【毕业学位论文】（Word原稿）电力公司电压远程监测系统的分析与设计-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 电力公司电压远 程 监测系统 的 分析 与设计 姓 名： * 学 号： * 所在院系：软件学院 职业类型：工程硕士 专业领域：软件工程 指导教师： * 副 指导教师 ： * 二 一 三 年 三 月 A in 2013 * * * of 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘 要 电压运行的质量直接影响到电网运行的质量， 因此电压运行状况的相关数据对于电力生产有着重要的意义和作用。 由于 现在电力公司电压监测工作还处于纯人工的操作阶段，不仅效率低而且数据的准确性、可靠性和及时性都得不到保证。为此，电力公司急需一套自动监测电压运行状况的系统，减少人工的干预，提高电压监测数据的可靠性和准确性。 随着电力公司网络环境的逐步发展，有线网络的稳定性和速度都已经达到了较高的标准，在此基础上电力公司也逐步建设并完善无线通讯信道，为电力公司生产设备远程监测及控制提供了良好的基础。而本系统也要利用现有的良好的无线通讯资源，实现电压运行状况数据的自 动传输，和对监测设备的远程控制及管理。 本文首先介绍了电力公司电压运行 状况 的背景和相关理论知识，分析了目前国内外研究现状和开发本系统的意义和重要性，描述了电力公司 电压远程监测 系统的 系统结构，制式，标准，访问 介质等问题。依据目前国内已有 电力公司 电压远程监测 系统的经验教训，提出适合的基于通用 电力公司 电压远程监测 系统，采用 C/S 两层结构和 B/S 三层结构相结合的 软件体系 方案 。 本文最后对该系统的研究和开发工作进行了总结和展望。 关键词 ： 电压远程监测 、 自动传输 、 无线通讯 、 远程控制I he of is by an on of is in to is in of of up in of is on a On is by to In its at of in its of its of to is is on s of 济大学 硕士学位论文 目录 录 第 1 章 引 言 . 5 课题研究背景 . 5 内外研究现状 . 5 国内现状 . 5 国外电压远程监测研究与发展趋势 . 5 电压远程监测存在的问题 . 6 研究意义 . 6 研究内容与论文组织结构 . 8 第 2 章 电压远程监测系统核心技术 . 9 系统目标 . 9 系统特点 . 9 系统设计原则 . 9 系统核心技术 . 10 限数据传输业务 . 10 通讯应用方式 . 10 接入点方式 . 10 数据接收的多线程机制 . 10 第 3 章 系统需求分析 . 12 基本问题 . 12 总体需求 . 12 数据信息接入方案 . 12 体框架 . 13 系统应用架构 . 13 平台与开发工具选择 . 14 数据库服务器 . 14 务器 . 15 前置通讯服务器 . 15 客户端 . 15 电压监测仪 . 15 开发平台 . 15 第 4 章 系统设计 . 16 系统网络结构 . 16 功能模块设计 . 17 数据采集子系统 . 17 同济大学 硕士学位论文 目录 数据分析子系统 . 24 档案管理子系统 . 34 系统管理 . 35 性能设计 . 35 通讯性能设计 . 35 数据库性能设计 . 36 数据库设计 . 36 系统安全设计 . 55 通讯信道安全 . 55 报文加密 . 55 防火墙 . 55 权限控制 . 55 系统测试设计 . 55 试条件 . 55 测试概要 . 55 测试环境与配置 . 56 测试方法 . 56 测试结果及缺陷分析 . 57 测试执行情况与记录 . 57 测试组织 . 57 测试版本 . 错误 !未定义书签。 覆盖分析 . 58 需求覆盖 . 58 测试覆盖 . 59 缺陷的统计与分析 . 