（电气工程专业论文）地区电网电量采集与管理系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文地区电网电量采集管理系 统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特另r l d i l 以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 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。 学位论文作者签名：二潍日期 口 r 、中 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期 弊 导师签名 彤一毕 日期 妇6 t 膳 华北电力大学一l ：程硕士学位论文 第一章引言 1 1 地区电网电量采集管理系统研究的意义 随着电力体制改革的深入，对供电企业电能量管理分析技术也提出了更高的要 求。如何提高供电企业的管理自动化水平和效率，满足未来电力市场竞价上网交易 的需要，是供电企业面i 临的一个迫切的问题。近年来，大部分供电企业实现了用电 营业计算机管理自动化，在营业收费、业务扩充、电量分析和配电规划等方面实现 了现代化管理，提高了工作效率。原有的脉冲抄表技术和设备虽然可以解决相当多 的问题，但系统的维护工作量很大，分时计量的电量数据也经常有一些误差。 供电企业的线损管理和分析工作，必须建立在大量的数据分析基础上。在系统 主网变电站实现远程抄表自动化，既可以实现母线电量平衡、主变电量平衡、站电 量平衡的自动监测，又可以为减少不明损失、减少电网管理上的漏洞、加强日常运 行管理等方面提供依据。 1 2 当前抄表系统的现状 自动抄表( a m r ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 系统是指通过专用设备，对电能计 量表进行自动读取和数据处理的一整套自动化设备。它集计算机技术、通信技术、 电能计量技术于一体，可与其它自动化系统联网。自动抄表系统主要由电能表、采 集器、数据传输通道、主站系统构成；通过网络可以和供电局的营业收费系统相连， 实现抄表收费一体化。 目前，自动抄表系统在研究和应用方面取得了很多成果，有许多实用化的抄表 系统在运行，为提高供电管理水平发挥了重要的作用，但是在实际运行中，也暴露 了一些问题和需要改进之处： 系统管理软件的问题。过去的自动抄表系统用户界面不够友好，人机交互不 直观，数据库设计不够规范，软件设计功能扩充不灵活，输出的报表格式不 够规范等。 线损管理受影响。通过统计自动抄表系统中各个电能表同一时间段的电量， 可以准确统计电网、线路、甚至台区的实际线损电量和线损率。由于旧系统 属于脉冲抄表技术，时常因换表、停电及其它因素导致抄表数据不准确，影 响线损管理技术的实施。 与其它系统的互通性不好。过去的自动抄表系统是一个独立系统，未实现与 华北电力人学i 。程硕士学位论文 其它自动化系统数据共享。在新系统的设计中，要使抄表系统能够与用电管 理信息系统( m i s ) 、配电管理信息系统( d m s ) 等实现互通信息，共享数据， 则必将能充分体现抄表系统的价值，使其在应用上迈上新一个台阶，适应未 来电力市场化发展的需要。 邯郸供电公司始建于1 9 5 8 年，是河北省南部电网骨干企业，供电区域l2 0 7 l 平方千米，覆盖人口8 6 3 万，担负着邯郸市区及1 6 个县( 市、区) 的供电任务。 截至2 0 0 5 年底，邯供售电量1 5 2 7 亿千瓦时，有直管变电站7 1 座( 其中2 2 0 k v 变 电站1 l 座、1 l o k v 变电站5 7 座、3 5 k v 变电站3 座) 。站内使用的电度表种类繁多， 既有国产表，也有进口表。大部分变电站有电话线，一部分站有光纤以太网，少部 分站只能使用无线网。 根据目前邯郸地区的电网结构、电表构成以及负荷情况，结合当前抄表系统存 在的问题，使用多种新技术手段，并围绕如何提高电量采集管理系统的稳定性、可 靠性、准确性以及整体性能，以资源拓展整和为中心，开发出一套新的电量采集与 管理系统，克服了原有脉冲抄表技术的不足；不但能方便地追踪各二级供电单位的 购电情况，还能监督计量设备的工作状况，发现问题及时处理。从而降低供电公司 的电量损失，提高企业的经济效益。通过对数掘进行分析，能够迅速统计并显示重 点大用户和各区县供电支公司的购电情况，为公司管理者提供宏观调控的决策依 据，也能为规划、施工和改造提供最优的解决方案。 本系统在实现用电管理自动化水平，改善服务质量等方面具有重要意义。 1 3 本文所做的工作 本文记录了如下主要工作： 1 ) 结合本地区的情况，并在充分调研的基础上，对地区电网变电站所需的电量 采集管理系统进行了深入的研究。 2 ) 开发了使用于地区变电站的新型电量采集器。其中主要是单片式计算机为中 心，做了一系列相关硬件的设计工作。 3 ) 开发了相应的通讯软件。用于接收站端采集器发回的数据，并对站端采集设 备进行监控管理。 4 ) 开发相应的管理系统软件，对采集系统传回的电度表数据进行分析计算，得 到一大批电量管理报表。