（计算机应用技术专业论文）基于web的企业电网实时监控系统的开发技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着社会的进步、国民经济的发展，电能在日常生活中扮演着越来越重要的 角色，企业电网实时监控系统旨在将电能这一抽象的商品通过计算机实现其可视 化和可管理化。然而目前w e b 环境下的电网实时监控系统仍然存在某些不足， 不能很好地适应实时系统的实时性要求，主要表现在：( 1 ) 传统刷新技术通信效 率低下，当通信数据量大时数据刷新慢且资源消耗大；( 2 ) 所依赖的关系型数据 库系统只强调事务一致性、可恢复性，不显式地考虑时间，数据存取周期不可预 测。 本文针对现有w e b 环境下电网实时监控系统技术应用现状，以国家清洁生 产中心项目“t i t p m 2 0 0 0 企业电力电能管理系统”为应用背景，提出了一套综 合应用内存数据库数据实时存取、a c t i v e x 控件数据实时刷新、以及多线程数据 同步处理等关键技术的企业电网远程实时监控系统总体设计方案。论文的具体研 究工作包括以下几个方面： 1 ) 结合企业电网实时监控系统性能需求，给出了系统总体结构设计方案及关 键技术分析。 2 ) 针对电力负荷控制系统数据传输规约一2 0 0 4 ) ) 潜在的层次结构不够清晰、 无数据加密以及帧计数器重复等问题提出了一些改进思路，并设计了规约中异步 式数据帧的解析算法。 3 ) 综合应用内存数据库技术和远程过程调用技术实现了对电力实时数据的 高效实时存取，并利用实验对比测试了内存数据库和关系型数据库在数据存取实 时性方面的性能差异。 4 ) 利用w e b 网页嵌入式a e t i v e x 控件对象实现了w e b 环境下电网实时监 控系统数据的实时更新，解决了传统刷新技术通信效率低下的问题。 5 ) 在分析实时监控系统多线程的分类与功能的基础上，设计并实现了电网 实时监控系统多线程数据同步处理模型，提高了系统数据处理的实时性和稳定 性。 关键词：实时监控，内存数据库，多线程技术，远程过程调用，异步式数据帧 江苏大学颈毒学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dn a t i o n a le c o n o m y ，t h ee l e c t r i c a le n e r g yi s a c t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nd a i l yl i f e t h ee n t e r p r i s ee l e c t r i c a ln e t w o r k r e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h ew e bi sf o rt h ep u r p o s eo f r e a l i z i n ge l e c t r i c a l e n e r g yv i s u a l i z a t i o n h o w e v e r , t h e c u r r e n tr e a l - t i m em o n i t o r i n g s y s t e m s t i l l e x i s t sc e r t a i n d e f i c i 铋c i e s ：1 ) t r a d i t i o n a lr e f r e s ht e c h n o l o g yi nt h ew e be n v i r o m e n th a si n e f f i c i e n t c o m m u n i c a t i o n ；2 ) r e l a t i o n a ld a t a b a s es y s t e mc a nn o ta d a p tt h er e q u i r e m e n t so fd a t a m a n a g e m e n ti nr e a l - t i m es y s t e m i no r d e rt os o l v et h ed e f i c i e n c i e so ft h ee x i s i t i n ge l e c t r i c a ln e t w o r kr e a l - t i m e m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h et h e s i sp r o p o s e dn e we n t e r p r i s ee l e c t r i c a ln e t w o r kr e a l - t i m e m o n i t o r i n gs y s t e md e s i g ns c h e m ew i t ht h en a t i o n a lc l e a n e rp r o d u c t i o nc e n t e r s p r o j e c t t i t p m - 2 0 0 0e n t e r p r i s ee l e c t r i c i t yp o w e rm a n a g e r a st h ea p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d ，w h i c hc o m p r e h e n s i v eu s e ds e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gm a i n m e m o r y d a t a b a s e 、r e a l - t i m ed a t ar e f r e s ht e c h n o l o g ya n dm u l t i - t h r e a d e dd a t a p r o c e s st e c h n o l o g y t h et h e s i sm a i n l yr e s e a r c hi nt h ef o l l o w i n ga r e a s ： 1 ) p r o p o s e dt h es y s t e md e s i g ns c h e m ea n dp a r t i c u l a r l ya n a l y s e dt h ek e y t e c h n o l o g yi n v o l v e d i nt h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e mt om e e tt h ed e m a n do f c o r p o r a t i o n se l e c t r i c a ln e t w o r kr e a l - t i m em o n i t o r i n g 2 ) p u t f o r w a r ds o m ei m p r o v i n gw a y st os o l v et h ep o t e n t i a lp r o b l e m so ft h e p o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e md a t at r a n s m i s s i o np r o t o c o l - - 2 0 0 4 ) ， s u c ha st h e u n c l e a rh i b e r a r c h y 、r e p e a t e df r a m ec o u n t e r sa n dd a t ae n e r y p t i o n ，a n da l s od e s i g n e d t h ep a r s ea s y n c h r o n i s mo fd a t af r a m e su s e di nt h ep r o t o c 0 1 3 ) r e a l i z e dh i g h l ye f f e c t i v er e a l - t i m ed e p o s i ta n dw i t h d r a w a lo ft h ee l e c t r i c p o w e rr e a l - t i m ed a t au s i n gm a i nm e m o r yd a t a b a s ea n dr e m o t ep r o c e d u r ec a l l t e c h n o l o g y a n da l s oc o m p a r a t i v et e s t e d t h ed a t ar e a l t i m ea c c e s sp e r f o r m a n c eo f t h em a i nm e m o r yd a t a b a s ea n dr e l a t i o nd a t a b a s e 4 ) r e a l i z e dr e a l - t i m ed a t au p d a t i n go ft h ee l e c t r i c a ln e t w o r km o n i t o r i n g s y s t e mi nt h ew e b e n v i r o n m e n tb yu s i n gw e be m b e d e da c t i v e x o b j e c t ，s o l v i n g c o m m u n i c a t i o ni n e f f i c i e n c y p r o b l e mo f t h et r a d i t i o n a lr e f r e s ht e c h n o l o g y 5 ) d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e dt h e d a t a s y n c h r o n i z a t i o n m u l t i - t h r e a d e d p r o c e s sm o d e l o f e l e c t r i c a ln e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mo nt h eb a s i so f a n a l y s i s o nm u l t i t h r e a d c l a s s i 孥n g a n df u n c t i o n i n gw h i c hi m p r o v e dt h er e a l - t i m e p e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i 哆o fd a t ap r o c e s s i n g 。 