（电气工程专业论文）基于pqdif的改进型电能质量数据交换模型及其实现.pdf

四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 杂，为了实现数据的开放和共享，建立数据共享模型是电能质量研究领域必 然要求解决的重要课题。 为此，m e e 提出了统一的电能质量数据格式一一p q d 珂标准，该格式具 有良好的结构和数据压缩性，但由于其采用二进制，底层软件读取和解析较 困难，通道定义和序列值分离，采用参数索引方式较复杂，数据查询和修改 文件不方便，在国内外一些文献中将电能质量记录数据分为时域、频域以及 事件特征量等类型，分类简单，采用分类处理方式，但和现有m e e 推荐的电 能质量数据模型p q d i f ，在分类结构上差异较大，数据存储占用空间大，没 有统一的数据模型，不利于推广应用。 本文在现有i e e ep q d i f 数据模型的基础上，提出了一种用) ( m l 实现的电能 质量数据格式模型，并对该模型的数据交换模式的实现方式进行了研究，提 出跨平台实现方式；采用b a s e 6 4 b i n a r y 二进制储存格式，较i e e e 提出的二进 制方式，有效地减少数据占用空间；在p qx m l 模型中以子对象方式嵌套数据 类型，使通道定义和数据序列的逻辑结构关系紧密；最后基于模式转换的映 射数据交换方法成功地实现了异构电能质量数据的交换。在作者所在企业的 电能质量信息管理系统中的实际应用，证明了本文提出的数据模型及实现方 式具有良好的鲁棒性和可行性，能较好地实现电能质量数据的跨平台交换与 共享。 关键词：电能质量p q d i f 格式x m l 模式转换数据共享跨平台实现 i i 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) a d v a n c e dp q d i fp o w e rq u a l i t yd a t a e x c h a n g e m o d e la n di t si m p l e m e n t a t i o n m a j o r ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g。 g r a d u a t e ：z h a n gt a o a d v i s o r ：x i a ox i a n y o n g a b s t r a c t ：p o w e rq u a l i t y ( p q ) h a sb e e na l li m p o r t a n ti s s u et ot h ee l e c t r i c p o w e ru t i l i t i e sf o rt h ec h a n g e so fl o a d sc o m p o s i t i o ni nm o d e mp o w e rs y s t e m sa n d 谢t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e t t h em a i np r o b l e m si np o w e rq u “t ya r e m o n i t o r i n g , c o n t r o la n de v a l u a t i o n , a n dp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g , w h i c hh a sb e e n a s i g n i f i c a n tp a r ti np o w e rq u a l i t ys t u d y , i st h ef o u n d a t i o nf o ro t h e r r e s e a r c ha n d w o r k i n , r e c e n ty e a r s ，p qm o n i t o r i n gs y s t e ma n dp qi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mh 丞v ca t t r a c t e dm o r ca n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n si n s i d ea n do u t s i d e p q a n a l y s i s ，d e t e c t i o n m o n i t o r i n g o c l a s s i f i c a t i o n ，i d e n t i c a t i o n , a n a l y s i ss o f t w a r e so fh i g h l e v e la n ds oo nh a v eg o t t e np r o g r e s si nd i f f