其中包括：电量统计日报、电量统计月报、季报、 年报；变电站母线平衡报告；高压线路线损报告；计量装置错线诊断报告等 等。 5 ) 新系统己在邯郸地区测试运行三个多月，效果良好。 2 华北电力火学：r 稗硕士学位论文 第二章站端采集系统的构成 2 1 概述 目前抄表技术的核心本质就是数据的采集和传输。因此抄表系统就是一个整合 了各种品牌的电度表的数据通讯系统。新型的智能电表数据采集器，能够抄读多利， 国产和进i z ! 电度表的数据，即：具备部标、威胜、a b b 、d l m s 等多种抄表协议。 抄表系统的架构如图2 一l 所示。 图2 1 抄表系统组成 从图中可以看出，抄表系统一般由电度表、数据采集器、传输控制器、抄表系 统管理中心机组成。自动抄表系统的通讯信道是指电表数据采集器与管理中心计算 机之间的远程通信线路，主要有：公用电话网、e t h e r n e t 、无线g p r s 或o s m 通讯 网；抄表通道是指数据采集器与电度表之间的通信线路，本系统采用的是：r s 一4 8 5 总线。 r s 一4 8 5 接口是由r s 一2 3 2 和r s 一4 2 2 演变发展而来的，它是在r s 一4 2 2 标准的基 础上研究出来的一种支持多节点、强驱动和高灵敏度的总线标准。r s 一4 8 5 总线技术 成熟，实现方便，采用双绞线通讯介质，成本低廉。它采用“平衡差动式”数据传 华北电力火学一l 。：程硕士学位论文 输，具有良好的抗干扰能力，能够有效地消除较长传输线上的共模干扰。 2 2 站端采集器硬件设计 采集器采用模块化结构设计，可以因需要选配不同的模块，既可以提高设备的 可靠性，又可以降低设备成本。采集器的基本结构如图2 2 所示 图2 - 2 采集器基本结构 在采集器的硬件构成中，m c u 是微控制单元的缩写，它是采集器的核心控制部 件；r a m 是采集器的低功耗数据存储器；r t c 是含有百年日历的实时时钟：2 3 2 4 8 5 是本地监控和抄表接口，可以连接全电子式电度表：而m o d e m 是电话线上传输数据 的调制解调器接1 3 模块，e t h e r n e t 是以太网接1 ：3 模块，g p r s g s m 是无线公网的数 据传输模块，它们能够通过各自的通道将采集的数据传回控制中心。 2 2 1m c u 模块 采集器的核心模块是5 l 系列的单片机。它具有如下特点： 程序代码可以存放在芯片内部。这就使每秒百万次的取指令动作限定在一个 芯片之内，指令的传送距离只有l m m 左右。我认为这一点可以提高电量采集 设备的运行稳定性。 5 1 系列单片机内部的代码和数据存储空间是分离的。这就杜绝了把程序代 码当成运算数据，或把数据当成程序去执行。当我们把程序代码区的未用空 间做适当的保护处理之后，也能大大提高程序运行的稳定性。 5 t 系列单片机的开发技术很流行，便于学习和掌握。 习 三曰目 一 三j 华北电力大学：i i 程硕士学位论文 基于以上考虑，微控制器采用w i n b o n d 公司的w 7 8 e 5 8 单片机。它是c m o s 工艺 技术制造的高性能8 位单片机，内置8 位中央处理单元、2 5 6 字节内部数据存储器 r a m 、3 2 k 片内程序存储器( e p r o m ) 3 2 个双向输入输出( i o ) 口、3 个1 6 位定时计 数器和8 个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 2 2 2r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 接口 串行通信模块包括两个部分，串行通信控制器和电平转换模块。采集器中需要 多个串行口进行抄表和远程通信。而w 7 8 e 5 8 只有一个串行口，不能满足系统需要， 这里设计了一个串行通信控制器来拓展多个串行口。本系统选用的是t i 公司的 t l l 6 c 5 5 4 芯片，该芯片有四个集成的异步通信单元，每个串口通信单元都有自己的 一套独立的控制寄存器，而且数据的接收和发送是分开控制的。 串行通信中采用m a x 3 2 3 2 和m a x 4 8 5 e 芯片实现r s 一2 3 2 接口和r s 一4 8 5 接口的电 平变换。通过r s 一4 8 5 接口可以采集总线上各个电度表的数据。m a x 4 8 5 e 芯片r e 和 d b 的控制用一个单稳电路实现数据收发的控制。采集器的一个r s 一4 8 5 接口可以并 行连接3 2 块电度表。m a x 4 8 5 e 的连接如图2 3 所示。 2 2 ，3r a m 扩展 图2 - 3r s 一4 8 5 接口图 w 7 8 e 5 8 微控制器内部只有2 5 6 字节的r a m ，对于实时数据的存放是远远不够的。 因此在采集器中采用两片h y 6 2 8 4 0 0 r a m 芯片。h y 6 2 8 4 0 0 容量为5 1 2 k 字节，因此系 统的外部r a m 扩展为1 m 字节。由于5 1 系列单片机的外部数据寻址能力只有6 4 k b ， 我们增加了一只分页控制器，把外部数据存储器按每页3 2 k b 进行管理。 