（电力系统及其自动化专业论文）电网地磁感应电流监测系统后台软件开发.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电网地磁感应电流检测算法及装 置研制，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，除了文中特别加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：壅鱼日期：超型f ； 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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章引言 电网地磁感应电流( g e o m a g n e t i ci n d u c e dc u r r e n t ) 对长距离、大容量输电 网络具有一定的影响【l 。一“习。为了分析电网g i c 实际水平及影响，主要采用两种 方式：一是仿真计算，二是实际测量。仿真计算方法主要是通过对输电线路地面电 势( e s p ) 的计算，依据电网结构建立输电线路模型，采用p s c a d 等软件仿真得到 电网的g i c 缸1 “引。实际测量是利用装置安装在变压器中性点实现g i c 数据的实际监 测。其中第二种方案监测电网现状，安装采集装置是实际而有效的方式。因为g i c 是由磁暴引起的，随机发生、不确定性是它的特性之一，因此应用在线监测、实时 采集g i c 数据才是以后分析计算功能实现的基础。而且在发生地磁暴时，磁场变化 对不同监测站点的输电线路会有不同的影响效果，还要考虑监测过程中不同的磁暴 大小、其对应的变化率情况，所以把安装在各地的监测装置组成一套完整的系统是 十分必要的，并可以按监测装置不同的安装位置区分不同电网结构的采集量，形成 辐射性网络。因此在形成系统网络的基础上构建后台管理系统软件平台，进行整理、 保存、对比分析不同地区各种情况下的g i c 数据是十分有意义的课题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究情况 从上个世纪四十年代国外就开始注意到地磁感应电流对电力系统的影响。1 9 8 9 年魁北克大停电事件引起国内外人士更加的关注和重视。从二十世纪九十年代，北美、 北欧一些国家的相关机构，如美国国家海洋与大气管理局( t h eu s n a t i o n a l o c e a n i ca n da t m o s p h e r i ca d m i n i s t r a t i o n ( n o a a ) ) 、 美国电力科学院( e p r i ) 、 加拿大地质勘测局( c a n a d a sg e o l o g i c a ls u r v e yi no t t a w a ) 、芬兰气象研究院f m i ( t h ef i n n i s hm e t e o r 0 1 0 9 i c a li n s t i t u t e ) 与英国地理勘测局b g s ( b r i t i s h g e o l o g i c a ls u r v e y ) 等组织便已经开展地磁暴的监测、防治与预报工作，另外南非、 日本、新西兰等结合本国电网，在g i c 影响分析、计算、监测、治理等方面也展开过 大量工作【9 一o 】。例如下图i - i 为1 9 9 8 年9 月2 5 日磁暴发生时瑞典4 0 0 k v 变电站测量 到的变压器中性点流过的地磁感应电流，和输油管道单位长度下感应的电压。通过波 形可以看到采集得到的数据在磁暴发生的时刻变化剧烈，其幅值有了明显的增加，g i c 最大值已经超过了2 0 a ，而且磁暴持续时间比较长，将对电力输电系统会有显著的负 面影响。 华北电力大学硕士学位论文 图1 1g i c 采集波形 美国电力科学院在1 9 9 1 年至1 9 9 3 年期问，在近2 0 个变电站安装了电网g i c 监测网络系统一- - s u n b u s t 系统【1 1 】，建立了一个电网g i c 监测数据网络数据库，从 而可以利用各个变电站测得的数据分析电网g i c 对变压器、发电机和继电保护装置 等设备的影响，进而分析g i c 对电力系统稳定的潜在影响。系统实现了电网g i c 在 线监测和提供防治策略的基本功能，而且可以通过i n t e r n e t 网络对用户进行g i c 预警和提供准实时的地磁暴数据。不过在该监测装置中还有一些时代性引起的不 足，如采集装置硬盘数据存储量小，通讯手段不健全等，都给最后系统的性能造成 了不利的影响。 1 2 2 国内研究情况 地磁感应电流现象在我国各纬度地区的影响也引起了当地电力系统的密切注 。 意。如江苏阳( 城) 一淮( 阴) 5 0 0 k v 输电线路系统和南方某核电站分别在变压器中性 点分别安装了电流监测装置。在2 0 0 1 年3 月至2 0 0 2 年l o 月，阳( 城) 一淮( 阴) ，输 电线路系统中的江苏上河、武南两座变电站，运行中多次发现持续时间达一至两小 时的噪声异常现象【1 2 l ，在2 0 0 4 年7 月2 7 日和1 1 月8 日地磁场变化明显剧烈，与 此同时南方的某核电站安装的监测装置在主变中性点监测到幅值为几十个安培的 准直流电流【l ”。