k e yw o r d s ：r e a l - t i m em o n i t o r ；m a i nm e m o r yd a t a b a s e ；m u l t i t h r e a d t e c h n o l o g y ：r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ；a s y n c h r o n i s md a t af r a m e 薹l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并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。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 学位论文作者签名：砉0j 式 指导教师签名：、虱鬈苯 | - 飞 口。7 年， 月，7 日 三口口7 年， ，月，少日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引 用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 武 日期：刎7 年，月 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 现阶段国家电力能源紧缺而企业用电在电力能源消费中占了很大的比重，但 很多企业在工业生产用电过程中一直处于被动的状态，没有科学的用电意识，使 得电能资源的利用率不高，这不仅增加了企业自身的运营成本，而且对国家电网 环境造成污染，对企业电网的监控治理已势在必行。工业生产自动化作为企业工 作流程的一个重要环节，要求与生产计划、工艺、生产管理等进行快速准确的信 息交换，只有工业生产自动化与信息自动化、办公自动化的全面集成才能推动企 业的全面发展。工业生产要求全过程的实时监控，只有及时掌握生产过程的实际 情况，才能做出正确的判断，进行必要的干预，使生产过程尽可能维持在最佳状 态。所以，高速及时的实时数据采集和处理、长期的历史数据存储以及生产信息 的集成与共享是工业生产自动化的基础。 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，实时监 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。i n t r a n e t i n t e m e t 信息技术的迅速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实 现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架。企业用户只需要通过网络 就可以访问来自现场的有关信息，并可以提供控制和管理的决策。工业自动控制 系统日益向开放性、技术标准化方向迈进，计算机技术、现代通信技术和自动控 制技术的结合应用必将成为复杂工业控制系统的研究热点。 目前，越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势，利用网络技术实现企业电 网的远程实时监控，对降低企业生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科 技含量以及增强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义。 1 2 课题国内外研究现状 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究【1 1 。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 的工业远程监控诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工 学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论 江苏大学硕士学位论文 了远程监控诊断系统连接开放式体系、诊断信息规程、传输协议，以及对用户的 合法限制，并对未来技术发展作了展望。此次会议对远程分布式智能检测、故障 诊断系统的研究起了极大的推动作用。会上确定由斯坦福大学和麻省理工学院合 作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范系统，该项工作得到了制造业、 计算机业和仪表业的b o e i n 吕f o r d ，s e g a t e ，i n t e l ，s u n ，h p 等1 2 家大公司的支持和 通力合作。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的限于合作者间的远程监控 诊断示范体系t e s tb e d 。t e s tb e d 采用嵌入式w e b 组网，用实时j a v a 和b a y e s i a n n e t 实现了远程信息交换和诊断推理。 在远程监控诊断领域，美国等发达国家在理论研究及应用上都走在了前面。 