2 2 4 通讯模块组 采集器中的通讯通道可以采用有线电话、以太网、g s m 无线通讯三种方式。我 华北电力人学：1 ：程硕士学位论文 们可以根据具体需要来选择配其中一种通讯方式来实现电度表数据的远程传输。为 了便于更换和维修，上述三种通讯方式均采用模块化设计。 1 ) 电话线接口 有线电话在英文中所写为p s t n 。本接口使用嵌入式调制解调器m o d e m 模块。 m o d e m 的电气接口采用t t l 电平的串行接口连接方式，可以方便地与单片机系统连 接使用。m o d e m 模块的主要功能如下：具有5 6 k b p s 传输速率：支持标准a t 命令集， 拨号自动应答功能；本设计中使用t x ，r x ，d t r ，r e s e t ，v c c ，g n d 等引脚：两根 电话接线，符合国家相关电信标准。 2 ) 无线接口 无线模块采用m o t o r o l a 的g 2 0 模块。g 2 0 具有r s 2 3 2 接口，所以可以很容易的 与采集器的硬件进行连接。g 2 0 的连接关系功能图如图2 - 4 所示。 t x d 2 1 r x d 1 1 r t s g 9 2 0 1 s c t s u s e r u a r t ( d c e ) 1 9 d t r ( d t e ) d s r 1 3 d c d 1 7 r i 2 3 图2 - 4g 2 0 功能连接图 在本系统中我们把w 7 8 e 5 8 扩展的串口的引脚引出到插座上，这样可以方便的 进行模块的连接。本系统中与g 2 0 的连接只需要把串口的t x d 、r x d 以及地引出接 入插座对应的串口即可。 3 ) 以太网接口 以太网模块也采用串行口与主板连接。它是用z - w o r l d 公司的嵌入式微控制器 r a b b i t2 0 0 0 设计而成的。r a b b i t 2 0 0 0 是专门为嵌入式控制，通信和以太网连接而 设计的微处理器。它带r j 一4 5 插口的内置1 0 b a s e t 端口，简化了网络连接；配备 有4 个串行口，方便扩展连接：拥有5 1 2 kf l a s h ，1 2 8 ks r a m ，用于程序代码和数 据的存储。用r a b b i t 2 0 0 0 提供的d y n a m i cc 集成开发环境，我编写了串行口到t c p i p 的协议变换软件，从而实现了以太网接口模块的功能。有了这项功能，采集器就可 以使用变电站的光纤网络传输采集的电量数据。以太网传数据比电话网更快、更稳 定、更经济。 华北电力火学工程硕士学位论文 2 2 5r i o 和硬件看门狗 实时时钟r t c ( r e a lt i m ec l o c k ) 基本功能是向采集器提供时、分、秒、f 1 历 等时间信息。实时时钟芯片采用m o t o r o l a 的m c l 4 6 8 18 芯片，它是专用于各类微处 理器与单片机系统的时钟集成电路。m e l 4 6 8 1 8 具有双列直插d i p 封装。 采集器能否正常工作的关键是看c p u 能否f 常工作。在采集器运行时，由于现 场环境中可能存在电磁干扰及其它原因，使得c p u 工作出现异常，造成程序跑飞、 采集和通信故障，甚至会丢失数据。为保证采集器可靠工作，我在采集器中设计了 硬件看门狗。 硬件看门狗电路采用c d 4 0 6 0 芯片搭建而成。看门狗的电路如图2 5 所示。 图2 - 5 基于c d 4 0 6 0 的看门狗电路图 2 3 采集器内部软件设计 根据以上对采集系统的功能需求分析，软件设计可划分为：主站通信与处理模 块、定时任务模块、数据存储模块、抄表通信模块、巡检和异常处理、远程加载等 几大模块，结构如图2 6 所示。 一 一 i： 华北电力大学! l j 程硕士学位论文 图2 - 6 软件系统结构图 2 3 1 采集器与电表通信模块设计 采集器与电能表之问为半双工一主多从的通信结构，采集器可与每台电能表进 行通信。采集器按电能表地址呼叫，电能表收到命令后，把相应的数据上传至数据 采集器。电能表抄表过程的中断服务程序的流程图，如图2 7 ，2 - 8 所示。 图2 - 7 串行中断服务程序流程图 华北电力大学翻鼙硕士学位论文 图2 - 8 抄表子程序流程图 2 3 2 采集器与上位机的通信模块设计( 主站通信处理模块) 管理中，t l , 的计算机可以与1 0 0 0 多台采集器进行通讯。采集器将定时抄表抄收 到的电度表数据整理、存储，并在适当的时候发送给上位机。采集器与上位机的数 据传输，既可以定时自动完成，也可以随时应招进行。此模块的结构如图2 - 9 所示。 图2 - 9 主站通信处理模块图 上位机的通讯功能主要在于： 1 接收厂站端现场智能电表数据采集器发回的各种电表数据： 2 兼容并收p s t n 电话网、以太网、g p r s 无线网，实现通道数据接收； 3 主站至少可以支持8 1 6 个电话通道，和1 0 0 个网络通道； 4 记录主站系统和每台采集器的工作状态：查询电表数据和系统工作记录 5 设置系统和采集设备的工作参数； 9 华北电力火学程硕士学位论文 2 3 3 定时任务模块 图2 1 0 上位机通讯软件界面 本模块主要负责周期性定时抄收电度表数据，把得到的数据和产生的事件存储 到采集器中，并根据设置的时间参数主动向主站上送数据，以备主站分析，入库。 