虽然上述地区在磁暴发生时刻已经对变压器中性点电流进行了采 集，但是其功能还不完善，而且实现的监测只是用普通的测量方法监测变压器中性 点的直流电流。例如，江苏上河、武南变电站的监测采用的是l m 公司的直流电流 测量装置。而电网g i c 的变化频率为0 1 o 0 0 1 h z ，国外在研究中将其看作为准 直流电流。虽然g i c 的变化频率比较低，但包含了地磁暴干扰特有特征与信息， 因此采用通用的直流测量法不能实现对电网g i c 的准确测量。而且分析g i c 必须 和输电线路的物理参数、电网运行参数相结合，才能有效的分析g i c 对我国电网稳 定运行的影响。 华北电力大学电力技术研究所从2 0 0 0 年开始研究。在和国家地磁台，阳淮地 区电力系统的合作，给出了平面波等理论分析给出e s p ( 地面感应电势) 分析程序， 2 华北电力大学硕士学位论文 并经过不断的努力，于2 0 0 4 年提出并完成了与湖南郴州电力公司的合作。在经过 实际电网调研、参数收集、模型建立和选择p s c a d 作为仿真分析软件以后，对湖南 省电网和西北7 5 0 k v 输电线路进行了g i c 仿真：把e s p 产生的电压值附加在输电电 路两端的变压器附近，计算出变压器中性点产生的g i c 数值和电力系统的潮流变化 【1 4 一卯。在软件仿真的同时，采用工控机、采集卡、霍尔传感器等设备开发了地磁感 应电流监测装置，并于2 0 0 5 年1 1 月在湖南郴州城前岭2 2 0 k v 变电站安装了已经开 发的监测装置，用于监测中性点在磁暴发生的情况下产生的地磁感应电流【16 ”1 。但 目前还只是一台装置进行了实地安装，没有实现整个监测系统和后台软件的编制， 在这种基础上提出了本文的主要工作。 1 3 论文主要工作 在华北电力大学课题组的基础上，论文开发了电网地磁感应电流监测系统后台软 件，为以后进一步分析和多地域比较g i c 的工作打下坚实的基础。 该后台软件开发了基于s q ls e r v e r 数据库，以d e l p h i 内含控件技术的后台管理 系统，应用了快速傅立叶变换和带通滤波技术作为算法和电力系统内部公共电话网作 为通信网络。开发的软件具有编程维护简易、运行效率高等特点。软件技术实现了整 个系统的数据管理、设备监控、数据显示及分析等模块，其优点是充分利用了现有的 网络资源，以高性价比，实现信息、资源及任务的综合共享和全局一体化的管理。其 实现的主要功能是把监测装置初步采集的数据经过通讯方式，上传到主站予以保存、 整理，并进行数据间的分析比较。根据装置与主站形成的辐射型网络，进行同一地区 不同时间段数据对比和不同地区同一时自j 数据对比，在地磁暴发生时刻，形象生动的 还原当时变压器中性点的情况，同时得到历史g i c 最大值、有效值，电网a 相1 9 次 以内谐波和各次谐波畸变率情况。在查询、显示、分析得到的数据，结合了安装地点 电力系统的网络结构、变压器结构、地质情况、磁情指数和其它情况下共同分析g i c 的影响条件。 工作还包含对地磁感应电流监测设备硬件的进一步调试、改进，以满足电力系统 突然发生断电故障等情况下的恢复，保证装置可以在多种条件下完成采集任务。 华北电力大学硕士学位论文 第二章gic 监测装置的组成和主要功能 安装在变压器中性点接地端的g i c 监测装置，是实际掌握g i c 水平的主要手段。 装置主要由霍尔传感器、信号调理板、采集卡、工控机主板、液晶显示屏等几个部 份组成，完成采集分析、存储显示等功能，最终形成g i c 监测装置。 2 1g i c 监测装置的组成 2 1 1 装置整体结构 电磁感应电流监测装置也称为变压器偏磁电流测量分析装置，因为g i c 影响输 电线路的主要途径就是使得变压器偏磁饱和而造成破坏性作用的。为了形成多监测 点的辐射性网络系统，课题组预计在多条长输电线路中安装监测装置。下面给出了 监测装置的组成。 装置的外壳主要分前面板和后面板两个部分，功能分别是操作、数据显示和线 路连接。前面板是由显示屏l c d 、电源开关、两个u s b 接口共同组成。其中一个u s b 接口用于鼠标的连接，另外一个作为数据端进行数据的输出、输入后面板是由接 线板和串口组成，接线板用于接入一号、二号主变高压侧三相电流、电压和中性点 电流。4 个r s 一2 3 2 串口中对应系统的c o m l 串口用于与调制解调器相连，进行远程 通讯的实现，其他串口可用于装置与变电站内部管理系统相连接，另外包括键盘端 口和电源线。 装置内部是由工控机主板p c m - 9 5 7 9 、数据采集卡p c m 一3 7 1 8 h g 、信号调理板、 电源、硬盘五部分组成，采用w i n d o w s 2 0 0 0 系统、o f f i c e 2 0 0 0 作为应用平台。在变 压器中性点接地处安装了l t l 0 8 一s 7i o o a 型霍尔传感器，利用霍尔传感器和电压 电流变送器的方式来测量输电线路或变压器中性线中的电流。 