国外高校、科研机构中，美国密歇根大学是较早开展远程监控诊断研究的学术单 位，主要开展针对机械加工的远程监控诊断和制造系统的研究工作，并在i n t e r n e t 上设有宣传站点。另外，前文中已经提到，斯坦福大学和麻省理工学院还合作开 发了基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断系统。 许多国际组织如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e m s a l l i a n c e ) ，m f t p ( s o c i e t y f o r m a c h i n e r y f a i l u r ep r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) ， c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n d e n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) ，v i b r a t i o n i n s t i t u t e 等，也纷纷通过网络进行设备故障监控诊断咨询和技术推广工作，并制 定了一些信息交换格式和标准。随着基于w e b 的实时监控技术的发展，许多大 公司也开始在他们的产品中加入i n t e r n e t 功能，主要应用方面有医院病人病况的 实时监控、环境信息监控( 气象学、海洋学、火灾预警等) 、石油天然气等偏远作 业的远程实时监控等方面。如n e n t l y 公司的计算机在线设备运行状态检测系 统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发 送设备运行状态。n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a bv i e w 中新增了 i n t e r n e t 模块，可以通过w w w e m a i l ，f t p 等方式发送测试数据【2 】。加拿大航空 公司为保证飞机正常可靠地飞行，建立了一个集成远程监控诊断系统，并在实际 中应用。美国的西屋公司在其监控诊断操作中心可以远程在线检测全美2 0 多个 电厂的运行情况。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，清华大学，上海交通 大学、西安交通大学、东南大学、哈尔滨工业大学等高校以及相关行业的研究院 2 江苏大学硕士学位论文 所( 电力、石化、煤炭、环境监测、气象信息、交通等) 已取得较为先进的研究 成果，如清华大学杨家海提出的“基于w e b 的分布式网络实时监控系统一、西安 交通大学张金玉等研制的“大型回转机械智能综合诊断系统”、武汉工业大学黎 洪生等提出的“基于b s 的远程故障诊断专家系统的研究一、哈尔滨工业大学开 发的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s 等。虽然国内 在远程监控技术方面已经取得很大的成就，但是具体到电力、交通等各个应用领 域仍然有很多关键技术，例如数据网络传输的不确定延迟导致的实时性不够、数 据的高实时性存取、w e b 环境下数据的实时更新显示等问题需要研究解决实现。 1 3 论文主要研究内容和研究工作 目前w e b 环境下实时监控系统依然存在刷新技术通信效率低下，当通信数 据量大时数据的刷新慢且比较消耗系统的资源以及后台关系型数据库系统强调 事务一致性、可恢复性和永久性，进行数据存取时其执行时间不可预测，不显式 地考虑时间，不能很好的适应实时系统数据管理的要求等问题。本课题以国家清 洁生产中心项目“t i t p m - 2 0 0 0 企业电能管理信息系统”为应用背景，结合企业 电网远程实时监控的实际需求，对目前w e b 环境下实时监控系统存在的问题进 行改进，在系统中引进了内存数据库数据实时存取、a c t i v e x 控件数据实时更新 显示以及多线程数据同步处理等关键技术，实现了对企业电网的高效实时监控。 本文主要研究工作如下： ( 1 ) 根据电网实时系统的需求以及工作原理，对整个实时监控系统的总体 结构进行研究。在参阅了大量的相关文献并实际调研了其它一些电力系统监控软 件的基础上，给出了系统体系结构的设计方案，并对系统实现过程中涉及到的关 键技术进行详细分析。 ( 2 ) 结合企业电网实时监控系统的特点，针对电力负荷控制系统数据传 输规约一2 0 0 4 ) 潜在的层次结构定义模糊、帧计数器重复以及无数据加密等问 题提出了一些改进思路，并设计了规约中采用的异步式数据帧的解析算法。 ( 3 ) 应用内存数据库数据实时存储技术结合远程过程调用技术实现了对电力 实时数据的高效存取，并利用实验对比测试了内存数据库和关系型数据库在数据 存取实时性方面的性能差异。 3 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 设计并开发了电网监控系统中网页嵌入式a c t i v e x 控件，实现了w e b 环 境下数据的实时更新，解决了传统刷新技术通信效率低下的问题。 ( 5 ) 在分析实时监控系统中多线程的分类与功能的基础上，设计并实现了电 网实时监控系统中多线程数据同步处理模型，提高了系统数据处理的实时性和稳 定性。 