e r e n te x t e n t o nt h eb a s eo ft h a t , i ti s g o i n g i nt h ed i r e c t i o no fp qi n f o r m a t i o nn e tb a s e do nw e b o n l i n ep qm o n i t o r i n gi no u rc o u n t r yu s u a l l ys e td a t ac e n t e r si ns m a l la r e a b a s e do no n l yo n ek i n do fm o n i t o r i n ge q u i p m e n t t h c i rc o m m u n i c a t i o nw a y sb a s e o nm o d e mo re t h e m e ta n ds oo n t h e s ew a y sh a v e , s o m eo b v i o u sp r o b l e m s ： f i r s t l y , d a t ac a n tb ee x c h a n g e db e t w e e nd i f f e r e n tm o n i t o r i n ge q u i p m e n t s d a t a c a n tb es h a r e d s e c o n d l y , p qi n d e x e sa r ed i f f e r e n tf r o me a c h0 t l l e ri nd i f f e r e n t s i t e s i n d e x e sa r ci n c r e a s i n ga l lt h et i m e m e a n w h i l e ，d a t ac e n t e r sa r e n ts os m a r t a n da r eh a r dt om a i n t a i n t h i r d l y , r e c e n t l yd a t aa n a l y s i sa r es t i l lr e s t0 1 3c o l l e c t i o n a n ds t a t t h e r ei s n ta n ye s q u a l i t yo fd a t ai no p e na n ds h a r i n ga s p e c t sa m o n gm o n i t o r i n ge q u i p m e n t s ； a n a l y s i ss o f l w a r e s ，i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m sa n dw e bs e w e r sh a v e i l l 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) a l r e a d yb e c o m ei m p o r t a n ti s s u et ob ed e a lw i t h p qd a t ao w nl o t so ft y p e sa n d c o m p l e xs t r u c t u r e i no r d e rt oc a r r yo u td a t as h a r i n g , i ti sn e c e s s a r yt oc o n s t i t u t ea d a t as h a r i n gm o d e l s o 也e ei n t r o d u c e dau n i f o r mp qd a t af o r m a t p q d i f i th a s b e t t e rq u a l i t yo fs t r u c t u r ea n dc o m p r e s s i o n b u ti ti sb i n a r ys oi ti s n ts oe a s yf o r s o f t w a r e si nb o t t o mt or e a da n dp a r s e c h a n n e ld e f i n i t i o na r es e p a r a t e dw i t hd a t a s e r i e s ，s oi ti sf a c e dw i t hc o m p l e x i t yt oo r i e n t a t ei ni n d e x e sa n ds e a r c ho rm o d i f y f i l e s i ns o m eh t e m t m c s , r e c o r d i n gd a t aa r cc l a s s i f i e di n t os o m et y p e si