整个硬件采集结构如下图2 1 ： 图2 1 g i c 监测结构图 在线监测装置中需要测量以下几个量：变压器中性点电流变压器高压侧a 相电压变压器高压侧b 相电压变压器高压侧c 相电压变压器高压侧a 相线电 4 华北电力大学硕士学位论文 流变压器高压侧b 相线电流变压器高压侧c 相线电流。因为考虑到冗余量，设 计时选择测两台变压器的电参量，所以一共应该测量1 4 个电参量。 其中变压器中性点电流2 路参量通过霍尔电流传感器到调理电路、其余1 2 路变 压器高压二次侧电参量通过屏蔽电缆连接到霍尔电压、电流传感器。再通过调理电 路板将传感器传送过来的信号转变成采集卡能够接受的电压信号。经过研华公司的 p c i 0 4 3 7 1 8 h g 型号的采集卡进行数模变换，传输到研华工控机主板p c m - 9 5 7 5 进行 数据处理后得到快速傅立叶变换的结果，形成连续的波形，最后将图像通过液晶显 示器输出、数据保存到硬盘、以及通过m o d e m 和监测网络的网络中心进行通讯。 2 1 2 霍尔传感器 电网g i c 测量系统中应用霍尔电压传感器和电压电流变送器的方式来测量变 压器中性线中的电流。霍尔传感器主要是由聚磁环、位于空隙中的霍尔元件、放大 反馈电路等组成，如图2 2 原理是利用磁平衡，通过副边线圈电流所产生的磁场 来补偿原边电流所产生的磁场，从而使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。 具体工作流程：当原边回路流过被测电流i g i c 时，在导线周围产生一个强的感 应磁场h o l c ，这一磁场被聚磁环聚集，并感应给霍尔器件，由于磁场与霍尔器件的 输出有良好的线性关系使其产生一个霍尔电势v g l c 输出，这一信号经放大器放大， 输入到功率放大器中，这时相应的功率管导能，从而获得一个补偿电流i a c ，由于 这一电流通过多匝绕组所产生的磁场h b c 与原边回路电流所产生的磁场h o i c 相反， 因而补偿了原来的磁场，使霍尔元件的输出逐渐减小，最后当i a c 与匝数相乘n b c i b c 所产生的磁场与原边n g i c i c , l c 所产生的磁场相等时 玉k = k ，i b c 不再增加， 这时霍尔器件就达到零磁通检测作用。上述过程是在非常短的时间内产生的，这一 平衡所建立的时间在l 肛s 之内，而且由于补偿电流i b c 不会突变，所以补偿过度后， 霍尔元件输出信号使i b c 减小，如此反复在平衡点震荡，所以说是一个动态平衡过 程。而且原边回路电流i o i c 的任何变化均会破坏这一平衡的磁场，一旦磁场失去平 衡，霍尔元件就有信号输出。经放大器放大后，立即有相应的电流流过副边线圈进 行补偿，因此从宏观上看副边补偿电流的安匝数在任何时间都与原边电流的安匝数 保持相等，这样最终监测到了i g l c 在实际应用中选择l t l 0 8 一s 7i o o a 型霍尔传感器。l t l 0 8 - $ 7 闭环霍尔电流传感 器是近1 0 年来出现的高技术模块化产品，其性能大大优于开环霍尔电流传感器， 同时与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比亦有许多优点。另外闭环霍尔电 流传感器主要有以下特点【1 8 1 ：可以同时测量任意波形电流，如直流、交流、脉冲 电流；副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离：磁芯中磁感应强度极 低，不会使磁芯饱和； 不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗；线性度很好； 响应时间快：频率响应范围宽，如在o l o o k h z 信号范围响应。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - - 2 霍尔传感器原理图 为了达到测量的精度，传感器的实际应用中考虑到温度及不等位电势的补偿阿 题。温度漂移的原因主要是导电材料的电阻率、电子迁移率都是温度的函数，因此 随温度改变两者都会发生变化。l t l 0 8 - s 7i o o a 型霍尔传感器给出了随时闻、温度 变化的补偿反馈电路。可以得到霍尔传感器在整个工作温度范围内对不等位电势进 行有效的补偿，并且可相互独立地进行调节以补偿不等位电势的恒定部分和变化部 分的分量，可达到相当高的补偿精度。 2 1 3 信号调理 信号调理是指在数据进入采集卡之前，对信号用模拟方法进行的处理，其目的 是把采集到的信号转变成适宜数字处理的形式，从而满足数字处理的要求。数据采 集系统由于所在工作现场的限制，往往会有很多干扰信号，有时幅度很大，甚至比 有用信号还大，因此这些干扰信号会影响到测量精度和测量的可靠性，必须将其滤 除才行，信号调理板上滤波器的作用就是滤除这些干扰，从而确保测量的精度。变 压器中性点电流在经过霍尔传感器和变速器的传输后幅值在l o m a 到2 5 m g ，所以需 要对其进行放大并且形成电压值，以满足采集卡的输入需要。在调理电路中，采用 二阶滤波，其滤波截止频率可根据不同需要选择不同的参数。另外对于输入电流来 说，还采取了零电阻输入的电路设计，将外部高频影响进行阻断。 2 1 4 采集卡及主板 在电信号经过初步调理后，随后流入p c m - 3 7 1 8 h g 数据采集卡进行采集。