1 4 论文结构安排 本论文章节的组织结构如下： 第一章：绪论，对论文内容作了概括性介绍，给出课题背景、课题意义、论 文主要研究工作以及论文的结构安排。 第二章：企业电网实时监测系统分析与设计，在分析电网实时监测系统的需 求、工作原理的基础上设计了系统的总体结构，并提出了系统在实现工程中涉及 到的关键技术。 第三章：国网2 0 0 4 版规约分析与改进，详细介绍电力负荷控制系统2 0 0 4 版数据传输规约的起源、发展历程以及主要内容，针对规约中潜在的层次结构定 义模糊、帧计数器重复以及无数据加密算法等问题提出了一些改进思路。 第四章：系统关键技术设计与实现，对系统中涉及的异步式传输数据帧的解 析，内存数据库数据实时存储、w e b 环境下数据的实时刷新、多线程数据处理以 及系统安全性等关键技术进行了深入研究并给出了相关技术实现的方法。 第五章：总结与展望，对目前的研究工作予以总结，并指出需要进一步完善 的部分以及今后的研究方向。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章企业电网实时监控系统分析与设计 电能是商品，是企业的原材料和成本，由于电能产品的特殊性，广大企业无 法象管理资金、物资、人员那样去管理电能，用电企业对电能的管理还处于传统 的电工维护电路的被动管理水平，根本无法科学主动调度支配电能。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，以企业电网实时监控技术为核心 的电能管理系统在企业电力系统稳定、负荷预测甚至经济运行等方面显示出越来 越重要的作用。 2 1 电网实时监控系统需求分析 企业电网实时监控系统以控制系统作为依托，架构了控制系统和管理系统之 间的桥梁，它利用控制系统提供的强大和稳定的数据采集、传送、处理和通讯功 能，面向管理层实时提供生产现场配电网络电压、电流、功率因数、电能质量参 数等监测数据，使管理者及时掌握生产现场情况，总结企业用电规律，发现企业 不合理的用电措施3 - 引。 2 1 1 电能质量参数指标 近年来电能质量问题引起人们的普遍关注，电能质量问题关系到用电设备运 行的可靠性和安全性，电能质量的高低直接影响着企业的用电效率悔6 。由于工 业领域的各个行业对电能质量认识上的不同和使用名词上的不统一，长期以来人 们在描述各种各样电压和电流干扰电力供应及电气设备正常工作的电磁现象时， 所提出的专业名词在含义上很不准确，使用也很不规范。电能质量问题终究是由 电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡量标准应占有优先的位置。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、电流或频率的偏差，其 内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电 压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。根据国际电工委员 会i e e e 标准，电力电能质量的主要指标有电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压 闪变、三相电压不平衡五个方面： 5 江苏大学硕士学位论文 电压偏差：就是实际使用的电能电压与额定电压等级之间的差值。可分 为过电压和欠电压二种，过电压是指实际电压为电压额定值的1 1 0 1 2 0 ；欠电压是指实际电压为电压额定值的8 0 - - 9 0 ，持续时间大于1 分钟。 频率偏差：指的是实际电能频率与额定频率( 5 0 h z ) 之间的差值，电力 系统频率偏差允许值为0 2 h z ，当系统容量较大时，偏差值可放宽到 0 5 h z 。频率是在主站系统解析的实时数据中直接读出，和5 0 h z 进行 比较可得偏差 谐波：频率为电源基波频率整数倍的正弦波电压或电流。谐波相关指标 的计算依据g b t1 4 5 4 9 - 1 9 9 3电能质量公用电网谐波、 g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度的规定，具体公 式如下。 a 第h 次谐波电压含有率 h r u h ：旦1 0 0 u i b 第h 次谐波电流含有率 h r h ：竺1 0 0 1 c 谐波电压含量 - 陆荟阢 d 谐波电流含量 一 扯荟厶 e 电压总谐波畸变率 t h d , , ：丝1 0 0 u 1 f 电流总谐波畸变率 t h d , ：生1 0 0 l 式中u h 第h 次谐波电压c y 均根值) ； u 1 - - 基波电压( 方均根值) ； i h 第h 次谐波电流( 方均根值) ； 1 1 基波电流( 方均根值) ； 6 江苏大学硕士学位论文 电压闪变：电压闪变是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化， 电压幅值的变化通常为额定值( 9 0 - - , 11 0 9 6 ) 。 三相不平衡：指三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压或电流负序 分量与正序分量的方均根值百分比表示。电压或电流不平衡度分别用跚 或i 表示。 不平衡度的表达式： 毛2 鲁圳。 