模块结构如图2 1 2 所示。 图2 - 1 l 定时任务模块结构图 2 3 4 软件的抗干扰设计 采集器的程序以汇编语言为主，在这部分软件设计中最重要的一个问题是提高 可靠性，提高可靠性的措施主要有以下几个方面： 程序中避免进入死循环的可能。注意防止使用“j n br i ，$ ”等类似语句进 入死循环造成“死机”。 1 0 华北电力火学：l ：程硕士学位论文 设计硬件看门狗电路以及软件上采取防止程序“跑飞”的措施。如剩余的程 序存储器空间填充“l j m pr e s e t ”和在程序中插入空操作等。 r a m 数据备份及在写操作前加条件陷阱，防止r a m 数据的大批量丢失。 华北电力人学稗硕士学位论文 第三章系统网络构成及管理中心计算机硬件构成 3 1 系统的信道 信道( c h a n n e l ) 是通信双方之间以传输介质为基础传递信号的通路，由传输 介质及其两端的信道设备共同构成。传输介质承载一个或多个通信信道，并在发送 和接收设备之间提供一个连接。 电量采集系统有上行信道和下行信道两类。本系统中上行信道既包含有线信 道，也包含无线信道。这样设计的目的是使系统可以适应不同的环境。本系统中上 层通讯可以采用p s t n 、以太网技术、无线g p r s 方式，其中p s t n 、以太网技术属于 有线信道，无线c p r s 属于无线信道。 3 2 网络构成 本系统上层通讯采用多种方式，而每一种通讯方式的网络结构都是不同的。因 此，本文详细分析了每种网络架构，并根据网络架构的特点和电力用户的实际情况， 采用适合的网络架构。 1 ) p s t n 方式 p s t n 方式抄表的工作过程如下：抄表系统的上位机通过调制解调器接入公用电 话网，用户端在采集器中安装调制解调器，每个采集器给定一个电话号码和密码， 当上位机发出传输命令，通过m o d e m 拨号呼叫对方，建立数据传输链路后，将指令 发给采集器，采集器即可将已采集的数据按既定的通讯协议发回主站。再由计算机 进行数据分析、计算、打印报表等。每个用户采集器对应的电话号码不同，建立的 一 是独立的物理通道( 电路交换) ，确保通信数据准确无误。由于可利用现有的公用 电话网或电力专用电话网，不需另外销线，投资少，抗干扰能力较强，适用于远程 传输，只要两地通话，即可完成抄表。p s t n 抄表的主要缺点是：线路建立时间长， 从几秒到几十秒：如果对用户频繁拨号读数则容易产生电话干扰：而且并不是每处 都有电话，因此p s t n 抄表适用于远程的厂站架有电话，并且不需要频繁抄表的场 合。p s t n 抄表的网络构成图如图3 一l 所示。 华北电力大学： 程硕士学位论文 囹2回。 - = = 一- - o ；r f ! 篓篓竺塑= = ：三二篓竺兰 ! 竺坚! 兰一里竺翌竺竺 局域网日g f s 柱时 x ； t 一 ；l g 妒遇讯控制计算机固， 调制解调器 调制解调器 一 、 t _ 采集辩端 拙号电话网 己譬，。，? ? 、 ： ： - 采集终端+ 、 h * k n ，- 。h t h 一一t 采集终端 采集终端采集终端 采集缚端 图3 一l ：p s t n 抄表网络构成 2 ) 以太网方式 基于以太网的抄表系统主要由带有以太网模块的采集器、以太网交换机或路由 器以及中心管理机组成。一般是抄表中心发送抄表命令，抄表软件解析具体抄表地 址，与测量点建立连接并发送命令；测量点接收到命令后解析命令，并根据命令执 行任务，然后把数据打包、加密、封装成t c p i p 格式传送到抄表中心。 以太网技术来抄表，优点是很多的。首先是开放性好、技术成熟稳定、资源丰 富。其次是传输速度快，如果采用l o b a s e t 网络，理论速率可以达到l o m b p s 。最 后就是其可扩展性及支持多种信息。以太网可以方便的用路由器和中继器进行扩 展，兼容性好、系统容量大。系统支持多种信息可以方便而快速的实现整个系统的 信息化管理，提供更好的运营透明度，便于用户在任何时刻了解自己的使用情况。 以太网抄表适用于已经铺设网络的变电站，以及数据采集量较大的厂站。 3 ) g p r s 无线通讯方式 基于无线g p r s 的系统由带g p r s 模块的采集器、通信服务器、管理中心计算机 组成。g p r s 系统可提供广域的无线i p 连接。在g p r s 业务平台上构建电力远程自动 抄表系统，可实现电表数据无线传输。通过g p r s 网络，电力部门可将采集器中的 电度表数据实时传递到监控中心。g p r s 网络可为电力系统提供简单高效的通信传输 手段。 通信服务器作为g p r s 器设备和管理中心计算机的通信中转站，负责透明的转 发双方的数据，在双方通信时为其建立可靠的连接；采用透明通道，不解释规约报 文，保证通信中心最大可靠性和免维护性；具有通道检测功能，通信失败时断开当 前连接，等待g p r s 器和管理中心计算机重新申请连接。