该采 集卡是建立在p c 1 0 4 模块基础之上的，其模拟量的分辨率为1 2 位，即可以分辨出 1 4 0 9 6 * 0 0 0 0 2 5 v ，同时其具有数字输入输出的功能。它对每个模拟量输入通道可 软件编程，这样就可以在试验的过程中设定增益和零漂等参数。在编写的g i c 采集 程序须通过p c m 一3 7 1 8 h g 采集卡本身自带驱动程序和命令集，该驱动程序为操作系 统提供了一个动态链接库和一个内核系统文件，动态链接库提供了一个简单的接 6 华北电力大学硕士学位论文 口，而主要的函数都包含在内核模式的设备驱动程序当中，可完成采集卡的初始化 控制、开始采集、中断和触发等功能实现。 在数据传送时采集卡应用的是d m a ( 直接存储器存取) 传送方式，它是一种不 需要c p u 干预也不需要软件介入的高速数据传送方式，是一种完全由硬件执行的在 存贮器与外设之间数据进行直接传送的计算机i o 方式【1 9 1 在d m a 传输时最快可达 1 0 0k h z ，而本身时钟速率高达i m h z 。实际工程中我们应用了1 4 路通道，每一个周 波采集6 4 个点，这样根据计算需要采集的频率为： ( 6 4 s a m p l e s ) 5 0 h z 1 4 c h 4 盯行p ，= 4 4 8 0 0 h z c y c l e 所以p c g - 3 7 1 8 h g 数据采集卡完全满足速率的要求。 采集卡还有一些其他方面的设置，如模拟量通道有1 6 路单端或8 路差分输入， 由于我们需要采集1 4 路数据，所以选择单端输入；在时钟频率方面1 m h z 完全满足 要求：初始地址可选用0 x 3 0 0 。图2 3 为a d v a n t e c hp c m 3 7 1 8 h g 采集卡中模拟输 入输出模块的初始化设置。 图2 3p c m 3 7 1 8 h o 输入输出卡设置图 p c m 一3 7 1 8 h g 提供了内部可编程定时器( i n t e l 8 2 5 4 ) 可按需要设定采样频率，从 而发出采样脉冲，每路采样脉冲只触发一路通道，经过该通道的采样保持电路之后 由a d 转换器进行模数转换，转换之后采用d m a 方式将数据传送给主机，再这样顺 次触发下一个通道。 主板方面选择研华p c m 一9 5 7 5 ，由c p u 采用嵌入式超低压赛扬6 5 0 处理器，2 5 6 k 缓存，2 5 6 m d d r 内存，4 个r s 2 3 2 串口，2 个可扩展p c i 插槽等组成；安装w i n 2 0 0 0 操作系统，使用a c c e s s 数据库。将采集卡3 7 1 8 h g 嵌入研华9 5 7 5 工控机之后，需 7 华北电力大学硕士学位论文 要进行安装调试。再安装好驱动程序后，按照上图所示的输入输出设置卡，设定设 备号、中断设置、基地址、a d 通道的单端差分特性、时钟频率选择、通道参考电 压范围等，然后可以使用采集卡自带的d e v i c em a n a g e rt e s t 测试该硬件是否运作 正常。 2 2g i c 监测装置的主要功能 2 2 1 采集分析 根据前面6 i c 监测装置组成的介绍，可以得到对变压器中性点信号的采集变 压器中性点电流在经过霍尔传感器和变送器的转换后得到1 0 i i i a 一2 5 l n a 的小信号； 经过信号调理板的放大后，转换为o 一5 v 的电压信号；通过采集卡a d 转换得到数 字信号，并储存在d m a 缓存中的b u f f e r 矩阵中；编写好的g i c 采集程序包含对设 备的初始化、开始采集、错误处理、数据存储、结束采集等命令，并对b u f f e r 矩 阵得到的时域数据进行快速傅立叶变换，最终的分析数值由人机界面进行显示通 过一系列流程可以知道，采集装置可以对变压器中性点、输电线路高压侧电参数进 行准确的、实时的采集，并可以分析 2 2 2 警告 人机界面中包含实时显示界面、参数设定界面、历史数据查询界面。其中在程 序中的参数设定界面给出采集阀值和其他如装置零漂、增益的设定。当发生地磁暴 后，长距离输电线路中就会产生g i c ，此时变压器中性点流过的电流如果一旦超过 了设定阀值，在人机界面就会给出g i c 越限警告，程序也会触发采集卡的数字输出 端，形成逻辑电平1 。具体情况是，输出电压在表示逻辑电平0 时为0 3 3 v ( 最大) ， 输出电压在表示逻辑电平1 时为3 8 4 v ( 最小) 。输出端和声音报警器相连接，在 获得高电平后触发报警器，通知变电站值班人员进行关注解决。 2 2 3 显示 在装置的前面板包含l c d 液晶显示屏，实时显示初步分析得到g i c 数据波形。 显示界面包含三条以时间为横轴连续曲线，纵轴分别是1 号、2 号主变中性点电流、 线路无功分量，曲线旁边的框图还能给出线路电压和电流的谐波畸变率情况。这样， 可以在监测g i c 的同时，还能得到输电系统的情况。 2 2 4 存储 在监测装置中采用了微软的a c c e s s 数据库。该数据库可以方便的和编程语言 d e l p h i 进行衔接，同时本身的功能也很完善和强大。在通过对各个采样值数据表的 建立、数据库与人机界面连接的实现后，即可完成数据存储功能。