舀：生1 0 0 1 舀= 一 ，2 式中：三相电压的正序分量方均根值，v ； 眈三相电压的负序分量方均根值，v ； n 三相电压的正序分量方均根值，a ； 也三相电压的正序分量方均根值，a ； 2 1 2 电网实时监控系统功能分析 根据电能产品的特点，结合目前大多数企业用电企业无法科学主动调度支配 电能的现状，可将企业电网实时监控系统的主要功能总结为以下几个方面： 1 电能可视化 电能这种产品具有不可见性，监控系统通过电能测控终端采集配网的电量、 电能质量信号，再将信号转换为数据传输到计算机系统。计算机系统首先对数据 进行分析、计算和分类存储，然后将电能以图表的形式进行展示，最终达到电能 产品的可视化目标。 2 配网在线监测 由于电能的“发、供、变、配、用”是在同一时刻完成，用电设备使用电能 的情况随着时间的变化而变化，要想有效管理电能，电能参数的实时监控显得非 常重要。嘲电网实时监控系统要实时提供配网电压与电流、各相负载情况、运行 效率、功率因数、谐波畸变率、三相负载不平衡以及电网损耗等状况，为企业的 管理者提供实时决策分析、优化配电的可靠依据。 3 配网分析诊断 7 江苏大学硕士学位论文 企业的管理者通过监控系统及时全面地了解企业配网的实际运行情况和存 在的问题，如电压波动、频率波动、负荷不平衡、电网过载、谐波畸变、电压凹 陷等，这些可能会导致用电设备损坏，严重影响产品质量的问题。根据实测数据， 企业可进行电网或用电设施的预防性维护，将电网设备或用电设备损坏下降到最 低限度。 2 2 电网实时监控系统工作原理分析 企业电网实时监控将企业内部的供电( 配电) 网络看作一个整体，企业的配电 房或总开关作为一个电能入口，企业内部的各用电设备是电能的出口，内部的供 电线路就是电能传输的管道。电网实时监控系统就是管理输电管道和传输的电能 的工具。通过在内部电网的主要电能传输部位( 根据网络分布图科学选定) 安装电 能测控终端装置，采集电力电能和设备的信号( 电压、电流、电量、谐波、设备运 行状态、电网异常情况等) ，再将这些信号传输到计算机中进行存储、计算、分 析，最后通过各种分析图表展示给电能管理人员。电能管理人员就可以通过计算 机系统了解、控制、协调、分析、决策内部电网的运行和电能的使用，下面详细 讲解企业电网实时监控系统中数据的采集以及传输方式。 2 2 1 数据采集方式 企业电网实时监控系统中用电设备电力参数的采集主要利用电能测控终端。 测控终端采用高速3 2 位嵌入式处理器d s p 和嵌入式实时多任务r t o s 操作系统， 内部嵌入高速高精度的采集模块，实现实时高速电能计算，特别是在负荷波动大、 谐波含量高的运行状况下依然能够保证采样和电能计量精度，同时电磁兼容性能 优良，能抵御高压尖峰脉冲、强磁场、强静电、雷击浪涌的干扰、且具有较强的 温度自适应能力范围。电能测控终端按大于6 0 0 0 次秒的速度采集配网的电能信 号，完全确保了信息实时性要求，支持有线和无线两种通信模式，与上级主站系 统的数据通信支持电力负荷管理系统数据传输规约2 0 0 4 ) ) ( 国家电网公司) 。 2 2 2 数据传输方式 电能测控终端在采集完数据以后还要发往上级主站计算机系统，这就涉及到 数据的传输方式。过去的十几年间，在工厂自动化和过程自动化领域中，现场总 江苏大学硕士学位论文 线是现场级通信系统中的主流解决方案。 9 1 不过，随着技术的不断进步和发展， 传统现场总线越来越多地表现出了其本身的局限性。一方面，随着现场设备智能 程度的不断提高，控制变得越来越分散，分布在工厂各处的智能设备之间以及智 能设备和工厂控制层之间需要连续地交换控制数据，这使得现场设备之间数据的 交换量飞速增长；另一方面，随着计算机技术的发展，企业希望能够将底层的生 产信息整合到统一的全厂信息管理系统中，于是，企业的信息管理系统需要读取 现场的生产数据，并通过工业通信网络实现远程服务和维护，因此，纵向一致性 也成为热门的话题，用户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技 术兼容的通信方案，这样可以大大简化工厂控制系统的结构，节约系统实施和维 护的成本。 基于这样的需求，以太网技术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗 透，以太网技术开始广泛地应用于工厂的控制级通信。1 1 0 在自动化世界中使用 以太网解决方案有几方面显著的优势：统一的架构、集成的通信以及强大的服务 和诊断功能。从目前工业自动化控制领域的情况来看，以太网技术取代现场总线 是工业控制网络发展的必然趋势。不过，将以太网技术应用于工厂的生产控制过 程中并不是一个简单的移植过程。在将以太网技术引入到控制级通信的过程中， 为了满足工业控制系统的特殊需求，如现场环境、拓扑结构、可靠性等要求，必 须对普通的办公室以太网做出调整和补充，以保证以太网技术在工业现场应用的 可靠性，即我们常说的工业以太网。目前，在控制级通信网络领域中，工业以太 网解决方案已经得到了广泛的认可和接受，企业和工厂也充分享受到了高性能通 信网络带来的便利和收益。尽管如此，工业以太网技术在向最底层的现场级控制 系统渗透时遇到了难以克服的障碍一通信的实时性和确定性。 由于企业电力设备数量大、分布广，导致终端采集设备比较分散且网络环境 比较复杂。综合考虑，基于w e b 的企业电网实时监控系统综合采用了有线以太 网技术和无线g p r s 技术两种数据传输方式。对于那些可方便接入企业i n t r a n e t 的终端采集设备采用有线数据传输方式，而对于那些位置相对偏远且所处的环境 不适合布置网线的终端采集设备，则采用无线通信方式。