上述功能由服务器通信软 l3 华北电力人学1 1 ：程硕士学位论文 件实现。 g p r s 采集器以g p r s 网络和i n t e r n e t 为传输通道，实现和供电中心管理计算机 的实时通信。采集器需要向管理中心计算机主动上传数据时，向服务器申请t c p 连 接，数据传输完毕后，服务器断丌连接。但是与采集器的虚拟网络连接始终存在。 g p r s 模块具有通道检测功能，定时向服务器发送通道测试信息。若服务器在规定时 间内没有收到g p r s 器的信息，则认为该连接不可靠，自动断丌当前连接。下次通 信之前g p r s 器需要重新申请连接，从而可以保证信道的可靠性。 管理中心计算机和通信服务器之i f i j 通过因特网连接。管理中，t b 计算机登陆 i n t e r n e t 申请连接，管理中，t b , 通讯计算机与远方的数据采集器建立s o c k e t 连接， 向g p r s 采集器下发参数和命令。其它功能由通讯软件实现。 无线远程抄表系统结构简单，可利用现有无线网络资源，无需布线，节约资金 投入，实现自动抄表。然而这种系统在采集器内需要装备g p r s 无线模块，安装成 本较高，适用于没有电话线或以太网的大用户抄表和比较重要的场合。 无线抄表的网络结构如图3 2 所示。 警 鼍，i 铂1 6 802 3 套9 21 6 2 口2 4 雕弩州8 2f 一乏孟i 罨豫摹器l 一游i 蕊一 一j 川6 8 。6 l ? 曼l m 懈彳 妊娥乙球铺 。夕 p n_i r 墓i旦 謦玺i 寸戎帆* 爿h 雌走问蜃| l 如i 图3 2 ：无线抄表网络构成 华北电力大学工程硕士学位论文 3 ，3 主站计算机硬件构成 采集器需要采集各电能表数据并将数据传送给主站，这是采集器的最根本任 务。主站对采集器、电能表的通信、运行情况等进行在线监控。同时，实时监听各 个采集器发送的即时异常信息，并接收采集器上传的各类数据。主站要完成这些工 作的前提是主站要能够和采集器进行通讯。为了实现和采集器进行通讯，主站需要 配置相应的硬件。 由于采集器支持多种通讯方式，因此主站也必须能够支持多种通讯方式。采集 器支持p s t n 方式，相应的在主站一侧必须有标准的m o d e m 来支持。以太网方式的 采集器通讯，在主站应有网卡。对与无线的g p r s 传输方式，我们也可以在主站用 以太网来接收数据。 主站的计算机配置如下： 服务器： c p u ：p 42 o g 以上 内存：5 1 2 m 以上 显示器：t 5 ”v g a 彩显、 硬盘：3 6 g ( s c s i ) 以上 工作站： c p u ：p 42 o g 以上 内存：2 5 6 m 以上 显示器：1 7 ”v g a 彩显 硬盘：4 0 g 以上 打印机一台( a 3w i n d o w s 所支持) 软件环境： 操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sn t 、w i n d o w sx p 、w i n d o w s9 8 数据库系统：o r a c l e8 x 9 i 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1 需求分析 第四章后台管理系统的设计与实现 需求分析规定了系统设计统一的、最基本的要求。需求分析的结果是系统设计、 实现、测试验收和维护的依据，直接关系到软件开发的成败和质量。 电量采集管理系统后台管理系统软件的需求分析，可以从以下四个方面进行： ( 1 ) 系统的功能要求和性能要求 ( 2 ) 系统的数据要求 ( 3 ) 系统的逻辑框图 ( 4 ) 系统方案的确定和评价 4 1 1 功能要求和。生能要求 后台管理系统的功能要求有： 1 ) 系统维护：包括用户权限的设置、口令修改、系统参数设置等。 2 ) 自动计算：包括电量更新、自动计算查询功能。 3 ) 数据维护：包括数据转储、数据检验、数据接口、追补电量、库维护等功能。 4 ) 应用构造：包括查询用户构造、查询方案构造、线损参数维护、计划电量维 护、费率对照浏览等功能。 5 ) 基本档案：包括电表档案维护、电表档案浏览、换表情况浏览、档案参数查 询、旁路档案维护等功能。 6 ) 电量统计：包括同整点电量查询、月明细电量查询、日综合电量统计、月综 合电量统计、季综合电量统计、年综合电量统计、时间段综合电量统计、综 合方案设计等功能。 7 ) 用电考核：包括电量负荷考核、功率因数考核、同期电量比较、电量完成比 较、损失电量估算、最大需量日报、最大需量月报、变电站综合月报等功能。 8 ) 线损分析：主要包括母线平衡、变损分析、网损分析、站损分析等功能。 9 ) 负荷管理：负荷管理主要包括：负荷监视、定义负荷参数、电压电流日报、 电压电流月报、线路失压查询、失压报警报告等功能。 华北电力人学：1 程硕士学位论文 1 0 ) 电能管理；电能管理主要包括电能平衡、电压平衡、电压合格率、谐波分析、 定义谐波参数等功能。 1 1 ) 帮助说明：帮助说明给软件使用者提供帮助，方便用户使用后台管理系统。 