n t i m e - d o m a i n , f r e q u e n c y - d o m a i na n da c c i d e n tc h a r a c t e r i s t i c c l a s s i f i c a t i o ni se a s y h o w e v e r ，i tj s8 0d i f f e r e n tw i t hs t r u c t u r eo fp q d i f , o c c u p i e ss om a n ys p a c e sa n d i sh a r dt oe x t e n dt oa p p l i c a t i o n s a no p t i m m n gp qd a t am o d e lb a s e do nx m la n di t sc r o s s - p l a t f o r m i m p l e m e n t a t i o na l ei n t r o d u c e d ；u s i n gb a s e 6 4 b i a n a r ys t o r a g ef o r m a t ，s p a c e o c c u p i e db yd a t a 锄b ed e c r e a s e de f f e c t i v e l y ；d a t at y p e sa 尬n e s t e da ss u b o b j e c t s i i i p qx m lm o d e ls ot h a tc o n n e c t i o n o fl o g i cs t r u c t u r eb e t w e e nc h a n n e l d e f i n i t i o na n dd a t as e r i e sb o c o m e sm o r ec l o s e d ；o nt h eb a s eo fm a p p i n gd a t a e x c h a n g i n gm e t h o du s i n gs c h e m ac o n v e r s i o n ，h e t e r o g e n e o u sp q d a t ae x c h a n g e i ss u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e d a c t u a la p p l i c a t i o n ss h o wt h a td a t am o d e la n d i m p l e m e n t a t i o ni n t r o d u c e db yt h i sp a p e ro w n w e l lr o b u s ta n df e a s i b i l i t y , 啪w e l l c a r r yo u tc r o s s p l a t f o r mp qd a t ae x c h a n g ea n ds h a r i i 唱 ， k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , p q d i ff o r m a t , x m l , s c h e m ac o n v e r s i o n , d a t as h a r i n g , c r o s s - p l a f f o r mi m p l e m e n t a t i o n 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得四川大学或其他 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谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 研究生： 第8 2 页 指导教师： 2 0 0 6 年1 0 月 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章绪论 1 1 研究背景 近2 0 年来，电力电子技术、控制技术、信息技术、通信技术、微电子技 术等的蓬勃发展和广泛应用，- 给工业自动化和检测技术带来了很大的变革 【1 嘲。但是，电力电子技术同时也给电力系统和电力用户带来许多不稳定因素。 由于在供电系统中增加了大量的非线性负载，例如f a c t s 技术应用的静止变 流器，从低压小容量的家用电器到高压大容量的工业交直流变换装置，由于 静止变流器是以开关方式工作，因此，会引起电网电流波形突变，同时使电 压波形发生畸变，引起电网的谐波污染等。另外，冲击性、波动性的负荷f 例 如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等负荷) 在运行的过程中不仅会产生大量的 高次谐波，造成电网的电压和频率不稳定，同时谐波污染、三相不平衡度、 波动和闪变也越来越严重。