无线方式下采用的移动 网络的g p r s 技术，监控终端通过g p r s 模块接入移动的g p r s 网络，g p r s 网 络通过g g s n ( 网关型g p r s 支持节点) 接入i n t e r n e t ，g g s n 提供了g p r s 网络和 9 江苏大学硕士学位论文 i n t e r n c t 网络直接的无缝连接，实现监控终端和监控主机透明的数据传输，【1 1 】无 线g p r s 方式数据传输工作原理如图2 1 所示。 图2 1g p r s 方式电能数据传输工作原理 2 3 电网实时监控系统总体架构设计 综合考虑企业电网实时监测系统的需求以及工作原理，本文采用浏览器 服务器( b s ) 架构模式，从电能参数的采集到应用分别为数据采集层，实时( 历 史) 数据管理层，数据访问接口层以及客户端应用层，如图2 2 所示是企业电网 实时监控系统的体系结构图。 图2 2 企业电网实时监控系统体系结构 l o 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 数据采集层 数据采集接口层面向系统中的不同物理设备，负责读取物理设备信息和实时 数据，并通过预定义的通信协议与数据解析主站系统进行连接和通信。 2 3 2 数据管理层 数据管理层是整个系统的关键层，数据库通过网络为企业提供高质量综合信 息检索服务，形成一个安全、可靠、实用、可扩展的现代化的信息系统，以达到 信息资源共享、合理利用和高效整合的目的。系统数据管理包括两大模块：实时 数据管理模块与历史数据管理模块。 实时数据管理模块主要完成实时数据的高效存取，其功能主要由主从两台内 存数据库服务器实现。由于电网的实时监控系统对数据实时性的要求比较高，传 统的关系型数据库已经不能很好的适应实时监测系统的实时性要求，所以系统中 采用了内存数据库系统。内存数据库系统层负责接收、处理和存储来自数据采集 接口层的实时数据，同时还支持将实时数据定期发布到通用的关系数据库中。内 存数据库中只保存最近一段时间最新的数据，对于相对比较“旧 的数据则通过 数据转存模块转移到关系数据库中进行存储。数据的转存主要利用的就是内存数 据库系统的文件缓冲机制将内存数据库中的部分信息通过文件缓冲区转移到外 部存储设备上，从而保证了内存数据库处理实时数据的效率。由于内存数据库服 务器在实时监控系统中起到了核心的作用，所以这里采用了主从式的服务器架 构，两个内存数据库节点通过失步记录缓冲处理机制通信保持数据的一致性，这 样虽然增加了一定的硬件成本，但是当主内存数据库服务器发生故障的时候，从 内存数据库服务器就能很快的取代它的位置，而不会导致整个系统的崩溃，这在 很大程度上提高了系统的稳定性。 历史数据管理模块主要是完成历史数据的存储，由于历史数据的数据量比较 大，随着数据量急剧增长，一台服务器往往不能满足需求，如何提高处理速度， 数据可用性、数据安全性和数据集可扩性是非常重要的问题，而目前服务器的价 格越来越便宜，采用服务器集群技术可以提高访问数据库的效率，提高可靠性和 安全性。【1 2 1 实时监控系统采用历史数据库集群技术，建立起有效的分布数据管理 模式，形成一种高吞吐量和高性能的分布式计算环境，这在很大程度上提高了系 江苏大学硕士学位论文 统快速处理海量历史数据能力。 2 3 3 数据访问接口层 用户可以通过数据访问接口对实时( 历史) 数据库进行访问。通过数据访问 接口，系统向上层应用很用户提供实时数据服务。系统提供了a p i ，o d b c 接口 和w e b 服务接口，其中a p i 函数直接访问实时数据库效率较高，但是通用性不 强。o d b c 使用s q l 作为访问数据的标准，提供了限度的互操作性，实时数据 库与关系型数据库相比要进一步满足实时性，所以事务的执行具有一定的时效 性，因此o d b c 接口在实时数据库管理系统中所提供的功能比较有限。w e b 服 务接口采用向数据访问接口层发送s o a p 请求，以实现数据应用程序远程访问实 时历史数据。 2 3 4 客户端应用层 通过数据访问接口对数据库中的各种实时数据以及历史数据进行访问，实现 w e b 环境下电网实时监控系统数据的展示、分析和维护等方面的应用，主要包 括实时数据查询、历史数据趋势分析以及基于数据挖掘的智能报警等。 2 4 电网实时监控系统关键技术分析 在各个数据采集装置和数据解析主站系统之间，主从内存数据库之间以及应 用程序和内存数据库之间都存在着大量的数据通讯，另外由于平台多样性，例如 数据采集平台和应用平台等的多样性，为了保证数据的正确传输，提高系统的开 放性，必须提供统一有效的数据通信服务。由实时监控系统的逻辑体系结构可知， 系统中涉及的问题比较多，包括电力参数数据的采集解析，实时数据和历史数据 的存储，数据访问服务以及w e b 环境下数据的实时应用等等，下面着重分析一 下企业电网实时监控系统在电力数据采集、传输、存储、显示各个环节所涉及到 的关键性技术： 1 异步式传输数据帧的解析 测控终端和主站系统在通信过程中传输的数据帧符合电力负荷管理系统数 据规约- 2 0 0 4 异步式传输帧格式。测控终端采集到电力参数信息后，要发送给上 级主站系统，主站系统在接收到数据帧后便进行数据帧的解析将二进制数据格式 1 2 江苏大学硕士学位论文 转化成常用十进制数据格式，所以异步式传输数据帧的解析是整个电网实时监控 系统的基础。 2 实时数据的高效实时存储 电力系统的实时数据是指能反映电力系统实时运行状态的数据，通过对这些 数据的监控和分析能够了解设备的性能、运行状况和健康状况，从而保证整个电 力系统的正常稳定运行，实时数据的存储效率高低直接影响了系统运行的实时 性。