（电路与系统专业论文）基于modbus的电能质量监测系统软件平台研究与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 各种电能质量问题已引起各国电力工作者的高度重视，如何提高电能质量和对 电能质量进行监测已成为近年来电力系统、电子仪器行业中新的研究热点。本文正 是针对电能质量的监测问题，设计开发电能质量监测系统软件平台，并对电能质量 监测系统数据共享进行探索和实践。 首先论述了各种电能质量问题产生的原因及危害，研究分析了电能质量相关标 准、测量规范及分析算法。其二，总结了电能质量监测特点，介绍了电能质量监测 系统组成。根据电能质量监测目的进行需求分析，提出软件平台的总体设计方案。 开发过程中采用模块化设计思想，将整个软件分为串口通信、数据处理、数据库管 理、用户界面、网络通信五个模块；开发工具采用v i s u a lc + + 6 0 ，给出了各个功能 模块的实现方法和相应的流程图、程序代码及运行结果。其三，采用m o d b u s 通信协 议，利用w i n d o w s 串1 2 1 通信技术，实现监测主机对下位机的数据传输和控制。采用 多线程技术提高系统的运行速度，采用面向对象方法进行程序设计并根据电能质量 监测要求设计打印报表。最后，为解决电能质量监测系统开放性问题，实现监测系 统数据的共享，研究了电能质量数据交换格式p q d i f ，将x m l 技术应用于p q d i f 文 件，给出了电能质量数据交换模型和实例。 本课题设计开发了基于m o d b u s 的电能质量监测系统软件平台，实现了电能 质量主要性能指标的图形显示、数据统计分析及报表打印。研究给出了不同开发 平台、监测仪器、分析软件之间共享电能质量数据的方法，为电能质量监测系统 网络化、信息化和标准化提供一种途径。 关键词：电能质量；监测系统；m o d b u s ；软件平台；数据共享 n a b s t r a c t av a r i e t yo fp o w e rq u a l i t yr e l a t e dp r o b l e m sh a v ec a u s e dm u c ha t t e n t i o no f p o w e r w o r k e r sa l lo v e rt h ew o r l d h o wt om o n i t o ra n di m p r o v ep o w e rq u a l i t yh a sb e c o m ea n e w h o t s p o ti nt h er e s e a r c ho fp o w e rs y s t e ma n de l e c t r i ce q u i p m e n ti n d u s t r y a i m i n ga t t h ep o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n g ，t h ep a p e rd e v e l o p e dt h es o f t w a r ep l a t f o r mo fp o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e ma n dd i ds o m er e s e a r c ha n dp r a c t i c ei ns h a r i n gp o w e rq u a l i t y s y s t e md a t a f i r s t l y ，t h ec a u s ea n dh a r mo fv a r i o u sp o w e rq u a l i t yr e l a t e dp r o b l e m sa r ed e s c r i b e d t h es t a n d a r d s ，m e a s u r i n gc r i t e r i o n ，a n a l y t i cm e t h o d so fp o w e rq u a l i t ya r es t u d i e d s e c o n d l y ，i ts u m m a r i z e st h ef e a t u r e so fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n di n t r o d u c e st h e c o m p o s i t i o no f t h es y s t e m d e m a n d sa n a l y s i si sc a r r i e do u tb