（电力系统及其自动化专业论文）基于pmu的电网实时监测系统主站设计.pdf

山东大学硕士学位论文内存数据库、应用数据库及历史数据库相结合，多线程与多进程技术的使用保证了电力系统监测的实时性。该平台配置灵活，维护简单，用户界面良好，具有实用化前景。关键词：电网，相量测量装置，实时监测，主站，数据库，通信，多线程与多进程n山东大学硕士学位论文a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ei n t r o d u c t i o no ft h eg l o b ep o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ，t h ep h a s o rm e a s u r e m e n t s , w h i c hp l a y sa l li m p o a a n tr o l ei np o w e rs y s t e m ，b e c o m er e a l i t y t h r o u g hp h a s o rm e a s u r e m e n t s ，t h er e a l - t i m eo p e r m i o ns m t eo fap o w e rs y s t e mc a nb es e e n ，w h i c hi sm e a n i n g f u lt ot h et h e o r ya n da p p l i c a t i o nr e s e a r c ho np o w e rs y s t e ms u p e r v i s o r y , p r o t e c t i o na n ds t a b i l i t yc o n t r 0 1 p r e s e n t l y , t h er e l e v a n tr e s e a r c ha b o u tp o w e rn e t w o r kr e a lt i m es u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do np h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t sh a sb e c o m eah o tt o p i c c o m b i n e dw i t haa c t u a lr e s e a r c hp r o j e c t ，t h i st h e s i sc a r r i e do u tas t u d yo nt h ec e n t r a ls t a t i o n ( c s ) i n c l u d e di nap o w e rn e t w o r kr e a lt i m es u p e r v i s o r ys y s t e m t h ep a p e r sp r i m a r yc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：i n t r o d u c t i o n st ot h es u p e r v i s o r ys y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o n so f i t sm a i np a r t s ；s c h e m ed e s i g no ft h ec s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ；c o n d u c ta n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt os e v e r a ld a t a b a s e s p r e s e n ta no p t i m i z e dd a t a b a s ed e s i g nf o rt h ec e n t r a l s t a t i o np l a t f o r mb yr e f e r r i n gt ot h o s ed a t a b a s ed i f f e r e n c e si nc a p a b i l i t y ；t h ed e s i g na n dp r o g r a mr e a l i z a t i o no fm a i n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e ；b a s i n go nt h ed a t aa c q u i s i t i o nc h a r a c t e ro f p m u p r e s e n to n ek i n do f n e t w o r kp a r a m e t e rm a n a g e m e n ts o f t w a r es u i t a b l ef o rt h ec e n t r a ls t a t i o n ，w