60 缺陷汇总 . 60 缺陷分析 . 61 残留缺陷与未解决缺陷 . 62 测试结论与建议 . 62 测试结论 . 62 建议 . 63 第 5 章 总结和下一步工作 . 64 致谢 . 65 参考文献 . 66 第 1 章 引言 5 第 1 章 引 言 课题研究背景 近几年，电力公司每年都会发布“社会责任书”，诣在提高电力公司的产品及服务质量，提升企业形象。在“ 十一五 ” 期间， 电力 公司将投资 数百 亿元，建成与发展定位相匹配的坚强电网，为经济腾飞提供可靠的电力保证。 电力公司既是国家电网公司的重要组成部分 、也是 很 重要的基础设施和公用性行业 。 由于现在电力公司电压监测工作还处于纯人工的操作阶段，不仅效率低而且数据的准确性、可靠性和及时性都得不到保证， 当遇到问题时，由于不能及时的得到准确的电压运行数据，在一定程度上降低了电压质量，可能影响用户的正常使用或生产。因此，为提高电力公司的产品及服务质量 需要开发一套自动监测电压运行状况的系统来减少人工的干预，提高电压监测数据的可靠性和准确性。 1 多年来，电力公司 服务经济社会发展大局，认真履行承担的社会责任。在建设坚强电网的同时， 电力公司 公司还在国家电网品牌统领下 ，努力 建设坚强电网，提升优质服务水平，满足全社会不断增长的用电需求，为经济社会的全面进步做出新贡献。 内外研究现状 国内现状 国内对电压 监测系统的研究和开发相对于国外来说比较晚，是 20 世纪 90 年代初才开始的，但发展速度较快，主要集中在高校和研究所，各个研究单位都先后研制出不同类型的配电网过电压监测系统，大多数监测系统采用高压分压器来获取电压信号，尽管该类分压器对稳太和暂态波形的响应特性都较好，但是，对高压电网来说，必须考虑其长期运行的可靠性、发热、阻抗匹配和交流冲击等一系列问题，特别是对人身和测量 设备的安全问题，同时，分压器的安装也增加了一次设备投入问题，这在电力系统中实施是很困难的，因此，不能像配电网那样并联一个分压器来提取电压信号。 2 国 外 电压远程监测 研究与发展趋势 同济大学 硕士学位论文 6 目前电压监测的结构形式主要有分布式测试和集中式测试二种形式。分布式测试方式一般可分为四层：就地、通信、主控和远程局管模块层，每一层完成不同的功能，由不同的设备或子系统组成，层次和功能清晰，利用模块化设计，现场和故障处理较为方便，但系统组成复杂，成本较高，目前应用还不很广；集中式测试形式利用各种不同形式的传感器将过电 信号抽取出来，通过电缆送入数字装置，完成对被测信号的 A/D 转换及滤波等功能，然后再送入计算机进行分析与处理，最后将测试结果在计算机上显示、打印、报警，亦可通过网络送到上一级控制中心，实现对某一变电站多条母钱电压的监测和数据的集中管理，结合通信模块即可并入分布式系统，因此，目前监测系统以集中式监测方式为主，并逐步向分布式发展。 2 现代电网规模越来越大，测试地点越来越多，未来 电压的 监测不仅局限于某一点，而是要实现同一供电系统内不同地点的监测，甚至实现多个不同供电系统的集中监测。随着网络技术、光纤通信技术的迅 速进步及标准化协议的制定，远监测技术的发展方向必将是网络化、智能化、信息化和标准化。 2 电压远程监测 存在的问题 虽然国内各个研究单位都研制出了不同类型的 电压远程监测 系统，但仍然存在一些问题，主要有以下几个方面： 2 其在 110以上各级系统中，绝缘水平高，环境差，依靠专用分压器来获取过电压信号存在许多问题，因此需要研制安全性和传输精度高的电压获取设备。 要是由于各种背景干扰、采样误差以及分压器特性等 3 种原因引起的，畸变严重影响了监测 和分析 ，需要设计一种适用的重建方法来消除畸变，重现原始瞬态信号，以便进一步分析。 水平不高，现在运行的绝大多数过电压监测装置软件不具备数据分析能力，需要开发各种可供分析判断的软件。如卖家诊断系统的建立，通过调查、归纳、综合、分析工作，形成专家系统，作为分析判断过电压故障的依据。 