a s e do nt h ep u r p o s e so ft h e s y s t e m ad e s i g ns c h e m ao fs o f t w a r ep l a t f o r mi sp r o p o s e d u s i n gt h em e t h o do f m o d u l a r i z a t i o n ，t h ew h o l es o f t w a r ei sd i v i d e di n t o f i v e p a r t s t h e y a les e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t a b a s em a n a g e m e n t ，u s e ri n t e r f a c ea n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s t h es o f t w a r ep l a t f o r i l li sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + 6 0 e a c h m o d u l e sr e a l i z a t i o na n dd a t a f l o w , p r o g r a m sa n dr u n n i n gr e s u l t sa r eg i v e n t h i r d l y ，t h e m o d b u sa st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，d a t at r a n s m i s s i o na n de f f e c t i v ec o n t r o lo f m a s t e rc o m p u t e ro v e rt h el o w e rm a c h i n ei sr e a l i z e dt h r o u g ht h et e c h n o l o g yo fw i n d o w s s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i no r d e rt oe n h a n c er u n n i n gs p e e do ft h es y s t e m ，m u l t i t h r e a di s u s e da n do b j e c t - o r i e n t e dm e t h o di su s e di np r o g r a m m i n g i nt h ee n d ，i no r d e rt or e a l i z e d a t as h a r i n g ，t h ep a p e rs t u d i e st h ep o w e rq u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ( p q d i f ) ， e x p l o i t sx m lt e c h n o l o g yi n t op q d i ff i l e sa n dg i v e sm o d e l sa n de x a m p l e so fp o w e r q u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g e t h es o f t w a r ep l a t f o r mo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nm o d b u s p r o t o c o l ，w h i c hi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r ，c a ns h o wc h a r t s ，g i v er e s u l t so f s t a t i s t i c sa n da n a l y s i sa n dp r i n tr e l a t e dr e p o r t s t h em e t h o dt os h a r ep o w e rq u a l i t yd a t a b e t w e e nd i f f e r e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r m s ，m o n i t o