h i c hc a nb eu s e dt op r o v i d eo n l i n ec a l c u l a t i o nm o d e lf o ra d v a n c e da p p l i c a t i o ns o f t w a r e i nt h ec e n t r a l s t a t i o np l a t f o r m ，d a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a li st y p es d h - o ip m ud e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yt h es h a n d o n gu n i v e r s i t y t h ep l a t f o r ms t r u c t u r ea n dt h ed a t at r a n s m i s s i o nb o t t o mp r o t o c o la d o p t st h ec l i e n t s e r v e rm o d ea n dt c p i p ，w i t ht h em ss q ls e r v e r2 0 0 0s e v e r i n ga st h ea p p l i c a t i o nd a t a b a s e t h r o u g hr e p e a t e de x p e r i m e n t s ，t h i ss t a t i o ni sp r o v e dt h a ti ti sc r e d i b l ea n ds e c u r e ，a n dh a st r a n s p l a n t a b l ea n du n i v e r s a lc h a r a c t e r s m e m o r yd a t a b a s e ，a p p l i c a t i o nd a t a b a s ea n dh i s t o r yd a t a b a s ea r ec o m b i n e de a c ho t h e r t h em u l t i - t h r e a da n dm u l t i p r o c e s st e c h n o l o g ya s s u r e sr e a l - t i m ed a t at r a n s m i t t i n g t h ep l a t f o r mc o n f i g u r ei sv e r yf l e x i b l e ，a n dt h eu s e ri n t e r f a c ei sf r i e n d l y s ow eb e l i e v et h a tt h i sc e n t r a ls t a t i o np l a t f o r mw i l lb e1 1 1山东大学硕士学位论文a b l et og e tp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p o w e rn e t w o r k , p m u ( p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ) ，r e a lt i m es u p e r v i s o r y , c e n t r a ls t a t i o n ，d a t a b a s e ，c o m m u n i c a t i o n ，m u l t i - t h r e a da n dm u l t i p r o c e s si v原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：熟丝日期：呈! 堕：! ?关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：燃。导师签名：e t 期：兰竺! ：芗山东大学硕士学位论文第一章绪论1 1 电网监测系统综述近年来，随着电力系统的规模不断扩大以及自动化程度的日益提高，监控技术在电力系统稳定、负荷预测甚至经济运行等方面显示出越来越重要的作用。其中我们最熟悉不过的要数s c a d a 系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) ，它是电力系统自动化技术的一次历史性飞跃。4 0 年代数据收集与监视系统( s c a d a ) 第一次将实时数据展现在模拟盘上，极大地增强了调度员对实际系统运行变化的感知能力；5 0 年代自动发电控制( a g c )将调度员从频繁的操作中解脱出来：6 0 年代大系统事故将安全分析提上日程，负荷预测、发电计划和预想故障分析为调度员提供了辅助决策工具，提高了他们对运行状态的分析与判断能力。自动化技术在6 0 年代到7 0 年代经历了一次重要变化由模拟转向数字，为7 0年代中期由s c a d a 、a g c 和网络分析汇集成e m s ( e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ) 系统创造了条件。