电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 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旧。为此，国家技术监督局相继发布 了涉及电能质量六个方面的国家标准川： 电能质量公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ； 电能质量电压波动和闪变g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ； 电能质量三相电压允许不平衡度g b t 1 5 5 4 3 - - 1 9 9 5 ： 电能质量供电电压允许偏差g b f i 1 2 3 2 5 1 9 9 0 ： 电能质量电力系统频率允许偏差g b t 1 5 9 4 5 - - 1 9 9 5 ； 赵蜜袒 n 赵嗡番隧 苦o 寸n 立 = 氍餐 _疆 锑o _lo_ 2 n 2罱 n 1麟罱nn 鲻 鲻 憾 磐臀 童 j 虹 鲻鲻 掘j i l | j 羞皿丑皿 睁堪咖 ，是燃锨 邕 蹈 憨 长基蜒氓嫩匿 脚 崮 涩 幽幽 御 妇曜 幽g 御脚 幽锄脚 1 l 卜 脚删翼爨 赵 i 御匿磐鲻 蟑船震习蛊避拦脚i_山鬃 ooonv认错堪扑_千匿罂h扑k臣 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 4 控制指标查看和分析方法 2 4 1 查看方式 第一种：列表监测：一以列表的方式管理发射形监测点，可以看到某个监 测点的各电能质量指标。 图2 2 发射式监测结构图 2 4 2 分析方法 ， 对不同的电能质量指标，不同的需要采用不同的分析方法1 2 6 - 3 0 1 。 定点分析：某一个监测点的各类指标分析，了解该监测点质量水平，该 监测点可能存在那些影响质量的符合，对周围哪些设备运彳亍会有影响。 区域分析：某一个区域的总体质量水平分析，为定制电网的电能质量各 指标的规划水平、兼容水平、发射水平提供参考意见。 级类分析：按照电压等级，分析电能质量水平，为改善电网污染提供证 据。 趋势分析：电能质量发展趋势分析，预测电能质量危害，及早采取防范 措施。 概率分析：质量事件的概率分析。 2 4 3 对数据样本时间戳的要求 在分析个监测点的质量相互影响时，要求具有同时性，因此从各监测点 第1 3 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 来的数据样本时间戳应该小于5 0 0 m s 。 2 5 专家系统 人工智能的两个分支一专家系统( e s ) 和人工神经网络( a n n ) ，有别 于传统计算机程序，在“智能”上具有一定的优越性，在很多领域都有研究、 探讨和实践，目前在电力系统的变压器故障诊断、负荷预测、故障测距等领 域研究较为活跃，对于如何评价一个电网的电能质量，以及怎样及时发现电 能质量的薄弱环节，进而提出解决问题的策略，希望利用擅长逻辑思维的e s 和擅长经验思维的a n n ，结合广大用户的参与机制，实现一定范围的创造性 思维，逐步建立“智能系统”，从而实现电能质量评估和预测的智能化 本系统所说的“专家系统”是一种智能系统，融合的人工智能的两个分支 e s 和a n n ，如文献【1 2 】所述，专家系统的结构示意图如图2 3 ， 由于e s 和a n n 分析方法的差异，构造e s - a n n 融合系统，实现专家系 统在高层次上的推理能力和神经网络在低层次上的信息处理能力相互补充， 以e s 为专家系统的主要骨架，对电能质量的各个指标以及系统的状况环境 等进行描述，通过推理机制进行多重分析任务的过程调度；神经网络a n n 构成专家系统中的功能模块，实现部分数据加工功能，并通过学习模块获取 知识，成为知识来源的一部分 第1 4 页 眩n 【坛 匣睡峪霉旱荨螺j笙聪咿-z匝 oonv仪刁鲁g扑_千馨醛h扑k三臣 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 5 a 专家系统设计的基本要求 采用面向对象的设计方法，使系统高度模块化，结构化，具有合理的输 入，输出接口。 可移植性好，能运行于各种主流系统平台 根据响应的情况通过神经网络模型或动态数据库、知识库中提取数据， 也可以通过用户参与机制在推理前或推理中接受用户输入的数据，符合 专家系统的一些基本要求，不能出现推理死循环等现象。 知识库中应有扩充和自我更新能力。 友好的用户界面，人机交互能力强 知识源的获取可以通过人类专家的经验获得，可以通过国标、规程得 到规则库，也可以通过神经网络的学习获得。 2 5 2 专家系统的功能 针对单一性质的负荷，如直流输电中的整流负荷、冶炼厂的波动负荷等， 目前有比较多的测试和治理手段，通过滤波器或者静止动态无功补偿器( 简 称s v c ) ，提高局部电网的电能质量，保护设备的安全运行对于非线性负 荷对电网的影响范围、影响程度、或者远方重合闸、空冲主变操作对设备的 影响等目前还在研究之中，也就是说，对局部观察点目前有较多的的专家经 验知识的积累，对全局展望而言，电能质量的评估尚在研究之中，因此，考 虑专家系统分三步实施： 第一步：基本功能。