r i n ge q u i p m e n ta n da n a l y t i ct o o l s ，h a s s u p p o r t e daw a yt op r o m o t et h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mt od e v e l o pi nt h e n e t w o r k i n g ，i n f o r m a t i o n a la n ds t a n d a r d i z a t i o nd i r e c t i o n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；m o d b u s ：s o f t w a r ep l a t f o r m ； d a t as h a r i n g i i i 、 硕士学位论文 - 目_ - _ i i i i , 。! i e l - e | _ _ | 目| 目_ _ 目_ _ _ - l l 自e = = 自目| 目目= = | 目i _ l 皇= e 皇自自目| j 自自= e j 置鼍| e 皇皇_ 昌| - 皇! 鼍置e 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 电能质量问题及其监测的主要指标 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量。 在理想的三相交流电力系统中，三相交流电压是平衡的，电压和电流的波形成正 弦波且无畸变。这需要负载为恒定的三相对称的线性负荷，而实际负载则是动态 的、非线性的、不对称的，从而引起公共供电点的电压波形的不稳定、非正弦性 和不对称性及电压频率的变化，这就是所谓的电能质量问题。文献【l 】中将电能质 量问题定义为“导致用户设备故障或误动作，以电压、电流或频率的偏差为表现 形式的一切电力问题”。 电能质量可用相关的技术指标来衡量。电能质量监测的主要内容即是对电能 质量各项指标的监测。这些指标有心引： ( 1 ) 电压频率 用户从电网中吸收的有功功率是变化的，发电机输出的有功功率必须和用户 吸收的有功功率维持动态平衡，才能使电压频率的偏差在0 2 h z 以内。当有功冲击 使有功不平衡时，将产生电压频率的偏差。 纺织机、造纸机等生产机组对频率比较敏感。如果频率变化过大就可能出现 废品，甚至使设备受损；频率降低会使汽轮机的叶片承受压力加大，严重时会发 生机械共振，使叶片断裂。 ( 2 ) 电压偏差 电压偏差是电压下跌( 电压跌落) 和电压上升( 电压隆起) 的总称。当电网 用户负载不是纯电阻负荷，而是p 、l 、c 网络负荷时，电网中将产生无功。当用 户无功较大时，将产生电压偏差，容性无功使电压偏高，感性无功使电压偏低。 为了消除电压偏差，需要对用户无功进行补偿。 ( 3 ) 电压波动和闪变 对于冲击性负荷，无功是波动的，因此电压幅值也是波动的，这就产生了电 压波动问题。电压的快速波动会使电动机转速不均匀，这不仅危及电动机的安全 运行，而且会在一定程度上影响一些产品的质量。小于3 0 h z 的电压波动，特别是 8 8 h z 的电压波动，将引起灯光闪烁，这就是电压闪变。 ( 4 ) 三相电压不平衡 电力系统的三相不平衡是由于三相不平衡负荷产生负序电流注入电网所致。 三相不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害，主要有： 基于m o d b u s 的电能质量监测系统软件平台研究与开发 引起以负序为起动元件的多种保护发生误动作，威胁电网的安全运行； 使半导体变流设备产生附加的谐波电流； 引起旋转电机的附加发热和振动，危害电机的安全运行和正常出力； 变压器的三相负荷不平衡，会使负荷较大的一相绕组过热而缩短其寿命并 且会由于磁路的不平衡造成附加的损耗； ( 5 ) 谐波电压和波形畸变 负载的非线性使负载电流也是非线性的，非线性谐波电流可分解为基波电流 和谐波电流的叠加，其中谐波电流注入电网将产生谐波电压，谐波电压叠加在基 波电压上，使电压波形产生畸变。 电网中谐波含量的增加，将导致电气设备的寿命缩短，网损加大，系统发生谐 波谐振的可能性增加，严重时会造成危险的过电压、过电流，同时还可能引起继电 保护和自动装置误动作、仪表指示和电度计量不准、使通信系统受干扰等一系列 问题。 1 1 2 电能质量监测技术国内外研究现况 1 电能质量监测主要方式 电能质量监测主要有以下三种方式： ( 1 ) 连续监测：对重要的变电站的公共供电点的电能质量进行连续监测，监 测的主要技术指标有供电频率、电压偏差、三相电压不平衡度、负序电流、有功 功率、电网谐波、功率因数等。