装置采用了3 0 g 硬盘，数据量对总硬盘相对较小，这样存储时间可以十分长，满足实际监测的需求。 8 华北电力大学硕士学位论文 本章小结： 本章对地磁感应电流监测装置的组成和功能做了介绍。可以得知监测装置的安 装是得到我国g i c 水平最直接、有效的手段，而其良好的功能、稳定的性能是维持 整个监测系统不可或缺的部分，随着装置的应用、技术的发展，装置也会不断的完 善和进步，满足各项要求，最终形成完整的电网地磁感应电流监测系统。 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章g i c 监测系统后台软件的总体设计 3 1g l c 监测系统后台软件的需求 3 1 1g i c 监测网络系统的原理组成 为了分析我国电网运行中的g i c 水平，就要对不同纬度的长距离输电系统进行 监控，要求构成一个以后台管理系统为中心，各个监测点为支点的监测网络。在地 磁暴发生的情况下，监测装置采集到g i c 及电网运行其他数据，通过初步分析整理 后保存到监测装置的硬盘中，在一定时间内由后台管理系统通过选定的通讯手段上 传到后台管理系统，进行二次分析，形成不同地区、不同时间g i c 情况之间的对比， 得到我国电网运行中g i c 的具体水平。为此，华北电力大学课题组将在全国范围内 安装多台监测装置，根据长线路、土壤电阻率高、海岸效应等选址方案，形成监测 系统辐射性网络。 由于g i c 现象发生的不确定性，和后台管理系统采用的主控端对应监测装置的 被控端的通讯模式，可形成两种方式进行上传数据：一是按固定时间段上传所有地 点监测装置的数据，由于g i c 现象是由地磁暴发生，导致大地磁场发生变化，进而 影响输电系统，是通过磁场的变化感应输电线路造成的，而我们不知道什么时候发 生磁暴，这就导致了我们不知道什么时候产生g i c ，这就导致了现象的不确定性， 但是安装的变压器中性点位置的监测装置中，只要通过霍尔传感器中的电流值超过 设定的阀值，采集程序就要进行记录，所以按固定时间段进行上传数据，可以得到 所有监测点在该时间段的动作情况，为具体分析g i c 水平和其原理建立坚实的基础； 二是根据国内各个地磁台报告的数据，作对比分析。我国现有国家级、省级地磁台 3 4 处，分布在全国各个地区。地磁台主要是对太阳风造成的地球磁场的变化进行监 控，同时得到地磁暴的磁偏角( d ) 、水平强度( h ) 、垂直强度( z ) 的标度值、基线值、 时均值，日均值、月均值、季均值、日变幅、磁倾角( i ) 、总强度( f ) 、北向强度( x ) 、 西向强度( y ) 的年均值等数据。根据地磁台为磁暴发生时刻提供当地地磁台监测到 的磁暴数据、k 指数和快变化报告，分析出g i c 可能发生情况。这样，在获得她磁 台的数据后，我们进行比较分析，在没有发生大、中磁暴的情况下，就对产生最大 磁暴现象的地磁台数据进行分析，同时指定该区域的监测点装置进行上传数据；在 发生大、中磁暴现象时候，就对所有地区的数据进行上传。 这样就形成普遍查询和定点查询数据两种方式。通过这两种方式，可以有效而 全面的获得g i c 数据，又可以减少通讯次数，提高效率。在此基础上，通过对后台 管理系统的操作进行数据上传、数据库存储、后台软件分析、显示等，图3 - - i 为 后台管理系统运行的设计图。 0 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 后台管理系统设计模型 3 1 2 后台管理系统需要处理的数据及关系结构 后台管理系统需要管理的数据主要分成五个部分： 安装在全国各个地区的监测装置采集到的数据，包括变压器中性点电流、变 压器高压侧的三相电流、电压等，还包括分析得到的谐波、畸变率等，具体情况参 考第二章采集装置的组成部分；。 地磁台数据包括：地磁暴的磁偏角( d ) 、水平强度( h ) 、垂直强度( z ) 的标度 值、 基线值、地磁暴k 指数和快慢变化； 分析应用数据，由于课题组正在对g i c 产生模型的建立、g i c 对我国电网的 影响等各个课题的分析，所以后台管理系统要求建立分析应用数据表，包括变压器 基本参数，如额定容量，高、低压侧额定电压等，输电线路距离长短，地区土壤组 成等； 用户信息； 位于不同地点的监测装置，其通讯手段不同，主要可形成电话网和i n t e r n e t 两种形式，根据具体情况，管理系统对各地点的通讯方式进行了统一的管理。 在形成的地磁感应电流监测系统中，随着监测装置的不断更新完善，还将要完 成对变压器发出的噪声、变压器外壁震动的采集、分析监测。 所以，通过上述采集数据的分析要求给出了其间的关系结构图3 2 如下： 华北电力大学硕士学位论文 图3 2 管理数据及其关系 3 1 4 系统数据的容量 由于监测装置需实现对电网6 1 c 水平的长期在线监测，这样会有大量的监测数 据需要存储。所以，必须有效的解决监测终端的数据存储问题。 从前面的论述中我们已知，装置采用数据卡进行6 4 点周波采样。为了更好的 介绍本系统所采用的数据存储方法，我们做了如下的规定： 采样点：单精度数字量，占2 个字节； 周波：每通道每个周波采6 4 个点； 采样数据：在一次多通道自动扫描采集过程中，将采集到1 4 个通道，因为 根据硬件的设计规定包含2 组g i c 通道，1 2 组电流，电压通道。 