8 0 年代以来计算机技术的每一项进展都快速反映在e m s 上，数据库技术使e m s 应用软件成为“有源之水”，人机会话( 删i ) 技术使调度员应用e m s 越来越方便，通信技术使e m s 的构成越来越灵活，8 0 年代中期借鉴e m s 技术，s c a d a 、网络分析和负荷控制( l c ) 三大项目汇集成d m s ，随后又扩展了地图设备管理( a m f m ) 和投诉电话( t r o u b l ec a l l ) 等功能。这些技术的发展无不体现了自动化技术在电力系统应用中越来越重要的地位，并且其中一个很明显的作用就是加强了不同电网之间的联系，以及能够对系统信息采用集中式的监视和控制。在暂态稳定分析中，准确性和计算速度的不可兼顾一直是困扰各种分析方法在线使用的主要问题。这是由于：一方面，以往暂态稳定分析中使用的数据是对异步采样的数据经过状态估计得到的，这使暂态分析结果的准确性受到很大影响。另一方面，为了达到在线分析控制的目的，需要选择合适的计算模型。过于复杂的模型在实时条件下很难应用，而简单模型得到的稳定判据往往准确性差。近年来，一种利用全球定位系统( g p s ) 提供精确时间基准的同步相位测量单元为我们在电力系统监控方面提供了新的思路。相量测量单元英文缩写是p m u ( p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ) ，p m u 基本功能就是利用g p s 信号作为时间基准，在全网范围内对电压电流进行同步测量，并提供频率、相位和幅值信息，这为电力系统自动监控技术开辟了崭新的研究空间。白上世纪9 0 年代，美国等西方国家开始研究开发p m u并应用于电力系统山东大学硕士学位论文1 2 基于p m u 的监测系统及其主站软件平台的提出众所周知，s c a d a 系统已经成为e m s 和d m s 一个不可分割的子系统，它的主要组成部分是：r t u 、f t u 、t t u 等数据采集终端，主站工作机( 包括硬件和软件) 。同其它监控系统一样，s c a d a 系统是将来自采集设备的数据上传到主站，经由主站分析，再发出相应的遥控或者遥调信号。但是来自终端r t u 和f t u 的数据是否能够完全满足调度中心的需要呢? 就目前来看，做到这一点还有相当一段距离。采自r t u 的数据有两个明显的缺点。第一：r t u 没有计算相角的功能，只是单一的记录遥测量的大小，我们知道相角是描述系统能够运行状态的重要变量，尤其是同步发电机并网运行后，其功角6 是用来观察和判断该机组和电力系统并列运行稳定性的一个很重要的状态量，实时测量各电站的电压相量特别是它们的相位角，对于系统稳定判别与控制有着非常重要的意义。幅值的测量十分简单，相位相对较难。传统的状态估计方法，虽然能够计算出各电压的相位关系，但是需要很长的时间( 几秒计算一次) ，根本达不到实时计算的要求，而且精度难以保证。第- - ：数据没有精确的统一时间标签，就一个局部小范围内，这不会产生很大影响，但是扩展到大区级电网和省级电网，不同地点的数据就无法从一个全局范围来联系，对于5 0 h z 的工频量而言，l m s 的同步误差可以产生1 8 0 的相位误差；而要保证相位误差不超过0 1 0 ，其同步精度不应该小于约5 5 p s 。相量测量装置的出现极大的弥补了传统数据采集装置的不足，它可以直接测量电网各母线或节点的电压幅值和相位( 通常为正序值) ，这种测量建立在同步采样和离散傅立叶变换算法的基础上。同步采样的方法一般有两种，第一种是传送波形测量，它使用专用通道将一端的电量发送到对端进行比较，因为它对传送网络的要求较高加之精确性也不好，所以现在大都采用同步时钟测量的方法，接收g p s 卫星信号的电力系统同步时钟的出现，为我们提高了精度高达1 微秒的同步时钟信号。g p s 日p 全球定位系统，它是美国的一个空间无线电航海系统，这个系统包含2 4 颗卫星，每颗卫星上都装有走时长期稳定且精确的原子钟，其误差为三十万年一秒，并且每颗卫星连续每秒向地球发送一次时钟及其所在位置的无线电信号。以g p s 时间为基准并触发同步采样脉冲的p m u ，可以保证相位测量误差不超过o 1 0 ，较好的解决了相量同步测量问题。由此可见，基于p m u 的监测系统的构建对于提高电力系统自动化水平，加强电力系统动态稳定监测和分析能力都是非常有意义的。国家调度中- 亡, 2 0 0 3 年颁布的电力系统实时动态监测系统技术规范指出，为配合全国联网，进一步加强电力系统调度中心对电力系统的动态稳定监测和分析能力，应在重要2山东大学硕士学位论文的变电站和发电厂安装同步相量测量装置，构建电力系统实时动态监测系统，并通过调度中心分析中心站实现对电力系统动态过程的监测和分析该系统将成为电力系统调度中心的动态实时数据平台的主要数据源，并逐步与e m s 系统及安全自动控制系统相结合，以加强对电力系统动态安全稳定的监控。本文所研究的监测系统正是使用了相量测量装置( p m u ) 作为数据采集终端，置位于所要监测的主要发电厂和枢纽变电站，另外还包括通信网络和主站监测中心。