控制内容有：供电频率控制已由电力调度中心承 担，电能质量控制主要指当电压偏差、三相电压不平衡度、电网谐波等指标越限 时，发出报警或控制命令。连续监测任务主要由安装在变电站内的电能质量监测 仪完成。 ( 2 ) 定时巡回监测：主要适用于需要掌握供电电能质量而不需要连续监测或 不具备连续监测条件而采用的监测方式。主要用在居民、商业及小工厂供电系统 公共点的供电质量监测。根据重要程度一般一个月或一季度监测一次即可，巡回 监测任务主要由便携式电能质量分析仪或手持式谐波分析仪完成。 ( 3 ) 专项监测：主要适用于干扰源设备接入网( 或容量变化) 前后的监测方 式，用以确定电网电能质量指标的背景状况和干扰发生的实际量或验证技术措施 效果。此项监测任务一般由便携式电能质量分析仪完成。在完成电能质量检测和 监测的同时，电能质量监测点的选择直接关系到检测和监测的结果。 2 电能质量监测发展状况 国外自2 0 世纪7 0 年代起就开始进行电能质量的监测分析工作，大多数发达国 家的各供电连接点均已装设电能质量监测仪器。美国、日本、法国等发达国家在 电能质量监测方面取得了许多重要的理论和应用成果。1 9 9 2 1 9 9 5 年，美国电力 研究院( e p r i ) 在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，获得了大量电能质 ， 硕士学位论文 量数据。1 9 9 6 年，i e e e 将每年召开一次的电力谐波国际学术会议( i c h p s ) 更名 为电力谐波与电能质量学术会议( i c h q p ) ，把电能质量提高到一个新的高度来 认识。我国各级电力部门以及电力终端用户也逐渐认识到电能质量综合监测的重 要性，相应的电能质量监测仪及其后台分析软件也被开发出来并投入应用。 在电能质量监测技术发展的初期，电能质量的监测主要是以模拟量为主，即 通过整流、滤波的方式将波形转化为相应的直流量后再进行处理和显示。由于这 种方式是以正弦波作为测量的假设前提，因此对波形中许多重要的瞬时变化不能 及时记录下来并给出分析结果，从而大大影响了监测结果，甚至会导致以该监测 结果为基础的误操作。并且，模拟电子技术采用的一些元器件性能不稳定，极易 受到外界干扰，这也会降低测量的准确性。因此，8 0 年代末，将交流采样技术和 数字运算相结合的新的测量方法应运而生h 1 。近年来，在电能质量监测仪器和设 备的研制以及在系统构建的研究方面，国际上越来越多地采用了先进的软硬件技 术、网络技术及各种数学方法。d s p 技术哺1 ，特别是数字计算机与数字信号处理 器( d s p ) 的迅速发展与普及，为这一测量方法提供了硬件基础。此外还有虚拟仪 器技术叩】、基于互联网和电信s m s 的数据发布技术以及中间件技术，以及采用小 波变换h 引、神经网络阳1 和专家系统等作为检测识别和分析诊断的有效工具。 为了对监测信息进行全面、高效的管理和使用，电能质量监测必然向着标准 化方向发展。在数据格式方面，i e e e 标准委员会提出了电能质量数据交换文件格 式一一p q d i f ( p o 、e rq u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m m ) 并将其作为通用平台。在显 示界面方面，为提高信息共享的效率，了解各监测仪器、子系统及主系统各项功 能并进行比较，便于工作人员之间交流经验，显示界面也在不断标准化。 随着电能质量对国民经济的影响逐渐加大以及网络通信技术和信息技术的迅 速发展，网络化、信息化也是电能质量监测技术的发展趋势。 1 2 课题来源及其研究的意义 1 课题来源 本课题来源于长沙市科研攻关项目“基于d s p 和虚拟仪器技术的电能质量检 测系统的研究与开发 以及湖南大学与湖南同人电子有限公司的校企合作项目“电 能质量测试系统的设计与开发 。设计开发一种新型电能质量监测系统，能够实 时、准确地监测电能质量指标，并对监测结果进行处理、统计分析，且实现电能 质量监测系统的数据共享。 2 课题研究的意义 电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用各方面的权益，优良 的电能质量对保证电网和广大用户的电气设备的安全经济运行，保障国民经济各 行各业的正常生产和产品质量以及提高人民生活质量都具有重要意义。各种电能 基于m o d b u s 的电能质量l 监测系统软件平台研究与开发 质量问题已引起各国电力工作者的高度重视，提高电能质量的新技术已成为近年 来电力系统研究领域中新的研究热点n 们。电能质量的监测和分析是对电力系统实 行有效控制、改善电能质量的前提条件，对准确预测质量目标，提出优质可靠的 供电方案，建设全面质量管理系统提供依据n 妇n 羽。 