后台管理系统的性能要求有： 1 ) 容量要求 2 ) 精度要求 3 ) 时间特性要求 4 ) 人机交互友好性 5 ) 系统可靠性 6 ) 系统可维护性 4 1 2 系统的数据要求 后台管理系统的数据包括向系统输入的数据和用户所需要输出的数据。 根据后台管理系统的功能，可以确定出向系统输入的数据主要有：电表档案的 数据，包括电表的倍率、类型等参数。 系统输出的数据主要有：电表读数、用电量、用电费用等；各种报表，如日电 量统计、月电量统计、线损分析、电压电流日报和月报、电压平衡率和谐波分析等。 4 1 3 系统的逻辑框图 逻辑框图反映了各种子模块在系统中的相互关系。自动抄表管理软件系统的逻 辑框图如图4 1 所示： 华北电力火学一l ：科硕士学位论文 捧上页 固秉抗功能结构围l 2 电量管理分析系 克( 网格版) 母线平衡 受损分析 线揭分析 网损分析 站损分折 电能管理i l 帮助说明 图4 一l ：自动抄表管理软件系统逻辑框图 广1 1 竺 u 丐孬 宅能平衡 电压平衡 电压台格率 定义谐诚劳数 量票重一 量票重量一 蒌黑重蒌要一 华北电力火学工程硕+ 学位论文 4 1 4 系统方案的确定和评价 根据本节前面部分所做的分析，从技术角度和经济方面考虑，同时也考虑到系 统平台类型、规模大小、投资强度等方面的要求，确定后台管理系统软件系统方案 如下： 硬件坏境采用一台微型计算机；软件操作系统平台选用w in d o w s 系列，如 w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sn t 、w i n d o w sx p 、w in d o w s9 8 ( 中文版) ，程序丌发语言选 用p o w e r b u i l d e r 9 0 ，后台数据库为o r a c l e 数据库系统。系统采用先进的客户机 服务器体系结构，该体系结构的最大特点是使用客户机和服务器两方面的智能、资 源和计算能力来执行一个特定的任务 上述方案在技术上能够满足如邯郸这样的地级供电公司对系统的要求；能支持 至少5 0 0 0 块电能表的数据；在经济上开销不大，适合进行民用软件产品的开发。 因此，从总体上说是可行的。 4 2 开发工具及数据库选择 在后台管理系统的丌发中，要用到两个软件丌发工具，一是p o w e r b u i l d e r 编程 语言，用于软件系统程序代码的编写；另一个是o r a c l e 数据库，用于管理数据库。 4 2 1p o w e r b u id er 选择 p o w e r b u i i d e r 是一种功能强大的第四代语言。利用p o w e r b u i l d e r 除了能够设 计传统的高性能、基于客户机r 务器体系结构的应用系统外，也能够用于开发基 于i n t e r n e t 的应用系统。p o w e r b u i l d e r 的主要特点如下： 开发界面友好：p o w e r b u i l d e r 是一个典型的多文档界面( m d i ) ，用户可以 通过菜单、工具栏以及些功能键方便快速地创建对象，录入事件处理程序。 面向对象：p o w e r b u i l d e r 是面向对象的开发工具，具有面向对象编程语言 的各种性质。p o w e r b u i l d e r 的思想方法是事件驱动，在编程的过程中没有 预定义的路径，支持对象的继承、封装和多态性。 组件技术：p o w e r b u i i d e r 支持组件开发，可以将非可视类用户对象编译成 为标准的组件，适合于开发分布式应用和w e b 应用。 多种数据库支持：p o w e r b u i l d e r 支持多种流行数据库的接口，支持应用系 统同时访问多种数据库。 华北电力大学：程硕士学位论文 编程简单：p o w e r 8 u i l d e r 提供了近千个函数和数十个系统对象，极大地方 便了程序编写，并且可以直接内嵌s q l 语句。 4 2 2o r a ce 选择 o r a c l e 公司一直领导着数据库发展的新潮流，她融汇了先进的技术，不断为系 统设计者和应用丌发者提供着强有力的支持，从而使后者建立起了符合时代潮流的 数据库应用系统。 在数据库技术日新月异的发展过程中， o r a c l e 一直能占据着领先的地位。这 与它有着很多优点是分不丌的。o r a c l e 高效、可靠和安全的数据管理，o r a c l e 联 机事务处理应用性能的可伸缩性，并行能力的查询优化，支持分区视图，表扫描的 异步预读，高性能的空i b j 管理能力，快速灾难恢复，先进的文本处理功能等等。所 有这些优点使o r a c l e 无愧于一个先进、可靠的大型数据库。 o r a c l e 数据库同时还具有数掘保密机制及其完整性恢复功能。对于后台管理系 统而言，数据的备份、维护与操作是极其重要的。o r a c l e 已在邮电、金融、外贸、 电力、军事、商业以及石油等许多领域得到了广泛的应用。 基于以上原因，我们选择了o r a c l e 作为后台数据库管理软件。 