建立电能质量数据监控中心，对指标进行归类、汇 总、统计分析，输出基本统计报表。 第二步：建立知识库，采用假设和结论( i f ，t h e n ) 的形式将从人类 专家处获得的知识转化为适合于计算机表达的形式，储存在系统知识库中。 同时，不断从人类专家处获得反馈信息，及时对知识转化和表达中出现的错 误进行修改比如，假如电网发生次同步谐振将对发电机轴系统产生影响， 假如电网有大量的负序电流，那么有可能是电网发生故障，也有可能是负序 性谐波( 如5 次谐波) 引起，等等，利用知识库输出电网质量的初步评估效 果。 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第三步：通过建立合适的神经网络模型，以及一些相应的学习样本集， 不断的自我学习，充实知识库。在知识库有了一定的积累以后，通过专家系 统进行对象的全局分析，从系统的角度识别电能质量的总体状况，充分利用 专家系统的总体协调、启发式推理能力，结合神经网络的数据处理和识别能 力，并在用户的积极参与下实现知识和样本的创造，对电能质量可能造成的 危害，负荷对电网电能质量的影响范围和影响程度，提出相应的策略，进而 实现从电能质量发生危害而采取应急措施的被动模式，到预期电能质量危害 而采取的主动模式的转交。 2 6 电能质量的指标运行合格率 电力工业部颁发的电网电能质量技术监督管理规定中详细规定了电 能质量的指标运行合格率的计算办法和指标运行合格率标准定义。电能质量 指标检测有连续检测、不定时检测和专项检测三种方式 2 6 1 指标运行合格率的计算办法 各项供电电能质量指标实际运行偏差( 百分数) 测量及计算按照参考文 献【3 1 - 3 2 】牛所列相应的国家标准进行。各项电能质量指标运行合格率按照下 列公式舌哆 ( 适用于电压波动和闪变、三像电压不平衡度或者谐波运行合格 率的测试和计算) ： 。 统计( 测试) 期( 年、季、月) 内，供电电压合格率k x 为： g 。( 1 一yt t t o ) 1 0 0 ( 2 - 1 ) 、o 式中l 测试期内第i 次不合格的时间，h ； r o 测试期全部时间，h 通常电压合格率采用统计记录型仪表测量。 测试近期电压专项指标运行合格率k x 为： g 一( 1 一研t o o ) x 1 0 0 ( 2 - 2 ) 式中m o 一测试期内该电压专项指标实测值不合格的次数 ， m 测试期内总测试量次数 2 6 2 各项电能质量指标运行合格率标准 各项电能质量运行偏差( 百分数) 应当在参考文献【1 6 】中所列的相应的国 第1 7 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 家标准允许偏差以内。考虑到电网结构、运行方式以及用户用电特性等因素， 各项电能质量指标运行合格率标准为： 连续运行统计期( 年，季，月) 内电网频率合格率不应低于9 9 5 。 连续运行统计期( 年，季，月) 内电压频率合格率不应低于下列值： 专线和l o k v 及以上的用户受电端的电压合格率应不低于：9 8 3 8 0 ( 2 2 0 ) v 用户受电端电压合格率应不低于； 9 5 电压波动和闪变合格率应不低于：9 9 三相电压不平衡度合格率应不低于：9 8 电压正弦波畸变合格率应不低于： 9 8 2 7 监测点分布规划 ， 监测点的选择分布也将遵循如文献【3 3 】中所描述的发展趋势 试点：选择一些典型的变电所布置监测点，积累运行经验( 主要考虑 监测点的计算机网络条件，电网环境污染的程度等等) 近期：为电网、机组、设备的安全运行提供更多的资讯，从这个观点出 发，选择一些枢纽变电所进行监测同时，可以为状态检修系统提供一 些运行参数，有助于其对设备运行问题的分析研究。相应的，电网中的 正常操作对设备的影响可以做一些相关性分析 远期：各供电点布置监铡，为电力管理系统及特殊用户的供电管理提供 依据 2 8 监测点仪器要求 2 8 a 在线监测仪器的基本要求 对在线监测仪器的基本要求如表2 2 。 第1 8 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 表2 - 2 监测仪器的基本要求 、产品 信息描述低端产品要求高端产品要求 实现淤精度具备 精度具备 总有功功率，无功功率，功率因素 基本测量电网频率，电压，电流有效值 谐波次数 监三相基波电压、电流 三相各次谐波电压畸变率、谐波电 精度均精度 测 不得超均不 流含有率 三相电压，电流总谐波畸变率 过相应得超 指的国标过相 电压不平衡度、负序电压，负序电 流 。 