目前电能质量监测系统多种多样，使用各自的通信协议和数据格式，不同系 统之间很难兼容。当我们想共享它们的数据时，除了会遇到测量数据交换难的问 题外，在交换和比较计算机的仿真结果时同样会遇到数据不兼容的问题。将测量 结果传送给仿真和分析工具通常需要大量的操作，这增加了仿真和分析工具设计 的复杂性，需要在不同测量、分析和仿真系统间共享电能质量数据。 1 3 本文主要研究内容 全文共包括五章： 第1 章绪论。介绍了选题的背景、意义和主要研究内容。 第2 章电能质量标准与分析方法。介绍了电能质量各项指标和相关标准，以 及对电能质量进行分析所采用的主要理论和实践算法。 第3 章电能质量监测系统软件平台总体设计。首先分析了电能质量监测的特 点及目的，在介绍电能质量监测系统组成的基础上，提出电能质量监测系统软件 平台的总体方案，描述系统构成及工作原理。最后，对系统所使用的通信协议进 行介绍。 第4 章电能质量监测系统软件平台设计与实现。介绍设计过程中所需关键技 术的特点及实现方法，对软件平台的五大功能模块的设计及实现进行详细阐述， 分析每一模块的设计原理及其工作流程，给出代码实现及相应的程序运行结果。 第5 章电能质量监测系统的数据共享。介绍电能质量数据交换格式p q d i f 的结构：物理层和逻辑层，将x m l 技术应用于p q d i f 文件实现电能质量监测系 统的数据共享，并给出电能质量数据交换的两种模型。 最后，对本文的研究工作进行总结和展望。 第2 章电能质量标准与分析方法 2 1 电能质量标准 大功率的非线性、冲击性和不对称性负载接入电网，使电能质量下降。在电 力行业中，电能质量和国民经济的各个部门、人民的日常生活有着密切的关系，它 的好坏直接影响到国民经济的总体效益n 引。为了保证电网和用电设备的安全运 行，各先进工业国、国际组织都制订了相应的电能质量标准。我国也制定了相应 的电能质量标准。九十年代以来，国家技术监督局陆续发布了六个标准，对涉及 的主要技术指标和相关的测试方法作了规定。电能质量国家标准主要包括： ( 1 ) 电能质量一电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) ； ( 2 ) 电能质量一三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) ； ( 3 ) 电能质量一供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) ； ( 4 ) 电能质量一公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) ； ( 5 ) 电能质量一电压波动与闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ： ( 6 ) 电能质量一暂时过电压和瞬间过电压( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 。 有些动态电压问题，如电压凹陷( d i p s ，s a g s ) 、隆起( s w e l l s ) 、暂态浪涌 ( i m p u l s i v et r a n s i e n t s ) 与电压中断( i n t e r r u p t i o n ) 并无国家或国际标准。但因为 它们对敏感负荷的重要影响，也纳入监测范围。部分扰动负荷( 如电弧炉、双级 a s d s 等) 运行中产生间谐波电流，没有国家或国际标准，但它对电容器、滤波 器及敏感负荷的影响不可忽视，可视监测点的负荷资料而定。高压输电网的p q m 侧重于国标限值管理。中压配电网除了国标限值外，以上提到的一些用户关心的 电能质量问题也应考虑n 们n 射。 1 频率偏差 _ 2 2 0 允许值( ) 2 52 o1 6 表2 2 公共供电点的闪变干扰允许值 负荷白炽灯一般照明 干扰允许值( ) 0 4 o 6 5 电网谐波 硕士学位论文 电能质量一公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 对交流额定频率为5 0 h z ，标 称电压1 1 0 k v 及以下的公用电网的谐波允许值及测试方法作了规定。 谐波电压的限值见表2 3 。用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网 谐波电压在限值范围内。 