4 2 3p o w e r b u id e r 与o r a c ie 的连接 数据库前端开发工具与后台数据库管理系统的连接方式是一个很重要的问题。 p o w e r b u i l d e r 提供了两种访问后台数据库的方式，一种是通过o d b c 标准接口的方 式，第二种是通过专用的接口与后台的数据库相连。 o d s c 的中文名字是开放式数掘库连接( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i o r ，o d b c ) ，它 是微软公司提出的数据库连接标准。 我们还可以通过专用接口同后台的数据库相连，由于我们的应用程序只是针对 特定类型的后台数据库，当然是采用专用接口。本套系统采用p o w e r b u i l d e r 内置 的数据库接口，使访问后台数据的速度更快一些。下面简单介绍连接使用方法： 假定已安装o r a c l e 客户端应用程序，可用s q l p l u s 或t n s p i n g 等连接到o r a c l e 数据库，确定在s q l n e t 配置文件中使用的数据库别名( d a t a b a s ea 1 i a s ，又称服务 器名，s e r v e rn a m e ) 。如有疑问，可在o r a c l e 客户端程序目录下t n s n a m e o r a 文 件中找到。另外保证搜索路径己包括s q l * n e t 应用程序的安装目录( 如 c ：o r a w i n n t b i n ) 。 进入p b 的d a t a b a s ep r o f i l e s 画笔，可看到所有已安装的数据库接口，点击 2 0 华北电力人学工程硕士学位论文 p r o f i len a m e ：为该d a t a b a s ep r o f i l e 起一个有意义的名称； s e r v e r ： t n s ：s e r v e r n a m e ，其中s e r v e r n a m e 为上述数据库别名( 服务器名) ， 如 t n s ：o r a s 0 0 9 ： l o g ini d ：o r a c l e 数据库中实际的用户名，由于p o w e r b u i i d e r 初次连接到数 据库时要自动建立五个系统表( p o w e r b u i i d e rc a t a l o gt a b l e ：p b c a t t b l ，p b c a t c o l ， p b c a t e d t ，p b c a t f m t ，p b c a t v l d ，存储表的扩展属性) ，因此第一个连接到o r a c l e 的用户必须具有建表，给p u b l i c 角色授权等权限。 p a s s w o r d ：输入该用户的口令。 设置上述内容后，即可连上o r a c l e 。 4 ，3 后台管理系统设计 后台管理系统的设计主要包括数据库设计、人机交互界面设计、系统管理模块 设计、通信模块设计等。下面分别介绍。 4 3 ，1 数据库设计 根据后台管理系统的数据内容和o r a c l e 的数据库体系结构，本数据库中有多 个表结构，在此简单举一两例说明之，其它的表将不在详述。 厂站表结构如下所示： $ 厂站名称，采集器未登记时写( ”未登记”+ 采集标识) 十 胁厂站分类，默认值”变电站” 牢厂站编号 $ 最高电压等级 地址十 电话 所属区县 十分类备注i * $ 分类备注2 * 主键 采集器表结构如下 采集标识 入 输页 ltm 在框 西对 pm 驰ell盯阡驰h 随啮 入进钮 按： ，息信列 “ f 华北电力大学：i = 程硕士学位论文 厂站名称，采集器未登记时写( ”未登记”+ 采集标识) 十 是否参与通讯，0 是不参与，1 是参与通讯 蝣少表问隔十 通讯参数 峰谷类型 数传电话 十主叫电话 主叫方式 呼叫延时时间$ 采集器类型 备用1 $ 备用2 * 天数 序小时数 十分钟数木胁执行时间( 小时) 执行时间( 分钟) 需量抄表时间 失压抄表时间 十主键 数掘库的设计中，表结构相当多。设计思路相似，限于篇幅，其它的表结构就 不一一列举了。 4 3 2 人机界面设计 人机交互界面是用户和应用系统进行沟通的。建立友好的人机界面是应用系统 的关键所在。后台管理系统的人机界面主要实现接收指令、信息的输入和输出等功 能。 1 ) 后台管理系统主界面 系统启动后，进入“用户登陆”界面。为了保证系统的安全性，只有合法的用 户才能进入该系统。用户输入的操作员号和口令如果错误，系统将允许输入三次， 若三次输入都不正确，则提示并退出系统。在输入操作员号和口令后，可按回车或 鼠标左键单击“登录”按钮然后进入如图4 2 所示系统主界面。 主界面可以分三部分：下拉菜单条、系统工具栏、显示区域。 下拉菜单条主要有系统维护、数据维护、应用构造、基本档案、电量查询统计、 用电考核、线损分析、帮助说明下拉菜单。 系统工具栏是将菜单中的功能模块调用以快捷方式图标列于菜单栏下面，便于 用户快速进入所选功能窗口。所有工具栏里的模块都在菜单里，为了增加屏幕的可 视面积。该功能是循环的，若是关闭状态，再执行则打开，反之则关闭。 