规定应的 标国标 兰相电压波动和闪变 f规定 ， 暂态过电压和瞬态过电压 荸 问谐波 j 瞬变波形捕捉 尚无国 波涌，骤升，骤降 标 收发控制功向各监测点发送指令提取或者设置 能监测参数：监测网点、监测指标、 系统参数、定时召唤 向中心站发送具有统一格式的相关 数据 实时显示并储存现场数据 对时功能可与网络计算机对时或者g p s 对时 通讯方式以太网 m o d e m 或者其他可与主机通讯的 方式 数据储存格式基于x m l 的统一数据格式 第1 9 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 8 2 非在线监测仪器的基本要求 在监测指标及精度方面，非在线监测仪器和在线监测仪器的要求是样 的，在数据储存格式上的要求如下： 对已有的非在线检测仪器如有条件则应将软件升级，使其能转存为 a c c e s s 模式或者直接转存为0 r a ae 数据库。 对将来的非在线监测仪器，均要求具备将数据转存为统一格式的功能 第2 0 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第三章电能质量管理系统的总体结构 3 1 硬件架构 3 1 1 系统结构 r 根据目前较为合理且流行的三层体系结构模型，我们构架了电能质量管 理系统，特点如下： 纯瘦客户程序，避免客户端程序安装和维护； w e b 服务使i n t e m e t 和i n t r a n e t 用户接入方便、灵活( 权限受控制) ； 监测仪器接入方式不受限制； 统一的、受约束的数据上传格式； 。 为流动检测点设置统一的手工数据输入界面，体现了数据集中管理的概 念： 图3 - 1 电能质量管理系统组成示意图 同步采样装置：要求将不同地点电网电压、电流瞬时波形记录下来，并且在 采样数据中加上时间标签，以便于服务器端进行电能质量的相关分析。客户 第2 l 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 端：软件主要包括浏览器、文件上载工具、文件压缩工具，采用客户端编程， 将带有时间标签的采样数据进行压缩后上载到远程服务器端，同时可以下载 服务器端的计算结果。服务器端：提供w w w 方式的页面浏览服务，可进行 用户信息查询和反馈信息给用户服务器通过数据库管理各用户电网的设计 数据和运行数据，并且安装有计算软件包，可进行谐波无功治理计算、电气 化铁道分析、电弧炉负载的分析等该系统采用典型的客户服务器模式，以 尽量降低客户端的配置要求。根据客户提供的系统接线图，生成系统计算模 型，再利用客户端提交的采样数据，对系统电能质量进行分析和处理，并 提出治理方案，最后将分析结果及治理方案返回给客户端。 电能质量监测仪 厂站端在线电能质量监测仪是电能质量监测管理系统的终端装置，设置 在发电厂和变电站。监测仪由数据采集器和微处理器构成高精度数据采集 器用于对母线电压和出线电流的同步采集；微处理器用于对采集数据进行计 算、存储、统计分析和管理，并可通过网络将数据远传至电能质量监测管理 中心。监测仪按照最新国标的要求，统计和计算电能质量的5 个指标：供电电 压偏差、供电电压波动和闪变、谐波分析、三相电压不平衡度、频率偏差 监测仪配有液晶显示器，能通过菜单就地显示各种采集数据和各项电能质量 指标安装在低压配电网和大用户的电能质量监测仪，可以根据具体情况， 适当减少电能质量考核指标的数量，如只要电压合格率，根据用户谐波情况 确定的谐波测量，也可根据用户对电能质量的具体要求，制造相应的专用监 测仪，以降低成本 电能质量监测管理中心服务器 它由一套完整的计算机系统和支持软件组成，其主要功能如下； 1 1 监测仪管理功能 通过网络，一对其所辖厂站终端实行监控和管理； 监视和测量功能 对终端上传的数据进行分析处理，可监测任一终端和主要用户的各项电 能质量信息，并存储、显示这些信息 3 1 统计、分析和处理功能 对所管辖电网各监测点的电能质量信息进行记录和统计，并作进一步的 第2 2 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 分析、处理，为电网运行建设和事故分析提供正确的历史数据和基础数据， 可自动生成监测报告，包括各种测量结果、相应时间、超标时段等必要信息， 并以波形、频谱、趋势图及报表等形式输出。 网络结构 目前通信技术发展很快，这为电能质量监测网的组成提供了良好的网络 通信基础。可通过电话线或光纤通道，建立基于t c p i p 的网络连接。 3 1 2 硬件架构一数据采集系统 为了节省i p 地址资源，如某一监测点的多个监测仪器组成局域网( 或挂 接在局域网上) ，则在监测点局域网需要安装代理服务器，通过代理服务器将 数据上传到f t p 服务器；对于流动的监测仪，其数据通过手工录入，直接上 传到f r p 服务器；对于个别监测仪，如不存在地址资源问题、数据存储问题， 也可直接将数据上传至f i t 服务器。 数据采集系统的硬件构架见图3 - 2 ， 代h s) s7回 在线监测仪在线监测仪 图3 - 2 数据采集系统硬件构成 3 1 3 硬件架构一一数据管理、分析系统 数据管理、分析系统是整个管理系统的核心，其硬件平台如图3 3 ，主要 第2 3 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 。