其中主站位于电网的调度中心，是整个系统的中心环节，而主站的软件平台又是主站的核心，它的主要功能就是负责数据信息的接收、汇总、显示以及在线的高级应用分析，其内容涉及到数据库，网络通信，g d i 图形设计等。本文研究工作就是根据p m u 的自身特点，设计一套基于同步相量测量的主站软件平台。主站软件平台的设计要充分考虑到系统的特点，第一个就是实时性强，因此要尽量优化程序的结构，减少计算机资源的浪费，使网络传输更加通畅；第二个特点就是数据量大、数据信息丰富，因此需要合理的数据库资源来保证接收数据的完整性和有效性；第三点就是尽量把相量测量装置的优势体现出来，其中最直接的办法就是设计清晰直观的人机界面，让调度人员更加准确地把握电网的运行状况。1 3 论文主要工作冢纺掌筋搓臻锚谨与瑟矛思稿根据系统要求，从理论层面对整个系统的结构进行分析，在参阅了大量的相关文献以及实际调研了其它一些电力系统监测软件的基础上，给出了主站平台的设计方案。主芴贸斧乎分通砻筷联瑟矛根据监测系统的通信规约编程实现p m u 上传数据的接收和分发，并注意提高数据接收的高效性。焱指霹貘劭设计完成了对内存数据库、历史数据库的开发，并掌握了专业型数据库( 应用数据库) 的基础知识和应用开发方法。t 扔窆互雾历模鬓实现了实时数据信息以图元( 曲线、相位图、列表等) 形式显示及历史数据查询等功能。通过对这个模块的开发，本人对计算机图形编程进行了深入的研究。詹网彩惑参我管理筷头用于将电网中的各个节点和线路参数放入到专业数据库进行保存，同时可以绘制整个电网拓扑图和某一个厂站内部接线图，这个模块的设计最终目的是为日后的高级在线应用分析提供准确的计算模型。山东大学硕士学位论文第二章基于p m u 的电网监测系统总体构成2 1 系统总体框架搭建思想本文提出的监测系统设计，是以山东大学电气工程学院自主开发的s d p m u 一0 1 型相量测量装置为远程终端，在基于连接的t c p i p 的客户端服务器( c s ) 模式下构建，通过通信网络，监测主站能够准确的接收转发来自p m u 的各种数据，利用不同数据库实现对数据的阶段性存储，具备与其它系统( 如e m s 系统、电力系统分析程序) 交换数据的功能，友好丰富的人机界面可以让调度人员更加全面准确地了解系统状态。系统结构如图2 一l 所示面图z l 系统结构框架图2 2 系统的组成部分整个监测系统是一个分层管理系统，其构成可以划分为三个层次：2 2 1 数据采集子站( p m u 端)这一层由多个子站组成，而每个子站可以包含1 个或多个相量测量装置( p m u ) 。监测系统子站端通过p i v e i 将测量量、状态量等数据信息采集，处理后经由通信网络发往调度中心4山东大学硕士学位论文( 主站端) 。s d p m i j - 0 1 型相量测量装置本身具备保存数据的功能，每一天的数据量使用一个e x c e l 文件进行保存，主要的数据信息包括三相电压、三相电流、频率以及功率。目前已有两台p m i j 在山东电网的出v i 处菏泽发电厂和青岛发电厂安装成功，经过一段时间的观察，设备运行状况非常良好。p m u 硬件结构主要是由模拟量输入、同步采样控制、a d 转换以及微处理器、工控机和接口部分组成。图2 2 给出了p n j 的硬件结构框图。模拟量输入部分设有多个通道，可用来对同一个电站内的若干电压和电流同时进行测量。来自p t 或c t 二次侧的电压或电流信号，经隔离变换、模拟低通滤波后被建立在g p s 时间基准上的同步采样系统所接收，经a d依次转换后按顺序放入固定的r a m 里，d s p 根据离散付氏变换( d f t ) 算法，每过一个采样周期计算一次所有被测量的各相基波分量和对应的正序分量，然后利用g p s 接收器串口提供的时间信息和数据窗第一个采样点的顺序编号给计算结图2 - 2 相量测量装置的硬件结构框图果置以便于识别的“时间标签”。工控机对各同步相量进行附加计算和显示，计算得出的结果连同其时问标签按照通信规约的要求，经r s 2 3 2 串口或以太网接口送至监控中心的数据服务器中。d s p 还提供其它的串并口用于本地通信、读取g p s 时间信息、打印及开关量输入。装置中的时钟除了能提供同步采样脉冲外，还能提供其他装置对时需要的分脉冲o p p m )和时脉冲( 1 p p h ) 。s d p m u 一0 1 型相量测量装置的具体实现采用了t m s 3 2 0 c 3 2 型d s p ，1 6位a d 转换器，奔腾工控机。山东大学硕士学位论文2 2 2 通信网络层通信网络是计算机以及终端之间以通信线路连接，形成了一个以调度为中心的数据通信网络。电力系统自动化水平的提高在很大程度上要倚靠数据网络的现代化建设，我国电力调度系统数据网络c e d n e t ( c h i n ae l e c t r i c - - p o w e rd i s p a t c h i n gn e t w o r k ) ，按照分机调度管理的原则，网络可以分为三级。第一级网络为国家调度到大区级或者直属省调的数据网络，第二级为网调到所属省调以及直属地调的数据网络；第三级网络是省内数据网络。电力系统包含大量的数据信息，而电力调度所需数据具有最高的优先级。