传统关系型数据库系统强调事务一致性、可恢复性和永久性，进行数据存取 时其执行时间不可预测，无n 时间维 ，更不显式地考虑时间。电网实时监控系统 对数据实时性有较高的要求，导致传统关系型数据库不能很好的适应实时系统数 据管理的要求。报警信息，设备运行状态信息，故障信息等这类对实时性要求很 高的数据，就需要采用高效的内存数据库存储方式。 3 数据的实时刷新显示 在高效数据存取技术的前提下，还要考虑到数据的实时更新显示问题。电网 实时监控系统的目标是要使电能以可视化的方式及时提供给用户，即使数据的存 取很有效率而这些实时数据不能及时更新显示，用户依然不能很及时有效的得到 生产现场的各种用电设备信息数据，更谈不上对企业电网进行实时决策分析、优 化配电等工作。传统w e b 环境下的实时刷新通信效率低下。当通信数据量大时数 据的刷新慢且比较消耗系统的资源不适合大数据量的电网实时监测，所以系统要 提高数据显示的实时性必须解决w e b 环境下数据实时更新问题。 4 数据的多线程同步处理 终端采集设备数量较多且数据采集密度比较大的情况下，在进行数据采集的 同时要进行数据的实时显示、数据实时入库、故障报警等，这些功能若全部由一 个线程来完成，会因资源冲突等问题而影响处理效率，所以单线程的数据处理已 经不能很好的适应实时监测系统的需求，系统必须采用多线程的数据处理方式以 实现实时多任务的需求。 5 w e b 环境下实时监控系统的安全 由于系统是实时系统数据量比较大且运行在完全开放的互联网和g s m 网络 上，因此数据传输的安全性以及系统运行的稳定性，也是系统重点要考虑的问题。 当然，不管采用什么安全技术，系统都不可能是绝对安全的。因此，除了采用各 1 3 江苏大学硕士学位论文 种先进技术外，更要从思想上提高认识，对系统安全运行给与高度的重视。 2 5 本章小结 本章首先从电能质量参数指标和系统功能目标两方面分析了电网实时监控 系统的需求，然后详细分析了实时监控系统的工作原理，主要包括电网实时监控 系统数据的采集方式以及传输方式两方面，最后在电网实时监控系统需求分析以 及工作原理分析的基础上，给出了企业电网实时监控系统总体结构的设计方案， 并对系统实现过程中涉及到的关键技术进行了详细分析。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章国网2 0 0 4 版规约分析与改进思路 数据传输规约是测控终端和主站系统进行信息交互的接口，随着软硬件技术 以及用电管理自动化、信息化和智能化的发展，电力负荷管理系统需求发生重大 变动，传输规约也在不断地变化和发展。 3 1 电力负荷管理系统数据规约- 2 0 0 4 简介 国际和国内使用的传输规约多种多样，即使对于同一种规约，其传输格式也 会因不同国家、不同生产厂家而不同；为了统一这种混乱局面，实现规约的标准 化，国际电工委员会t c 5 7 技术委员会制定了一系列远动规约的基本标准【m 1 7 1 ， 并在此基础上制定了i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约。19 9 6 年原电力工业部颁发了电 力负荷控制系统数据传输规约( 试行) 一1 9 9 6 ) ) ( 简称“9 6 版规约”) ，经过 八年多的实际运用，为电力负荷管理系统的建设、运行和发展奠定了良好的基础， 同时，随着大量应用系统的不断完善和发展，9 6 版规约本身也在这些实际系统 的应用中得到了不同程度的丰富和扩展。电力负荷管理系统已成为电力需求侧管 理、电力营销与客户服务工作的重要组成部分，为适应系统发展的需求变化，保 证系统建设具有良好的规范性、兼容性、开放性和扩展性，有必要对9 6 版规约 进行修订。 电力负荷控制系统数据传输规约一2 0 0 4 ) ) ( 简称“国网2 0 0 4 版规约”) 是在9 6 版规约的基础上，依据电力负荷管理系统功能规范和 电力负荷管 理系统通用技术条件的要求，并结合目前实际、今后技术和应用发展的需求。 国网2 0 0 4 版规约遵从g r t 1 8 6 5 7 推荐的传输规约模式，主要规定了电力负荷管理 系统中主站和终端之间进行数据传输的帧格式、数据编码及传输规则，采用三层 增强型结构，适用于平衡式和非平衡式的通信网络。 3 2 国网2 0 0 4 版规约主要内容 为了提高通信的实时性，国网2 0 0 4 版规约采用了只有物理层、数据链路层、 应用层3 层的增强性规约结构( e p a ) ，应用层直接映射到数据链路层，加强了信 息的实时性。在点对点和多个点对点的全双工配置下，此配套标准可以采用平衡 1 5 江苏大学硕士学位论文 式传输以发挥其内在潜力。 3 2 1 规约结构 与大多数电力系统中的通信规约一样，国网2 0 0 4 版规约采用了三层的体系结 构，分为应用层，数据链路层和物理层，0 8 其结构如图3 1 所示： 巨鲴囤匝至囹叵囤 图3 1 规约的三层体系结构 可以看出，国网2 0 0 4 版规约使用的物理通道选择是很多的，这是现代通讯技术 发展的结果。一般串口和红外通道可以作为测试使用，t c p u d p 可以作为主站 与终端的通道，短消息可以用来提醒用户一些紧急的事件。众多的通道选择，满 足了负荷管理的许多要求，当然众多的通道也增加了程序开发的复杂性，但是在 实际运行时很少要求终端同时开启所有的通讯通道【1 9 1 。企业电网实时