今还没有一个正式的国家标准或行业标准可作为制造厂家生产和用户验收的依据。 研究意义 1、 术的应用，增强了电压管理的自动化程度， 电压数据的采集摆第 1 章 引言 7 脱了传统的手工抄数的工作模式，使传统手工操作量大、工作效率低的弊端得以克服，极大的提高了电压管理的工作效率和数据真实可靠程度。 2、由于电压运行数据召测及终端参数的实质可以在远方进行，减少了员工进入现场操作的误操作率，同时降低了维护成本。 3、统一了电压数据的管理，形成了一套专门的电压运行数据管理平台。 4、系统的开发不仅带来的工作效率的提高，并且为电力制定了电压监测仪入网标准，统一了入网设备的功能，方便了电压管理。 5、系统由于是自动数据召测大大降低了工作人员不到现场抄数而谎报数据的情况， 大大提高的数据的准确性。 6、电压运行管理是对电网供电质量及可靠性进行衡量的重要手段，电力生产的可靠性直接影响到人民的生产和生活。因此，及时得到电压运行的数据，有利于及时发现电力生产中的问题，从而保证电力运行的可靠性。 同济大学 硕士学位论文 8 研究内容与论文 组织结构 本文主要是在 电力公司网络环境的逐步发展， 有线网络 的稳定性和速度都已经达到了较高的标准 情况下，从减少 人 工的干预 、 提高电压监测数据的可靠性和准确性 、 提高电力公司的产品及服务质量 的管理水平的角度出发，提出了 电力公司 电压远程监测 系统的总体结构，对 电压远程监测 系统 的网络结构、 软件结构 数据信息接入方案 的选择进行了重点研究，并依据目前国内已有的 电压远程监测 系统的经验教训，提出适合的 远程监测 系统方案，以指导今后 电力公司 的设计和施工，满足经济发展和 用电 量增长的需要。 3 本论文主要做了以下几方面的工作 : 网 形成的情况下，研究各种 电压运行状况数据的自动传输，和对监测设备的远程控制及管理 和制式的基础，分析 电压远程监测 的可行性，提出对于整个 电网 电压远程监测 进行全局性、系统性的管理和控制。 压远程监测 系统 的认识和看法不 同相关产品也不尽相同 压远程监测 ，关键技术之间以及各终端与网络之间的无缝化结合将是影响到 电压远程监测 成功与否的关键。本论文将根据所用的 核心 技术，无缝化整合，提出整合的思路。 3 对于网络环境中的 电压远程监测 系统 进行研究，提出切实可行的模式和资金划拨方法 . 论文的内容组织如下所示 : 第一章 绪论。阐述了本文的研究背景，分析了 电压远程监测 系统 的基本特征综述了国内外研究现状并对本文的研究内容与组织结构作了介绍。 第二章 通用 电压远程监测 系统的 核心 技术 及系统目标、 系统特点、 设计原则 、系统安全 。 主要 介绍了 限数据传输业务及 特点；通讯应用的方式及接入点的方式；数据接收的多线程机制 。 第三章 系统需求分析。介绍分析了 电压远程监测 系统 的 总体框架， 系统工作原理。 第四章 系统设计。对 电压远程监测 系统 的架构，各个功能模块进行了设计和说明。并对其数据库进行了设计说明。 第五章 系统测试 。总结了本系统 测试阶段的测试情况以及分析测试结果，并提出了一些优化 建议 。 第六章 总结项原则与展望。总结了本系统的研究和开发工作，提出了系 进一步优化的方向和建议。 第 3 章 系统需求 分析 9 第 2 章 电压远程监测 系统核心技术 系统 目标 电压远程监测系统的目标：利用现有无线通讯资源，建立一套高度自动化的电压远程监测系统。实现电压表数据的自动上传，主站应高度自动，不设运行管理人员，减少人工操作，提高数据的准确性和及时性；制定统一通讯协议，方便不同厂商电压监测仪接入主站系统，减少系统重复开发带来的消耗；制定满足公司今后电压管理的电压表的技术标准，讨论确定后作为电力公司的入网技术条件。 系统特点 电压远传监测系统使用 线通讯技术，实时监控在线电压监测仪运行情况。本系统具有如下特点： （ 1）本系统使用 线通讯技术，实 现电压运行数据的远程传输，具有科学性及使用性的特点。 （ 2）本系统中，电压监测仪终端主动向主站发出“心跳”，使主站实时的监控终端的在线情况，并实时的召测数据。 （ 3）本系统采用“召测策略”机制，制定定时任务，定时召测远程电压监测仪数据，实现了主站无人管理。 （ 4）本系统采用 C/S 与 B/S 相结合的结构，从功能上将数据采集和数据分析相分离，保证了系统的安全性。 （ 5）本系统采用通讯主站和数据库相分离，保证了数据安全。 （ 6）本系统通讯方式接入方式采用 分保证了电力公司内其他系统的安全。 系统设 计原则 用 B/S 与 C/S 相结合的体系结构 。 行广泛的调研和充分的论证。 同济大学 硕士学位论文 10 合实际，以实用为最终目标。 计优化算法，充分利用开发平台本身的功能，提高系统的运行性能。 各子系统融为一个有机整体，并且以简单明确的方式做好与相关系统的接口。 系统核心技术 限数据传输业务 该系统通讯采用 线数据传输业务，将电压数据实时发送会数据中心 ， 有的 特点： 4 要激活 用就永远保持在线，不存在掉线问题，相当于一种高速无线专线网络 ； 然永远在线，但只有产生通信流量时才计费。它是一种面向使用的计费方式，更加科学合理； 新的分组服务，无需长时间的拨号建立连接过程； 论传输峰值远高于拨号上网及一般无线电台。 通讯应用方式 该系统通讯采用实时模式，保证了数据传输及对设备监控的及时性： 实时在线是通过终端的心跳来维持的。心跳的周期为 20 分钟一次。终端的心跳帧内包含有终端 的 址。主站在需要终端数据时主动与终端建立链路，并进行数据交互。 接入点方式 该系统接入点方式为 ，即“接入点名称”，是中国移动 对数据专网用户所提供的无线 务。具有稳定性好，安全性高的特点。 数据接收的多线程机制 在接收数据过程中，由于会对上百台电压监测仪进行接收与处理，如果按照程序正常的工作流程，则每个终端都要进行排队等待，造成资源上很大的浪费。为了保证程序运行期间系统任务和数据库操作不会占用系统较多资源，程序开发第 3 章 系统需求 分析 11 使用了多线程机制。使多个任务能够在系统后台有条理的并发执行，同时避免了多个任务对数据资源的抢占而导致死锁的现象发生，增强了程序运行的稳定性。 由于多线程机制的使用，在系统运行期间，用户可以在等待任务执行过程中去做其它的工作，而正在执行的任务与新的任务不会相互影响，大大提高了程序的工作效率。 同济大学 硕士学位论文 12 第 3 章 系统 需求分析 基本问题 在本项目的开发过程中，我们的重点及难点的基本问题，有以下几个方面： （ 1）通讯应用模式的制定： 通讯应用模式的制定关系到系统整体架构的制定。如果采用主站唤醒模式系统就要采取 短信与 结合的方式，不仅浪费了通讯费用而且降低系统的实时性。最终经过讨论，系统采用实时在线模式，此模式是电力公司现有通道带宽及通讯计费方式允许的情况确定的，即提高了系统通讯的实时性，又将摆脱了号绑定的限制，提高了系统的灵活性。 （ 2）数据接收的多线程问题 在接收数据过程中，由于会对上百台电压监测仪进行接收与处理，如果按照程序正常的工作流程，则每个终端都要进行排队等待，造成资源上很大的浪费。为了保证程序运行期间系统任务和数据库操作不会占用系统较多资源，程序开发使用了多线程机制。使多个任务能够在 系统后台有条理的并发执行，同时避免了多个任务对数据资源的抢占而导致死锁的现象发生，增强了程序运行的稳定性。 由于多线程机制的使用，在系统运行期间，用户可以在等待任务执行过程中去做其它的工作，而正在执行的任务与新的任务不会相互影响，大大提高了程序的工作效率。 （ 3）实时系统的大数据量问题 实时系统数据量巨大，并随终端数量及使用时间的增加数据表内的数据记录会越来越多，如果同类数据存储在同一个表内那么会降低系统的整体性能。为解决这个问题本系统的基础数据表采用动态创建的方式，以一年 /月为周期动态创建数据表，从而确保 系统不会因为数据表中的记录数过多而造成性能的下降。 