如果为了提高精度，每一个采样点都要求储存的话，这样经过计算一个工频局 期内采集：2 x 6 4 1 4 - - - - 1 7 9 2 字节；而每一秒则共采集：1 7 9 2 5 0 = 8 9 6 0 0 字节；一 1 2 华北电力大学硕士学位论文 个小时则采集数据为：8 9 6 0 0 3 6 0 0 - - - - 3 2 2 5 6 0 0 0 0 ( 字节) 。经过计算可以看出这样 大的数值保存到监控装置中是不合适的，而且由于g i c 频率最高一般为0 1 h z ，所 以只要满足耐奎斯特定律，采样频率是信号频率的两倍以上即可。所以经过对比后， 每周波只采取一个数值，每5 个周波进行计算平均值后进行保存。这样通过计算： 一秒钟2 x 1 4 x 5 0 5 = 2 8 0 个字节；一个小时保存2 8 0 3 6 0 0 - - - - 1 0 0 8 0 0 0 个字节。 当然上面的计算只是考虑了采集到的1 4 路通道的计算，而在实际的采集装置 中，我们还要保存时间、编号、初步分析计算的1 9 次谐波等数据结果。所以当g i c 异常时，我们最终采取每半秒钟进行一次数据保存，即每一秒可以得到两组数据， 经过采集装置的试验测量得知，每小时将存储约5 3 m 的数据。由于磁暴一般将持 续很长时间( 一般2 3 小时) ，这样数据存储量也将是非常大的。按一次磁暴发 生2 5 个小时计算，一次存储1 3 2 5 m 数据。国外的s u n b u r s t 监测系统由于硬盘小， 所以采取了分级可变采样率方式以减少储存量，使得部分数据流失。而随着科技的 进步，我们的硬盘是3 0 g 储存量，除去装置w i n d o s 操作系统和其他基本的软件， 经过计算可以采集时间为2 5 1 0 2 4 5 3 = 4 8 3 0 小时，为2 0 1 天。而且地磁暴发生的 随机性、不可遇见性，所以监测装置的容量可以满足长时间的需要。 3 1 5 后台管理系统功能模块 根据上传到后台主站的采集数据及其关系，建立了地磁感应电流后台管理系统。 为了具体显示我国不同纬度、不同磁暴发生情况下g i c 的大小情况，并为以后进一 步分析g i c 的成因、影响等工作奠定基础，编辑了以下几种功能模块，其功能模块 构成如下图3 3 ： 功能模块中主要部分是数据的分析、显示模块。g i c 数据在上传到主站后是以 a c c e s s 数据库保存形式存在的，我们首先把它导入到s q ls e r v e r 数据库中，然后 通过d e l p h i 编程把每秒两个数据连接成连续的图形予以显示，得到生动形象的g i c 大小情况，再根据其他显示模块中的数据如：磁暴k 值大小，发生变化率等进行比 较分析。上述功能属于同一地点不同时刻进行的数据对比，而功能模块中还包含着 不同地点同一时刻g i c 的对比显示。该项功能可以把磁暴发生时刻，我国已经安装 监测装置的地区之间输电线路产生的g i c 进行对比。该项功能可以同输电线路的长 度、纬度位置一起，系统化、量化g i c 产生的起因和影响因素，为以后课题组分析 提供大量的数据理论。在得到数据后，后台软件在对比显示的同时对其做了一定的 分析工作。如在大量的数据中给出其指定时间段的有效值、平均值。当然后台管理 软件还要给出通讯功能模块和用户模块，其中通讯模块包含远程通讯和串口通讯， 以满足监测装置在与后台主站和当地变电站之间的登陆监控和数据传输工作。其中 的用户模块是对用户提供密码、权限的管理，方便多用户模式和保证数据库的安全 性、可靠性。 华北电力大学硕士学位论文 3 2 数据库的选择 图3 3 后台管理功能 3 2 1 数据库自身的特点 根据优秀数据库本身的特点并与实际工程相结合，是选择数据库的标准。作为 数据存储的仓库，信息的载体，数据库的应用具有十分重要的作用。为了更好的实 现数据储存、管理的功能，其本身包含了以下几种特点： 数据库是相互关联的数据的集合 数据库中的数据不是孤立的，数据与数据之间是相互关联的，在数据库中不仅 要能够表示数据本身，还要能够表示数据与数据之间的联系。 如： 采集装置编号一一装置安装地点一一当地电力系统情况等等； 用综合的方法组织数据 如：顺序、索引、聚簇c l u s t e r ； 具有较小的数据冗余，可供多个用户共享 具有较高的数据独立性 所谓数据独立性即包括物理独立性、数据独立性，指数据的组织和存储方法与 应用程序互不依赖，彼此独立的特性。可降低应用程序的开发代价和维护代价。在 1 4 华北电力大学硕士学位论文 数据库技术之前，数据文件的组织方式和应用程序是密切相关的。数据结构改变， 相应的应用程序也必须随之修改。 具有安全控制机制，能够保证数据的安全、可靠 数据库中要有一套稳定的安全机制，以便有效地防止数据库中的数据被非法使 用修改；为了保证其可靠性，数据库还要有一套备份恢复机制，以保证当数据遭 到破坏时将数据立刻完全恢复，可以继续、可靠地运行。 允许并发地使用数据库，能有效、及时地处理数据，并能保证数据的一致性 和完整性 所谓一致性，由于数据库中的数据是共享的，并且允许多个用户同时使用相同 的数据，这就要求数据库能够协议一致，保证各个用户之间对数据的操作不发生矛 盾和冲突。