显示区域主要显示跟当前操作相关的一些内容。 2 2 华北电力人! 学。j ：群硕十学位论文 图系统主界面 图4 2 ：后台管理系统主界面图 2 ) 使用说明 建立新的厂站时，可以将新的厂站加入到管理系统中，以便实现远程抄表、实 时监控、数据分析等功能。 系统以厂站为单位建立厂站和器档案，每一厂站可以安装台或多台采集器， 每一厂站和器均有各自的属性参数，并且分层维护。厂站器档案是系统的核心参数， 它是否描述f 确直接决定着电量统计查询的正确性，因此，用户必须认真仔细地维 护厂站器档案参数，使之与实际安装情况相一致。通过“基本档案”菜单一“厂 站器维护”，进入模块，如图4 3 所示。 图4 3 ：厂站器档案维护界面 华北电力人学1 i 程硕士学位论文 窗口中列出了当前系统中的所有厂站，每一厂站包括厂站名称、厂站编号、厂 站等级、厂站类别、所属区县、行业分类、应用类别、厂站地址、联系电话等属性 参数，如果需要修改厂站参数，可以直接对参数项进行修改，然后选择窗口菜单的 “数据保存”按钮进行确认保存。 首先选择插入厂站的分类位置( 点击某一厂站分类) ，然后选择窗口菜单的“新 增厂站”图标按钮，此时在当前窗口产生一条新记录，厂站名称默认为“新增厂站 名称”，用户可以修改厂站名称和各项参数，并且保存确认。 用鼠标选中厂站名称，在屏幕右侧窗口将显示厂站参数维护界面，如图4 4 所示。 图4 4 ：厂站参数维护界面 4 3 3 通信模块设计 通信模块的功能是完成软件系统的通信任务即与前端集中器进行数据传输。它 设计的内容包括通信方式的选择、通信协议的设计以及通信的实现方法等。 通信模块的协议采用的是电力负荷管理系统数据传输协议。此协议规定了电力 负荷管理系统中主站和采集器之间进行数据传输的帧格式、数据编码及传输规则。 此协议使用于点对点、多点共线以及一点对多点的通信方式，适用于主站对采集器 执行主从问答方式以及采集器主动上传方式的通信。 2 4 华北屯力大学1 ：程硕士学位论文 协议的帧结构是基于g b t 1 8 6 5 7 3 2 0 0 2 规定的三层参考模型“增强性能体系 结构”。具体可以参考相关资料。 帧格式如图4 5 所示 起始字符( 6 8 h ) 长度l 长度l 起始字符( 6 8 h ) 控制域c 地址域a 链路用户数据 校验和c s 结束字符( 1 6 h ) 固定长度 的报文头 控制域 地址域 链路用户数据 ( 应用层) 用户 数据 区 帧校验和 图4 5 ：通信协议帧结构图 传输规则为： 线路空闲状态为二进制l 。 帧内字符之间无线路空闲间隔：两帧之间的线路空闲间隔最少需3 3 位。 如果检出了差错，两帧之间的线路空闲间隔最少需3 3 位。 帧校验和( c s ) 是用户数据区的八位位组的算术和，不考虑进位位。 接收方校验 以上简要叙述了通信模块所采用的协议，以及协议的一些规则，如帧结构、帧 格式、传输规则，更详细的协议说明请参考电力负荷管理系统数据传输规约( 2 0 0 4 版) 。 4 3 4 系统管理模块设计 系统管理模块的功能是对软件系统进行综合管理，主要的内容包括用户管理、 显示管理以及打印功能等。每次进入软件系统时，都要求输入用户名和e l 令，而用 户名和口令的管理则由用户管理功能完成。用户管理功能主要用于管理软件系统用 户的注册，它包括增加、删除和浏览用户等内容。系统的其它功能还包括数据显示、 华北电力人学一| ：样硕二k 学位论文 数据打印等功能。对于报表等工具，p o w e r b u i i d e r 有自带的报表工具，方便简单而 且界面美观。打印功能主要是打印报表和直方图等，在这罩不作进一步的叙述。 华北电力火学一释硕士学位论文 第五章应用 国内的电力企业使用远程自动抄表技术已经有十多年了。这些系统所采集的数 据主要用来做电量结算。结合邯郸地区的实际情况，我还设计了线损管理和电能表 远程错接线诊断模块。其中，远程电表错线诊断技术不但能为电力汁量部门及时发 现计量故障提供强有力的技术保障，也将远程自动抄表技术的应用推上了新台阶。 5 1 线损管理 线损是电力企业的一个重要的技术经济指标，线损率是衡量电力企业技术水平 和管理水平的重要标志。因此，努力降低线损是供电企业的一项重要工作，也是取 得经济效益的重要手段。电力网的线损一般可以分为管理线损和技术线损两部分。 管理线损主要是通过管理和组织上的措施来降低，如防控偷漏电和改善电网运行方 式的措施等。技术线损可以通过某些技术措施来降低，如增加一定投资对电网的某 些部分进行技术改造。 5 ，2 系统运行结果 经过几个月的调试和试运行，新系统运行情况基本稳定。根据工作需要，我设 计了电量统计、网损分析、线损分析、站损分析、主变变损分析等软件模块，用于 随时统计电网中的实际损失情况，包括损失量和损失率。系统的功率因数考核模块 的汇总报告用于检查和指导无功补偿系统的运行效果。综合电量统计模块用于计算 任意时问段内的电量总数。以下是系统运行时截取的些信息。f = l 综合电量统计同 报如图5 1 所示： 图5 1 ：同综合电量统计报表 2 7 华北电力大学工程硕士学位论文 母线平衡分析报告如图5 2 所示 图5 2 ：母线电量平衡分析报告 功率因数考核报告