传输的效率比较低。本系统中使_ j 东南大学检测技术与自动化装置学科研制开发的 读写器。该读写器是面向a t h e l 公司生产的a t 2 4 c 6 4 型i c 卡的接触式读写器。它可以在卡、 读写器、p c 机之间直接以二进制形式进行传输和转换。传输的效率比较高。 在本系统设计中，数据传输采用两种方式：g p r s 无线传输和i c 卡。还有其它通信方式， 如电话、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、掌抄机等，但不在本文的讨论范围这里只介绍以下两种。 1 g p r s 无线传输方式1 1 4 j ” 采用g p r s 无线网络传送数据的技术己日趋成熟。这种方式主要是利用g p r s 数据业务通过 i n t e r n e t 进行通信。g p r s 技术传输速度快，永远在线用g p r s 技术实现的监控系统，实时性 强，安全可靠，按流量计费，比短消息更经济、合理。利用g p r s 进行远程抄表既避免了开 发新的频率资源，又开辟了远程监测的新领域。该系统具有网络覆盖范围广，系统抗干扰能 力强。通信速度快，通信误码率低等优点，并且，完全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行 成本低。随着g p r s 网络技术的不断发展，构筑在g p r s 网上的远程无线监测系统必然能与移动 东南大学硕士学位论文 通信技术的发展同步，因而具有广阔的前景。 图2 4g p r s 无线传输数据示意图 兼顾硬件成本和开发周期，g p r s 模块采用a y g - 8 3 cg p r s1 4 0 d e m ”。 y g 一8 3 cg p r sm o d i 珊 内嵌高可靠性的g p r s 和5 1 单片机系绷c s 5 l 。与仪表通过r s 一2 3 2 接口连接。数据速率为 9 6 0 0 b p s 数据位为8 ，停止位为1 ，无校验位。数据中心的p c 机( 主站) 采用s o c k e t 进行t c p u d p 编程，从i n t e r n e t 网络中获取数据。远程抄表时运行m i s 的p c 机通过拨号或其他方式获得 一个固定的i p 地址，处在监听状态，等待g p r s 终端发起连接。g p r s 模块登陆上g s m 网络后， 自动连接到g p r s 骨干网，从网关获得动态i p 地址，作为客户端向运行m i s 的服务器发连接 请求：建立数据链路后，h i s 按照通信协议与远程的现场仪表进行数据传输。 2 i c 卡抄表方式 i c 卡抄表方式是由专职抄表人员将i c 卡插入现场监测仪表上的卡座，并完成抄表操作； 再将i c 卡送到管理中心，插入与h i s 端p c 相联的i c 卡读写器，从卡中读取仪表数据。考 虑到容量、价格和供货等方面的冈素，系统选用了接触式的h t 2 4 c 6 4 。它具有8 k 字节容量， 能够胜任现场仪表数据抄录。为了方便、有效地实现i c 卡抄表功能。与m i s 端p c 机相联的 i c 卡读写器需要重新设计。该读写器适用a t 2 4 c 6 4 型i c 卡，专门针对本系统应用，其特点 是可以在卡、读写器、p c 机之间以二进制形式进行数据读写。 2 3 2 通信协议 图2 5i c 卡数据传输示意图 确定了数据传输方式。通信协议就显得至关重要。在i c 卡方式下，监测点现场的抄表 过程是仪表c p u 对存贮器件( a t 2 4 c 6 4 ) 的写入过程，考虑剑数据容量的问题，其数据格式 是经过压缩的；读表的过程是m i s 端p c 机通过r s 一2