目前电力通信网络的建设逐步采用i s o 的o s i 网络体系结构，分为资源网络和通信子网。通信子网为上层网络提供可靠的数据传输，采用分组交换技术，以分组交换机为节点，组成某一个大区级电网甚至全国的分组交换网( 广域网) ，各地的基于i e e e 8 0 2 系列标准的局域网都可以通过广域网互连。2 2 3 主站端2 2 3 1 主站端的硬件和常用软件配置本课题研究方向就是在上述硬件( 采集设备和通信网路) 环境具备的情况下，设计一套基于p m u 的监测主站。主站软件和硬件具体配置如下：6a 硬件中心控制和数据库服务器采用高性能的惠普服务器处理器：p 4 2 8 gr a m ：5 1 2 mh d ：3 6 4 s c s ie t h e r n e t ：i o 1 0 0 1 0 0 0 m根据需要可以扩展出i 路或者多路r s 一4 8 5 或r s 一2 3 2 串口客户端为普通p c 机即可b 软件服务器操作平台为w i n d o w s 2 0 0 0a d v a n c e ds e r v e r应用数据库采用m ss q ls e r v e r2 0 0 0 中文企业版山东大学硕士学位论文监测主站图2 - 3 监测主站软件平台构建图p m u 监测主站系统处理数据对精度要求较高，因此统一规定了系统内部数据的精度为8 ，外显数据的精度为6 。2 2 。3 2 主站端各功能模块简介根据主站的功能要求和分工，所构建的主站平台如图2 3 所示。整个软件平台由五个模块组成。它们分别是通信、人机交互、数据库、电网参数管理、高级应用模块。在线高级分析模块是p m u 监测系统中的一个主要环节，也是一个监控系统的生命力所在，但因为我的研究方向不涉及到高级应用，故论文将不对这个模块进行详细介绍。通信模块主要功能就是数据的接收、处理和转发。处理过的数据应该马上放入数据库7山东大学硕士学位论文中，在数据库模块中存在三种的数据库( 内存数据库、应用数据库和历史数据) ，三个数据库分工协作，负责主站接收数据的保存和维护。考虑到实时性的要求，高级应用模块中数据首先来自内存数据库，它的作用就是利用相量数据、实时记录数据进行在线或离线计算、分析( 控制决策) ，逐渐具备或完善电压稳定监测、频率特征分析、功率摇摆监测、动态扰动识别以及系统失稳预警等功能。上述的三个模块从软件平台的可执行性来看，是一个有机的整体，也就是说只要一启动程序，这三个部分就必须处在工作状态。而另外两个模块则相对比较独立，人机模块是任何一种监测软件必不可少的部分，监测电力系统的运行状态并以数字、曲线或其他适当形式显示系统频率、节点电压，线路潮流和系统功角，让调度人员可以更加准确的掌握系统的实时运行状况，同时也可以参考历史数据。电网参数管理模块建立在s q ls e r v e r 数据库上的管理系统，它是一个独立的应用程序，主要功能就是保存电网的静态参数，为高级应用模块的在线分析计算提供数据，同时可以绘制系统的拓扑图、厂站内部接线图。山东大学硕士学位论文第三章主站通信模块的设计与实现3 1 监测系统网络通信设计一个好的监测系统必须具备一个健壮的通信程序，网络通讯的要求就是可靠性和实时性。本文所提出的实时监控系统的通信是在客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式下，利用视窗操作系统下的s o c k e t 编程和多进程及多线程技术实现的。程序的开发语言采用v c + + 6 0 ，底层传输协议为t c p i p 协议，具备良好的向下和向上兼容性。3 1 1 网络传输模式电力系统常用的通信方式按传输介质可分为两大类，即无线通信方式和有线通信方式。无线通信方式包括：一点多址数字微波、数字电台等：有线通信方式包括：专线、局域网、电力载波，光纤等。通信方式的选择对系统实时性有较大的影响。选择通信方式的时候要考虑的因素比较多，如系统的规模、复杂程度、可靠性、经济性、合理性等。因此，不能一味选择通信速率高的方式。因为波特率越高，通信的可靠性越低，特别是传输距离比较远的时候，误码率太高，反而降低系统的实时性，因此根据实际情况合理的设计网络是很重要的。以山东电网为例，高速数据网构建包含监测中心在内的虚拟局域网，形成系统功角监测网，通信网采用以太网，遵从t c p i p 协议。电力远动系统中的通信是主站与子站( 数据采集设备) 之间通过信道传输远动信息。若干远动和连接远动站的链路的组合体称为远动配置。远动配置中有以下几种类型：点对点配置、多路点对点配置、多点星形配置、多点共线配置等。在p m u 监测系统中，我们采用了多路点对点配置，即主站与若干子站通过各自的链路连接，在这种配置中，主站能同时与各予站交换数据数据信息的传送在主站和子站之间必须确定一个主叫方，即发送信息的决定权所有方。而另一方则是被叫方。在监测系统中，按照这种模式来划分，也可以有几种模式。1 循环传输模式：子站按照事先的规约，周期性的主动将数据送给主站。，2 自发传输模式：自发传输模式只有在子站发送端发生事件，测量值越限时才向主站发送信息。3 问答传输模式：主站可以请求子站发送某一数据信息，也可以要求发送某类的数据信息。9山东大学硕士学位论文r 1fp m u ll图3 1 通信模块结构示意图在这些传送方式中，就可靠性而言，问答式的效果最好。