曼熄匈 在线一鼍一w e s 嬲- m 围3 - 3 效据管理分析系统硬件构架 3 1 4 电能质量管理系统用例模型 基于电能质量管理系统的硬件构架，用可视化建模方式表示系统的总体 组成及各系统的协作关系见图3 4 电能质量管理系统用例模型，系统用户可 分为系统管理员、电力系统领导及一般用户、谐波监测管理人员、社会用户 等角色，根据其所处的角色设定相应的权限，根据权限，不同的角色可使用 不同的功能。 第2 4 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 舟析一 岫b ， 图3 - 4 电能质量管理系统用例模型 3 2 。软件体系结构 一 龋 近十年来，基于i n t e m e t 的应用正以前所未有的高速度向前发展，其中一 个重要的方向就是基于w e b 的应用系统的开发0 4 - 3 6 1 。 随着w e b 应用范围的扩大，人们需要w e b 服务器端提供更为复杂、更 为灵活的应用开发支持。一种新的、更具生命力的体系结构正是在这种情况 下应运而生的，这就是所谓的“三层多层”体系结构。下面是一个典型的三层 体系结构模型： 第2 5 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 图3 1 - 5 三层体系结构模型 底层为数据库服务器，可具体采用各种数据库，例如s q l s e r v e r 数据库， 由于其支持数据复制，因此能实现与其它电力报表系统通用的目标中问层 为应用服务器，实现包办系统的应用逻辑规则，其中使用m i c r o s o f ti n t e m e t 信 息服务i i s ( i n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) 借助可扩展标记语言x m l 技术支持， 可以方便公司向上级主管部门定制好的电子化报表，同时直观的向电力用户 展示电能指标，也便于用户查询检索体现了电力企业市场化进程中增加透 明度，倡导优质优价的思想。上层简化为一个姬浏览器，方便各级用户查询 使用。本系统中间层( 应用服务器) 和底层( 数据库服务器) 可以公用一台 硬件服务器。 下面对各层功能分别阐述。 数据库层：只完成数据本身的功能，即数据存储、索引、检索等。 服务层：实现系统的应用逻辑功能。将上层( 浏览器) 发来的x m l 文 档解析为数据库数据，实现对底层( 数据库) 的操作；另一方面将扶数据库 提取的结果数据合成x m l 文档，发给上层( 浏览器) 。 客户层：实现图形和报表的显示及提交。目前较高版本的浏览器支持 x m l ( 比如i n t e r n e te x p l o r e6 0 及n e t s c a p e5 0 以上) ，所以浏览器可方便地 显示及提示用x m l 文档表示的报表数据。由于x m l 文档的结构性( 可用 d t d 或s c h e m a 定义文档) 格式，实际中每个报表对应上级单位定义好的一 第2 6 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 个d t d 或s c h e m a 文档。若想使用户界面进一步改善，可提供用户一个简单 的x m l 编辑器，实现时：1 ) 使用现成的，目前有不少商用的或免费提供的 x m l 编辑器；自己开发，可使用m i c r o s o f t 提供的) a 亿支持类m s x m l 用v b 、v c 斗+ 、+ + 等实现，编程任务量不大。 传统电能质量监测系统如“两层咖模式的软件体系”方案存在不易于 扩充，费用较高等缺陷。采用本文介绍的方案基本上可解决以上方案的不足。 具备诸多优点如：结构灵活，扩充方便；维护、联网费用低廉等。 第2 7 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第四章电能质量管理系统的数据处理技术 4 1 p q m 的数据管理 电能质量管理系统( p 删) 的数据管理、分析是整个电能质量管理系统的 核心，简单的监测网可在上、下位机之间通过m o d e m 建立点对点的联接。每 台上位机备有应用软件，根据自己需要建立相应的数据系统。各上位机是相 互独立的。上、下位机之间联系是内部公开的，大型监测网可采用以太网方 式完成数据交换，下位机测量数据上传服务器( 上位机) 进行数据处理。 用户层从服务器取得的数据不管采用哪种方式都涉及到庞大的上传数据 的管理，能够以最简单的方法得到想要的数据资料，包括长时期的各种历史 数据资料，是管理软件的任务口订 本系统采用主从文件的数据管理方式，通过目录检索数据库，核心数 据查询完成数据管理，具有灵活简捷的特点。 检索数据库。下位机以小时为单位上传每分钟记录的标准二进制文件放 入上位机的指定数据区，上位机在处理标准二进制文件时产生相关的从属文 件。