总体需求 数据信息接入方案 电压监测仪采用集中式方案，实行与电能信息系统使用相同的信道，增加公网利用率。设备安装在电压监测点，通过 式将数据传输的市第 3 章 系统需求 分析 13 电力公司信息中心 采用该方案， 所有采集点的实时数据都汇集到一个中心点（调度中心），形成一个中心的数据库，其他各个应用到这个数据库访问各自需要的数据。在数据中心只需租用一条到运营商的专线即可完成实时数据的回传和采集。集中式方案结构比较简单、直接，符合目前我们集中管理的模式 。 体框架 电压远程监测 系统总体框架如图 示： 图 电压远程监测 系统物理框架 系统应用架构 根据软件使用者对不同功能的需求，该系统的软件体系架构采用 C/S 两层结构和 B/S 三层结构相结合的方案。也就是说，该系统分为两个分系统，数据采集分系统采用 C/S 两层结构，而数据分析分系统采用 B/S 三层结构。 5 C/S 两层结构是面向数据的应用结构，其理想的应用程序环境是一百个客户端以下，通常只有一个数据源（ 提供基于局域网的连接，并只能提供较低的安全保障。从开发和维护的角度考 虑，当超过 100客户端时，每个客户端的开销会呈非线形增长，会给部门和部门间带来许多应用限制。 6三层次的 B/S 架构是基于 先进的体系结构，这种架构利用 用服务器和事务处理中间件，为应用程序提供 行环境。数据资源和客户机被“应用服同济大学 硕士学位论文 14 务器”分隔开。应用服务器上存储和运行应用逻辑，这种结构着重于客户机对应用服务的请求，在客户端只有标准的浏览器和插件，所以称为“瘦客户型”。 7三层次的架构具有极高的长期可扩展性，易于维护，随着客户数量、应用的复杂度的增加，开发和维护的费用基本上呈线形增 长。综合考虑以上因素，只限于少量用户使用的数据采集子系统采用 C/S 两层结构，而拥有大量用户的 询子系统采用 B/S 三层结构。 8 1、由于数据采集子系统负责终端数据的召测和终端参数设置，并将数据存储到数据库中，并且将安装与前置通讯服务器上，因此采用 C/S 结构。 2、数据分析子系统负责对已有数据的分析工作，而且使用该系统的人较多，因此采用 B/S 结构。 电压远程监测 系统结构图如图 示 : 数据库通讯监测（ 通讯前置机 ）数据发布分析电压监测仪图 电压远程监测 系统结构示意图 平台与开发工具选择 数据库服务器 003 应用最广的操作系统平台，易用、易维护。 i 电力公司大多数信息系统，例如供电生产 统、图形辅助生产管理系统（ 电力可靠性管理系统等，采用的数据库管理系统是 i。为了更好地实现与这些系统之间的无缝接口和数据共享，本系统也采用 i 作为第 3 章 系统需求 分析 15 数据库平台。 据库是一种先进的面向对象的数据库，是目前业内伸缩性最好、功能最齐全的数据库之一。无论是用于驱动网站、打包应用程序、数 据仓库或者是 用程序， 据库都可以作为专业计算环境的技术基础。它在事务处理、可靠性、安全性、数据仓库技术方面都具有独到的优点。 9 务器 采用我 003 操作系统，放置在市电力公司信息中心，于电压表数据分析及统计功能。 前置通讯服务器 前置通讯服务器，采用 003 操作系统，安装电压表数据采集软件，用于与现场终端设备的通讯，主要包括 数据参数的采集和终端参数设置功能。 客户端 操作系统： 8/ 000/P 应用最广的操作系统平台，易用、易维护。 电压监测仪 电压监测安装在电压监测点，通过 式将数据传输的市电力公司信息中心。 开发平台 ； i 存储电压表数据 +语言开发 务器端程序采用 言开发 10 同济大学 硕士学位论文 16 第 4 章 系统 设计 电压远程监测系统是由电压监测仪、电压数据分析软件、 据通讯服务器和客户机等组成的一套电压监测网络系统，它利用现有的 线数据通讯技术，把电压监测仪在现场所采集的电压数据发送到 讯服务器上，同时，也可以通过 线通讯，利用 P 协议，对远程电压监