但是问答式需要双工信道，这对一个实时监测的系统来说，实时性得不到有力的保障。所以我们在传输模式上采用了循环传输模式，也就是在规约上所定义的p o l l i n g 方式，发送的主动权在子站方，发送的时间间隔可由调度人员自行设定。正常情况下，可以每隔2 0 0 毫秒或者1 秒发送数据，非正常运行状态下可设定为5 0 毫秒。这种传送方式在现代的电力系统中得到了广泛的应用，对网络的硬件环境适应性较强。每个子站间的是没有联系的，当一个子站断开或者故障时，其它子站会继续发送数据，而主站对这个子站的线程控制也将自动挂起，直到通信恢复为l e 。3 1 2 主站和子站之间的通信方式3 l2 ，l 通信协议1 0山东大学硕士学位论文在这套监测系统中，主站和子站( p m u ) 之间的连接是基于多客户端服务器模式构建的，每个子站就好比一个客户端，主站就是服务器。大多数监控系统中，主站与子站之间都是采用以太网，并采用被广泛支持的t c p i p 协议进行通信。t c p i p 协议网络层提供两种协议：u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据报协议) 和t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议) ，应根据协议特征和要传输的信息进行选择。采用u d p 通信时，不需要建立连接，也没有应答帧，而且可以广播发送，实时性较高，但缺点是发送方不能确认通信数据是否正确到达目的地。因此，u d p 适用于发送实时性要求高而且不断重复的数据。例如某些开关量，模拟量等对实时性要求非常高，而且每隔数秒钟上发一次最新数据，即使偶尔某个数据报没有正确到达目的地也关系不大，因为很快有新数据被上发，在后面对应用数据库的介绍中，正是基于u d p 的这个优点，我们使用它让应用数据库同e m s 系统交互数据。采用t c p 通信时，通信双方需建立连接，通信过程中有应答和重发机制来保证所有通信数据都正确到达，它为数据传送提供了可靠性的保障，如出现错误，则会自动发送。t c p 的网络点对点结构，不容易造成信息传送时信道堵塞，同时设备信息传输时延小。而u d p 基本属于广播模式，发送前不进行点对点的连接。由于在模式设计中使用了t c p 协议，使得数据在网络稳定的情况下基本不会出现数据丢失的现象。如果从结构的层次上来划分，t c p i p 只是一个底层的传输协议，我们无需对这种协议进行修改，系统中的每台计算机都支持它，这就大大简化了编程的工作量。在专用通道通信方式下，电力系统实时动态监测系统的应用层协议应符合i e e es t d1 3 4 4 - 1 9 9 ( r 2 0 0 1 ) ，相量测量装置与当地厂、站监控系统通信近期应符合i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 或i e c6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3标准，最终宜符合i e c6 1 8 5 0 系列标准。3 1 2 2 同步相量信息传输格式在循环传输模式下，传输的信息在发送过程中其实表现为一帧一帧的数据周而复始地不间断传送。主站计算机从网卡的缓冲区内顺序地提取帧( 也称数据包) ，并且按照规约将帧解包，翻译成可读的数据信息，因此对信息格式的定义就显得非常重要。p m u 可以和主站交换4 种类型的信息：数据帧、配置帧、头帧和命令帧。前三种帧由p m u 发出，后一种帧支持p m u 与主站之间进行双向的通讯。数据帧是p m u 的测量结果，配置帧描述p m u 发出的数据以及数据的单位，是可以被计算机读取的文件。头文件由使用者提供，仅供人工读取。命令帧是计算机读取的信息，它包括p m u 的控制、配置信息。考虑到网络的实际情况和监测系统山东大学硕士学位论文的运行需要，命令帧r 是一个扩展性的设计，实际运行中暂时不涉及到对命令帧的操作。所有的帧都以2 个字节的s y n c 字开始，其后紧随2 字节的f r a m e s i z e 字和4 字节的s o c 时标。这个次序提供了帧类型的辨识和同步的信息。s y n c 字的4 - - 6 位定义了帧的类型，细节如表3 1和3 2 所示。所有帧以c r c l 6 的校验字结束，而数据帧可以用校验和来结束。c r c l 6 用x 1 6 + x 1 2 + x 5 + l 多项式计算，其初始值为一1 ( f f f f h ) ，所有帧的传输都没有分界符。图3 - 2描述帧传输的次序，s y n c 字首先传送，校验字最后传送。多字节字最高位首先传送，所有的帧部使用同样的次序和格式。回匪虱固圆匡虱一圆圆图3 2 帧的内容次序传送图下面将给出系统中两种最重要的帧( 配置帧和数据帧) 的结构，以及在程序中的解包过程。