正确性、完整性：保证数据正确的特性、数据完整性，可通过建立一 些约束条件保证数据库中的数据是正确的。 3 2 2 不同数据库之间的比较 。 因为后台管理系统需要处理大量数据的存储、管理问题，所以选择一个恰当的 数据库类型十分重要。目前流行数据库种类很多，主要分为小型本地数据库和大型 远程数据库。其中大型主流数据库常用的有：m ss q ls e r v e r2 0 0 0 、o r a c l e 、s y b a s e 、 d b 2 等。 作为大型数据库，在比较时通常考虑以下几个方面：开放性；可伸缩性；安全 性；可操作性；使用性能等。经过比对，以上各个数据库各有优缺点【2 0 l ：如o r a c l e 安全性能最高，支持所有工业标准；d b 2 数据库最适合海量数据，多平台，多层次 设计；s y b a s e 的高性能、高可靠性，多用户、多设备等特点。而s q ls e r v e r2 0 0 0 ， 它具有开放性、伸缩性有限；多用户性能不佳等不足之处。 在实际应用中，选择m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库具有以下几个原因： s q ls e r v e r 是w i n d o w sn t 2 0 0 0 等w i n d o w s 系统最适合的、结合最紧密数 据库系统； 操作简单，易于使用和学习； 对编辑语言的兼容性良好，可以方便与我们选择的界面开发工具d e l p h i 接 口，进行数据存取、调用； s q ls e r v e r 是单一处理、多线程数据库，与多重处理、单一线程数据库( 如 o r a c l e ) 相比，它耗用较少的硬件资源；也不像多处理数据库每个用户所打开的处 理上都需要一协调机构，而是由执行和行来分配多个用户对数据库的存取，减少多 个处理对数据库存取的沟通、协调时间，从而提高执行效率； 只有一个服务器进程，所有的客户都连接到这个进程上；进程又细分为多个 并发的线索，共享数据缓冲区和c p u 时间：在核心层实现了数据完整性控制，支持 华北电力大学硕士学位论文 分布式查询与更新；事务处理量大，响应速度快。 3 2 3s o ls e r v e r2 0 0 0 具体介绍 s q ls e r v e r2 0 0 0 是一个关系数据库管理系统，目前已经成为大规模联机事务 处理( o l t p ) 、数据仓库和电子商务应用程序的优秀数据库平台。m i c r o s o f t 将o l a p 功能集成到m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 中，提供可扩充的基于c o m 的o l a p 接口。 它通过一系列服务程序支持数据仓库应用。数据传输服务d t s ( d a t at r a n s f o r m a t i o n s e r v i c e s ) 提供数据输入输出和自动调度功能，在数据传输过程中可以完成数据 的验证和转换等操作，s o ls e r v e ro l a ps e r v i c e s 支持在线分析处理；p i v o t t a b l e s e r v i c e s 提供客户端o l a p 数据访问功能。 s o ls e r v e r2 0 0 0 给出了6 个系统数据库，具体如下： m a s t e r 数据库是s q ls e r v e r 系统最重要的数据库，它记录了s q ls e r v e r 系统的所有系统信息。这些系统信息包括所有的登录信息、系统设置信息、s q l s e r v e r 的初始化信息和其它系统数据库及用户数据库的相关信息。 m o d e l 数据库是所有用户数据库和t e m pd b 数据库的模板数据库，它含有 m a s t e r 数据库所有系统表的子集，这些系统数据库是每个用户定义数据库需要的。 m s d b 数据库是代理服务数据库，为其警报、任务调度和记录操作员的操作 提供存储空间。 t e m p d b 是一个i 临时数据库，它为所有的临时表、临时存储过程及其它临时 操作提供存储空间。 p u b s 和 n o r t h w i n d 数据库是两个实例数据库，它们可以作为s o ls e r v e r 的学习工具。 s q ls e r v e r2 0 0 0 关系数据库是一个流行的、具有高度可伸缩性和高度可靠性 的数据存储引擎【2 1 1 。该数据库引擎将数据存储在表中。每个表上的列表示由表建模 的对象的属性，而表上的行则代表由表建模的这种对象的事例。应用程序可以将结 构化查询语言( s q l ) 的语句提交给数据库引擎，后者将表格格式的结果集返回给 应用程序。s q ls e r v e r 支持的特定s q l 语言称为t r a n s a c t - s q l 应用程序还可 以提交s q l 语句查询，并请求数据库引擎以x m l 文档形式返回结果。 s q ls e r v e r2 0 0 0 关系数据库引擎具有高度的可伸缩性，可以支持多组数据库 服务器相互协作，构成可供上千用户同时访问的t b 大小的数据库。该引擎能够处 理世界上任何w e b 站点的流量。该数据库引擎还能自我调节，自动在连接到数据 库的用户增多时获取资源，并在用户注销后释放资源。 