表2 3 谐波电压限值 电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率( ) ( k v )( )奇次偶次 0 3 85 o4 02 o 6 l o 4 0 3 2 1 6 3 5 6 6 3 o2 41 2 1 1 0 2 o1 60 8 测量谐波的仪器应满足标准的测量要求。测量的谐波次数一般为2 次1 9 次； 根据谐波源的特点或测试分析的结果，可以适当变动谐波次数的测量范围。谐波 测量仪的允许误差见表2 4 。表中u n 为标称电压，为谐波电压，为额定电流， 为谐波电流；表中a 级仪器用于较精确的测量( 频率测量范围为0 - 2 5 0 0 h z ) ， b 级仪器用于一般测量。 表2 4 谐波测量仪的允许误差 等级被测量条件允许误差 电压 以1 u n5 a 玩 1 o 0 5 厶3 i n5 厶 电流 厶 3 i n0 1 5 如 电压 以3 u n5 既 b 3 0 1 5 u n i h 芝1 0 i n5 厶 电流 厶 ( 3 ) 在视创建时初始化串口。 ( 4 ) 利用c l a s s w i z a r d 生成时间消息w mt i m e r 响应函数。 ( 5 ) 在o n c o m m u n i c a t i o n ( w p a r a me h ，l p a r a mp o r t ) 函数中进行数据处理。 w p a r a m 、l p a r a m 类型是多态数据类型( p o l y m o r p h i cd a t at y p e ) ，在w i n 3 2 中为3 2 位，支持多种数据类型，根据需要自动适应，这样程序有很强的适应性。 每当串口接收缓冲区内有一个字符时，就会产生一个w m c o m m r x c h a r 消 息，触发o n c o m m u n i c a t i o n 函数，这时就可以在函数中进行相应的数据处理。 4 2 2m o d b u s 协议在系统中的实现 本系统中，监测主机通过r s 4 8 5 接口与下位机相连，采用m o d b u s 协议中的 r t u 模式进行通讯。即由监测主机作为主设备，下位机作为从设备，主设备定时 向从设备发送查询取数命令，从设备根据各自站号向主设备返回各项监测数据， 主设备将接收到的数据进行进一步处理。 1 命令包及数据包格式 根据m o d b u s 通讯协议的要求，通讯消息帧功能码选用0 4 ( 读输入寄存器) 。 下位机定义存放一帧数据的寄存器地址。读取及接收返回数据格式见表4 1 和表 4 2 。利用该协议，在一帧数据中传送一般测量值及电压偏差、电网谐波等各项电 能质量指标数据。 表4 1 主机查询命令包格式 子机号l 写命令0 4i 数据起始地址a d d ri 数据段长度l e nlc r c 校验 l b y t e l 1 b y t e i 2 b y t e i 2 b y t e i 2 b y t e 表4 2 从机响应数据包格式 子机号i 写命令0 4l字节数i d a t a ic r c 校验 1 b y t el1 b y t el2 b y t ei ( l e n ) b y t ei2 b y t e 其中，数据区的数据值按固定的顺序从低地址到高地址依次存放，每个数据 基于m o d b u s 的电能质量监测系统软件甲台研究与开发 占两个字节，需要传输的一般电参量数据有：各相电压，电流均方根值、有功功 率及总有功功率、无功功率及总无功功率、视在功率及总视在功率、功率因数及 总功率因数、线电压、+ 总相电压、总线电压、负序电流、频率等。 2 主机端通信流程 主机端主程序利用c s e r i a l p o r t 类中的i n i t p o r t o 函数实现串口的初始化。采用 c o m l 端口，1 9 2 0 0 b i t s 的波特率，奇校验，8 个数据位，1 个停止位。在串口初 始化后设置定时器1 每l s 定时采集一次数据。当主机发送命令请求消息帧时，开 始查询，计算机收到一帧完整的数据后，按照数据域中的数据重新进行c r c 校验， 并将结果同接收到的c r c 域中的值进行比较，若两值相等，则可将数据域中的数 据拆解，得到所需的数据。主机端通信流程图见图4 5 。 开始 扩 l 初始化串口，设定定时器1 ， 每秒采集一次数据 0 启动定时器l n 主机发查询命令 宰净n 主机接收回应数据 0 c r c 校验 n 处理数据 扩 结束 图4 5 主机端通信流程图 3 从机端通信流程 从机端，从机不断检测m o d u b s 网络，读取串口缓冲区中的消息。首先根据 硕士学位论文 帧内的第一个字节( 从机地址) 判断命令是否发送给自己，如果不是，则丢弃该 消息。