表3 一l 不同帧的通用字段定义字段字节数说明s y n c2帧同步字第一字节：a a h第二字节：帧类型和版本号b i t7 ：保留未来定义0 0 0 ：数据帧0 0 1 ：头帧0 1 0 ：配置帧lo l l ：配置帧2i 0 0 ：命令帧( p m u 接收的信息)b i t s3 - o ：版本号，二进制表示( 1 一1 5 )山东大学硕士学位论文f r a 她s i z e2帧字节数1 6 位无符号整数( 0 6 5 5 3 5 )s o c4时机秒( u n i x 时间) ，以3 2 位无符号整数表示的自1 9 7 0年1 月1 日起始的秒计数；最大范围1 3 6 年，到2 1 0 6年完成一次循环；计数中不包括闰秒，因此除了闰年，每年都有相同的秒计数( 8 6 4 0 0 秒) 。c h k2c r c 。校验；( 数据帧可以使用校验和)表3 - 2 数据帧的结构编号字段长度( 字说明节)1s y n c2帧同步字2f m w e s i z e2帧中的字节数3s o c4世纪秒，起始时间从1 9 7 0 年1 月1 日0时0 分开始4f r a c s e c4秒等分5s t a t2按位对应标志的状态字6p h a s o r s4 pn u m四个字节的定点相量数据，p _ n u m 为相量数量7f r e q2用定点数表示的频率值8d f r e q2用定点数表示的频率变化率9a n a l o g2 an u m模拟量，a _ n u m 为模拟量数量1 0d i g i t a l2 db u n l开关量，d _ n u m 为开关量数量重复5 1 0根据配置帧中n u l l _ p 姗字段定义的相量字段测量装置个数对字段5 1 0 的内容进行重复传送1 l检查字节2c r c 。校验山东大学硕士学位论文表3 - 3 配置帧结构序号字段长度( 字节)说明1s y n c2同步字2f r a m e s i z e2帧字节数3s o c4时标4df r a m e2数据帧格式5m e a s r a t e4秒等分数，宜采用毫秒表示6n u mp m u2数据帧包括的p 删的数量7s t n1 6站名一1 6 字节a s c i i 码8i d c o d e88 字节p m u 硬件标识符9f o r m a t2数据帧的数据格式1 0p h n m r2相量数量一2 字节整数( 0t o3 2 7 6 7 )1 la n n m r2模拟量数量一2 字节整数1 2d g n m r2开关量数量一2 字节整数1 3c h n a m1 6x ( p h n m r相量和通道的名称一每个相量、模拟量、开关+ a n n m r +量用1 6 字节a s c i i 码，每次传送的次序相同。d g n 【r )1 4p h u n i t4xp h n m r相量通道的转换因子1 5a n u n i t4xa n n m r模拟通道的转换因子1 6d i g u n i t2xd g n m r开关量的转换因子1 7f n o m2额定频率和标志重复7 1 6根据配置帧中n u m - p m u 字段定义的相量测量字段装置个数对字段7 1 6 的内容进行重复传送1 8p e r i o d2相量传送的周期1 9c h k2c r c l 6对于以相量测量装置为终端的监测系统来说，精确的时间标签是必不可少的。因此在任意帧的帧头都有s o c 字段，其内容表示时机秒以3 2 位无符号整数表示的自1 9 7 0 年1 月1 4山东大学硕士学位论文1 日起始的秒计数，f r a c s e c 简单来说表示的当前数据的毫秒数，有了这两个字段我们就可以知道当前数据的准确时间。其它字段的意义请参见表3 - 1 ，表3 2 和表p 3 。3 2 通讯程序的编程实现本节提出的通信模块实现方式是采用视窗操作系统下的w i n s o c k 编程，编程中使用了多进程和多线程管理模式，开发工具为v c + 十6 0 。3 2 1 网络通信中的多进程模式管理及其必要性进程是当前操作系统下一个被加载到内存的、正在运行的应用程序的实例。每一个进程都是由内核对象和地址空间所组成的。进程仅仅是一个存在，是不能独自完成任何操作的，必须拥有至少一个在其环境下运行的线程，并由其负责执行在进程地址空间内的代码。线程是指程序的顺序执行。一个进程可以包括多个线程，使用多线程可以让程序更加有效，共享程序中的全局变量和系统资源，对于多线程的使用将在第五章中详细介绍。在程序设计时，某一个具体的功能模块可以通过函数或是线程等不同的形式来实现。对于同一进程而言，这些函数，线程都是存在于同一个地址空间下的，而且在执行时，大多只对与其相关的一些数据进行处理。如果算法( 如延时) 存在某种错误，将有可能破坏与其同处一个地址空间的其他一些重要内容，这将造成比较严重的后果。为保护地址空间中的内容可以考虑将那些需要对地址空间中的数据进行访问的操作部分放到另外一个进程的地址空间中运行，并且只允许其访问原进程地址空间中的相关数据。从p m u 监测主站平台结构图2 3 来看，通信只是其中一个功能模块，但是如果我们以程序的进程来划分，整个p m u 主站监测系统可以分为四个不同的进程，主进程( 通信模块，内存数据库和应用数据库管理模块，高级应用模块) ，第一子进程( 人机界面) ，第二子进程( 历史数据库管理) ，第三子进程( 网络参数管理系统) 。通信程序是主进程的入口处，关系着整个系统能否运行，假设我们把四个进程放到一个进程中，可以想象到电力系统实时监测程序的负担会大大加重。