s q ls e r v e r2 0 0 0 具有高可靠性，能够运行很长时间而不会发生故障。在数据 库引擎的早期版本中要求停止和启动的管理操作现在可以在引擎运行当中执行，从 而增加了可用性。数据库引擎与w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sn t 故障转移群集的集 1 6 华北电力大学硕士学位论文 成使您得以定义虚拟服务器，即使节点中的一台物理服务器出现故障，这些虚拟服 务器仍然保持运行在适当的地方，日志传送可以用于维护热备用服务器。在故障 发生的数分钟内，热备用服务器可以代替生产服务器运行。 s q ls e r v e r2 0 0 0 还具有高安全性。登录身份验证可以与w i n d o w s 身份验证集 成在一起，这样，密码将不会存储在s o ls e r v e r 中，也不会通过网络发送而被网 络嗅探器读取。网站可以设置c 2 级审核，对所有访问数据库的用户进行审核，还 可以使用安全套接字层( s s l 加密的办法，对所有在应用程序和数据库间传送的 数据进行加密。 3 3 数据库连接模式的选择 a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 是m i c r o s o f t 提供对各种数据库进行访问的高层 接口，是d a o r d o 的后继产物，是m i c r o s o f t 最新的数据访问组件( m d a c ) 的一部 分，m d a c 包括a d o 、o d b c 和o l ed b ，其中a d o 已经成为访问数据库的最新标准【2 2 1 。 a d o 是基于o l ed b 之上的面向对象的数据访问模型，o l ed b 是m i c r o s o f t 开发 的一种高性能的，基于c o m 的数据访问技术，其作用是向应用程序提供一个统一的 数据访问方法，而不需要考虑数据源的具体格式和存储方式。a d o 组件包含了所有 的可以被o l ed b 标准接口描述的数据类型，通过a d o 的方法和属性可以给应用程 序提供统一的数据访问方法和接口。同时a d o 对象模型还具有可扩展性，当把数据 库上层应用程序移植到不同的数据库平台时，只需要更换连接数据库的驱动程序， 而不需要对程序有所更改。 由于o l ed b 可直接应用于m i c r o s o f ta c c e s s 、m i c r o s o fs o l 以及o r a c l e 数 据库，所以a d o 访问接口也可直接应用。 a d o 主要支持用于建立基于客户与服务器( c s ) 和w e b 的应用功能，特点是易 于使用、高速度、低内存支出和占有磁盘空间小，同时它具有远程数据服务( r d s ) 功能。a d o 对象库主要包含c o n n e c t i o n 、r e c o r d s e t 、c o m m a n d 、f i e l d 、p r o p e r t y 、 p a r a m e t e r 和e e r r o r 七个对象。它们具体为：c o n n e c t i o n 表示打开与数据源的连 接；r e c o r d s e t 表示来自基本表或者命令执行结果的记录的集合；c o m m a n d 表示通 过已经定义的命令来操作数据源；f i e l d 表示通过名称、数据类型和值来体现数据 的全面真实属性。p r o p e r t y 表示a d o 对象的动态特征，描述或控制对象的行为； p a r a m e t e r 用于管理与基于参数化查询或存储过程的c o m m a n d 对象相关的参数或自 变量；e e r r o r 包含了a d o 数据访问错误的详细信息和驱动程序出错的扩展信息。 而且由于本后台软件采用d e l p h l 7 作为程序语言，该语言对a d o 的对象封装在 相应的组件中以实现对其的支持，所以实际编程中只需调用，而不必详细了解a d o 对象。d e l p h i 7 提供了以下几个a d o 组件，这些组件可分为两类：链接型 1 7 华北电力大学硕士学位论文 a d o c o n n e c t i o n 和访问型a d o c o m m a n d ，a d o d a t a s e t ，a d o t a b l e ，a d o q u e r y ， a d o s t o r e d p r o c 。在程序中，直接通过a d o 组件，用户可以访问包括本地数据库和 远程数据库在内的几乎所有数据库，而且开发人员不需要将数据库驱动程序打包到 安装程序中，几乎所有的系统都支持其连接，更加体现了方便快捷性。 d l e p h i 在存在a d o 接口的同时还拥有b d e 数据库引擎，b d e 是b o r l a n d 公司开 发的数据库引擎，其基本思想也是把应用程序和具体数据库隔开，提供统一的接口 供用户使用。不过由于a d o 数据访问接口是直接调用a p i ，所以其访问速度如 t a d o q u e r y 组件与t t a b l e 组件之间对比明显。经过比较，在电网g i c 后台