否则进行c r c 校验，判断消息帧传送是否正确，如果正确，从机根据不同 的m o d b u s 命令调用相应的处理函数，如准备上位机需要的数据，调用发送函数 给该数据加上地址码，字节长度和c r c 校验等。进入发送中断，发出相应的应答 帧，将共享缓冲区内的检测数据转换为符合m o d b u s 协议的数据报文放入串口的 发送缓冲区发送至主机。将帧数据一字节一字节发送，直至全部发送完毕，结束 退出中断。从机端通信流程图见图4 6 所示。 图4 6 从机端的通信流程图 4 超时处理流程 若在规定时间内未收到从机应答报文，将重发请求报文，若多次未收到应答， 则报通信故障。超时处理流程图见图4 7 所示。 二莲耋姿鍪三乒 兰土 设定定时器2 每l o o m s 超时重发 启动定时器2 发送次数 3 、， y 山 主机写串口 发送次数+ l 达墼竺鍪舅 y 皇 主机处理数据 n n 取消定时器l ，2 设定定时器3 每5 s 超时重发 启动定时器3 发送次数 m _ _ p m a i n w n d ； 获取视图的指针 c p q v i e w p v i e w = ( c p q v i e w ) p f r a m e - g e t a c t i v e v i e w 0 ； 获取视图指针后，即可利用视图指针取出各数组中的值赋给频谱对话框中相 应变量，调用h i s t o g r a m c t r l 类的a p p e n d p o i n t o i 墨i 数即可实现频谱图的绘制。 4 3 3 扰动信号的实时检测 电能质量监测的目的之一是对多种扰动信息进行识别、提取和分析，并具有 事故诊断能力。这需要选择合适的扰动判据，扰动判据的优劣及运行所需时间直 接关系到能否快速有效地识别及捕获扰动信号，也决定了该监测软件的可行性和 可靠性评估。扰动判据的优先级别由高到低依次为： ( 1 ) 有效值判据。即判断电压方均根值的大小是否落在在稳态容许偏差区域 内( 【1 9 8 v ，2 4 2 v 】) 为条件，决定是否记录该2 5 6 点采样数据。其数学表达式为： 5 丢矿。) j r l ( 4 1 0 ) 这里n 为两个周期的采样点数2 5 6 ，u ( n ) 为采样点的电压值。实验证明，该判 据对持续时间达几十m s 的扰动( s a g s 、s w e l l s 等) 具有良好的识别效果。 ( 2 ) 暂态扰动信号时域再识别判据。它是依照欧洲u n i p e d e ( 国际电力生产 与供电组织) 制定的电压下凹测量装置技术规范进行适当变通后形成的。即把当前 的2 5 6 点数据分成四部分分别分析，每半个周期测量一次电压有效值，并按有效值 判据的条件确定这两个周期数据的取舍。每半个周期分析的数学表达式为式 ( 4 1 0 ) ，式中取6 4 。此判据虽然比有效值判据对短期扰动的识别效果更好，但 所需的运行时间约为前者4 倍，因此，将这两者按此先后顺序相结合，达到对短期 电压扰动较满意的识别效果，又在一定程度上提高了识别的运行速度。 。j p kq 脚埘 一所 l = 基于m o d b u s 的电能质量j l ；【测系统软件平台研究与开发 ( 3 ) 暂态扰动信号频域识别判据。基于部分暂态扰动过程含有明显的高频分 量，该判据从信号的频域角度对数据进行分析。具体思路是：为了提高扰动识别 能力，将当前两个周期分别分析，先对前1 2 8 点调用f f t 函数，再将结果转换成单 边谱，以式( 4 1 1 ) 中a 的大小作为条件( 其中u 为基波电压有效值，仉分别为前 4 9 次高频分量的电压有效值) ，若该数据的值超过了所设定的数值大小( 默认值 o 0 5 ) 则将其视为扰动现象。后一周期的分析方法相同。若前一周期已发生了扰 动，则记录波形数据并跳出判据而不再考虑后1 2 8 点数据。 彳= 胁 ( 4 1 1 ) 这些判据从时域和频域的角度对采样数据进行分析识别，若某扰动己由优先 级别高的判据识别，则跳出扰动识别模块，继续分析其后数据。当捕捉到暂态电 压扰动信息后，形成录波数据文件，当需要对扰动进行观测和分析时，可进行电 压扰动的波形回放。 4 4 数据库管理模块的设计与实现 4 4 1 数据流程及数据库表结构 1 数据流程 数据流程图见图4 1 1 。 图4 1 1 数据流程图 当监测主机发出监测指令后，下位机按所接到的指令每1 s 向监测主机发送一 次数据。监测主机接收到数据后先判断数据的有效性，如果是无效数据则抛弃。 硕士学位论文 在发送监测指令的同时监测主机要设置自动存盘的时间间隔，当时间间隔到达时， 系统自动对数据进行存盘。同时，按所选择的监测界面自动从包数据中取出要监 测的数据并在屏幕上显示。 2 数据库表结构 电能质量监测系统需要监测的数据包括众多的时、频域参数。