例如，我们收到一组数据，处理后马上放于内存数据库，然后由人机界面处理，再然后入应用数据库中，这一个过程中将会造成数据一定程度上的延时。考虑主进程对实时性要求高，而子进程对实时性要求相对较弱，因此在设计过程中，分别把通信和人机显示两个模块设计成两个独立的应用程序，人机显示只有在调度人员需要时候才加载，这在很大程度上保护了主程序的稳定性。山东大学硕士学位论文如何在不同进程之间共享内存数据，是多进程设计中的难点和重点，在经过反复试验后，设计中采用了d l l ( 动态链接库) 内存共享的方法。具体来说就是当p k u 采集数据上传过来的时候，如果调度人员需要查看实时数据信息，手动加载人机动态显示应用程序。这时主进程将会自动加载m y d i i d l l 和m y d i i 1 i b 这两个动态链接库文件，将原始帧数据放入m y d l l 的共享内存中，同时第一子进程也导入动态链接库，读取m y d l l 的共享数据。实现步骤：1 在d i i 中开辟一个名m y s e c “的为共享内存区，使用宏p r a g m ad a t as e g# p r a g m ad a t a _ s e g ( m y s e c ”)b y t em y s h a r e d d a t a 2 0 0 0 = 0 ：保存末一时刻数据帧l o n gs o c k e t = o ；保存末一时刻数据帧的信息来源，即一个指向c c l i e n t s o c k e t 的指针的3 2 位数值i n ts k = o ；实际数据长度b y t ec o n f i g i n f o 1 0 0 0 = ( 0 ) ：存放配置帧i n ts p = o ：当前配置帧长度b y t es o c k e t ( 2 0 0 = ( 0 ：配置帧的来源每4 个字节顺序保存i n ts s = o ；当前长度，为4 的整数倍# p r a g m ad a t a _ s e g02 在m y d i i d e f 文件中建立导出函数w r i t e 0 ( 往内存中写数据) 、r e a d 0 ( 从内存中读数据) 、c h e c k t y p e 0 ( 判断帧类型) 等。3 在主进程中加载m y d i i ，并使用w r i t e 0 函数。在子进程中加载m y d i i ，使用r e a d 0 函数。加载动态链接库使用显式加载。加载函数：d l lh a n d l e r = l o a 乩i b r a r y ( s t r i n g ) ，d l l a n d l e r 是一个指向库的h i n s t a n c e 型句柄，s t r i n g 保存动态链接库位置信息的字符串，如“c ：m y d i l d e b u g m y d l l ”。以上的一段程序设计表面上好像与通信没有什么关系，但是作为优化程序结构、提高通信中的实时性以及节省系统资源来看，多进程管理和多进程共享数据是非常重要的。3 2 2 网络通信中数据接收的实现在主站服务器端生成了两个c s o c k e t 类的衍生类：c l i s t e n s o c k e t 和c c l i e n t s o c k e t 。c l l i s t e n s o c k e t 用于监听连接请求，c c l i e n t s o c k e t 用于处理和客户端的数据接收。同1 6山东大学硕士学位论文些通信程序不同的是监听和接收由两个对象来分别来处理，把监听功能独立出来，因此可以使自行设定的某一个端口始终处于监听状态。当子站中的某一个p m u 发出连接请求时，服务器通信模块中的监听类( c l i s t e n s o c k e t ) 就会自动为这个p m u 生成一个基于c c l i e n t s o c k e t 类的指针对象来处理它们之间的通信事务，见程序流程图3 - 1 。函数o n a c c e p t0 ，o n r e c e i v e0 都属于虚函数，可以通过v c 手动添加。建立连接后，数据自动放入主机的缓存区，在o n r e c e i v e ( ) 函数里面可以访问缓存，将数据同步读出。下面给出o n r e c e i v e ( ) 的实现：v o i dc c l i e n t s o c k e t ：o n r e c e i v e ( i n tn e r r o r c o d e )ft o d o ：a d dy o u rs p e c i a l i z e dc o d eh e r ea n d o rc a l lt h eb a s ec l a s sc b y t e a r r a y * m _ d a t a l i s t ：保存数据的字节动态数组m _ d a t a l i s t = n e wc b y t e a r r a y 0 ；指针初始化b y t es t 2 0 0 0 ；i l l f i 时保存的固定数组，长度为2 0 0 0 可以满足实际要求i n tb - - o ；标识数据的读取情况c s o e k e t ：o n r e c e i v e ( n e r r o r c o d e ) ：i n tk