考虑到电能质 量数据的海量特点，为了实现高效率的数据查询和便捷的数据备份与恢复，数据 库中不同日期的监测数据、实时计算数据应存放在不同的数据表中，表的结构应 按照采样时刻来设计，在数据表中占据固定的记录；而统计数据则是根据不同的 统计类型存放在相应的数据表中，表的结构按照统计项目来设计。 通过以上分析，考虑到大部分的电能质量监测仪器的数据组成，在设计数据 库时将数据分为七类：基本测量数据、功率数据、电压偏差数据、谐波含量、电 压不平衡度、电压闪变数据、统计结果数据。为适应联网的需要，还增加仪器信 息数据，同时为保证系统的安全性，还有操作人员信息表。其中电压偏差、功率、 谐波含量数据项和数据结构如下： 电压偏差：数据标志、日期时间、a 相电压偏差、b 相电压偏差、c 相 电压偏差、仪器编号。 功率：数据标志、日期时间、a ，b ，c 相及总的有功功率、无功功率、 视在功率、功率因数。 谐波含量：数据标志、日期时间、2 5 0 次谐波电流、2 5 0 次谐波电 压、a ，b ，c 相总谐波畸变率、2 - 5 0 次谐波电压含有率、2 , - , 5 0 次谐波 电流电压相位差。 4 4 2 数据库程序设计 1 设计原则 电能质量监测系统数据库管理的特点是信息处理量比较大，所管理的信息种 类繁多，对干扰情况下的信号和正常情况下的信号等大量数据，必须有效地组织及 使用数据库进行存储，并且能够方便地分类，排序，索引，查询和管理。各种各样的 数据分析应用软件也必须能够访问数据库和共享数据资源，并且相互之间兼容， 软件和硬件的结构应能满足扩展性。因此在管理上实现起来有一定的困难。在模 块的设计过程中，为了克服这些困难，采取了下面这些原则： ( 1 ) 删除不必要的管理冗余，实现管理规范化、科学化。 ( 2 ) 程序代码标准化，软件统一化，确保软件的可维护性和实用性。 ( 3 ) 界面尽量简单化，做到实用、方便。建立操作日志，系统自动记录所进 行的各种操作。 2 数据库初始化 程序设计中对数据库的访问采用的是m f co d b c 数据库对象访问技术，在 摹于m o d b u s 的电能质量监测系统软件平台研究与开发 v i s u a lc + + 程序中使用建立的数据源之前，必须建立一个到数据源的连接。 c d a t a b a s emd a t a b a s e ； i f ( ! m _ d a t a b a s e i s o p e n o ) i f ( ! m _ d a t a b s e o p e n c t ( “t e s t ”) ) ) a s s e r t ( “不能打开到该数据源的连接”) ； 为取得结果记录集，在c r e c o r s d s e t 类中定义一个成员变量mp d a t a b a s e ，通 过以下方式将这个结果集对应到相应的数据源： c r e c o r d s e tm _ r e c o r d s e t ； m _ r e c o r d s e t m _ p d a t a b a s e = & r e _ d a t a b a s e ； 在默认状态下打开双向滚动的动态集类型的记录集，使得对表中记录字段的 添加、删除等操作更加方便。设计中采用结构化查询语言s q l 进行数据库的访问， 这是一个非过程化的语言，对数据操作提供自动导航。 3 数据录入和查询 为满足多种数据文件格式录入的需要，设计两种录入文件的格式：二进制录 入和文本录入。二进制录入的思想是以结构方式读入，一次读入一个数据记录， a p i 函数c o p y m e m o r y 实现了数据转存，然后依次写入各个字段中。文本数据文 件定义以一行为一行记录所有字段，逐行读入，再用m i d 函数取出对应的字段填 入数据库。 利用数据分析中的分析结果，选择需要显示的数据的时间、数据的类型、仪 器编号和显示方式，可以显示数据分析的结果。根据条件选择数据，如起始时间 和日期，结束时间和日期，值大于或小于某个数，将选择出的数据根据电能质量 五项标准来进行进一步的计算分析。 4 程序出错设计 编写错误处理程序的方法很多。常用的是采用集中化的错误处理方式，编写 几个可供错误处理代码调用来处理公共错误情况的过程或函数，这样可减少代码 的数量。本设计时单独定义一个模块来编写出错处理函数，把所有可能出现的出 错情况全部用c a s e 语句选择，在各个有可能出错的事件的程序最后调用出错处理 函数。这样，程序在出错之后，提示用户出错原因并正常退出。 4 4 3 统计报表的设计与实现 1 数据统计流程图 报表管理是计算机应用系统应具备的重要功能，它涉及基础数据的调用、数据 输出和数据查询等各个方面h 。通过对一定时间周期内所采集的数据进行归总、 统计，报表能够将系统的运行状态多层次、多角度地反映给用户，再加上曲