标准二进制文件每小时字长约1 9 k b ( 通信传送压缩至1 3 ) ，含每分钟记 录的所有电能质量指标。日从属文件是每日各电能质量指标的统计结果( 最 大值，平均值) ，包括相应的基波运行参数，字长约3 k b 。 同理可建立月从属文件，年从属文件以日从属文件中的核心数据建立 目录检索数据库，并以特征地址与各个数据文件链接。通过目录检索数据库 的核心数据查询得到想要的数据，如同图书馆按目录查找书籍一样。主从文 件的管理方式如图所示。 标准数据文件从囊敷据文件 散据霞li 目录数据库 目录捡索 接日期、位置、参数、援褒分类数据 图4 - 1 主从文件管理方式 核心数据查询。成为核心数据的是日统计值，谐波只取电压总畸变率。检 第2 8 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 索方式为各项电能指标，如电压总畸变率、电压偏差、闪变、负序等作为数 据文件的参数索引。选中某测试点一项电能指标后，第一层检索通过参数索 引调用所有相关日从属文件中的该项指标值组成日统计值队列( 用趋势图表 示) 。根据想要的数据种类( 日详细资料、监测点日报表、全网日报表) 并 选择相应日期作为笫二层数据文件的参数索引，对应资料即以图形、表格形 式出现。以报表为例，其检索方式如图所示。 回圆回囹 = d 妻矍竺! ! 三一 f 革顼指标日统计笸双列l = = = 之壅鍪壅翌二；：一 圃圆圈 圈4 - 2 主从文件二层检索方式 统计队列提供了该项电能质量指标强弱的直观认识，以此为基础查看测 量的详细数据资料目录，目的明确、选择性强。 4 2p q m 数据管理系统的构成 p q m 数据管理系统按结构可分成上位机和下位机两个部分 4 2 1 下位机系统 1 ) 数据采集部分，包括数据的采样和计算； 2 ) 数据处理，计算处理各种电能质量指标数据，包括频率、电压不平衡度、 电压波动与闪变、电压偏差、负序电流、谐波含有率等； 3 ) 数据通信传输部分，包括下位机内部数据通信传输( 主要是与d s p 通信) 和与上位机之间的通信传输( 主要是通过m o d e m 和以太网) 。 数据流程：从监测仪启动开始，就开始了对监测点数据的采样、分析、处 理，然后生成监测点一天的采集数据文件。下图给出了监测仪在1 小时内的 数据流程。 第2 9 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 图4 - 3 - - d , 时数据处理过程 数据预处理：由于在现场实测信号中，不仅包含由基波及各次谐波叠加而 成的合成信号，而且还包含噪声信号，噪声信号的存在会大大影响电能质量 的测量精度，这样在谐波分析，信号频率的确定等方面会有很大的误差 本文采用f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m , 快速傅立叶变换) 原理进行数据的 实时处理。在实际应用中要得到准确的f f r 运算结果，必须满足n y q u i s t 采 样定理的要求，防止频谱混叠的发生，且根据f f t 算法的要求，采样点应均匀 分布在一个信号周期内，即应当实现严格的同步采样，否则就会引起信号的 频谱泄漏，带来很大的测量误差，特别是对高频分量，计算出来的值就没有可 信往。因此，需要对采样值进行数字信号预处理，以减少误差。图4 - 4 给出了 整个数据预处理流程 第3 0 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 徽删来褒输入 二二 号老瞬处理 5 0h z 墩船教宁滤波 软悄：f d 俎i 圣h 求秘戤i 竹车 图4 - 4 采样信号预处理流程 如图4 - 4 所示，在整个过程中，采用了软件同步采样法。目前常用的同步 采样方法主要分为硬件同步和软件同步两大类。硬件同步方法是一种预防式 方法，主要采用锁相环电路来实现跟踪信号频率的交换，从而实时调整采样 速率，实现同步采样，但是其硬件结构比较复杂，在测量较大的畸变波形时 误差较大。软件同步方法是一种补偿式方法，主要采用准同步采样、加窗、 加窗一插值等技术，来补偿和减少误差。当采样数值经去噪处理后，通过一个 4 5h z 岛h z 的窄带滤波器，保证采样数值过零点的唯一性，然后通过软件 同步求得采样信号的周期值，以得到与工频信号同步的采样频率，进而控制 对原始数据的线性插值。最后，对插值所得数据进行f f t 变换得到谐波的幅 值和相位。 数据上传：监测装置将实时数据转换为通用数据格式存储于中间数据 源，通过定时器或召唤命令将中间数据源的数据上传到数据中心的f i t 服务 器中。 第”页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 圉4 - 5 数据上传模型 吴oqq 图4 - 6 数据上传序列图 4 2 2 上位机系统 结构上主要包含三个部分： 1 ) 通信传输部分，与下位机问的数据通信与传输； 2 1 接收电网各下位机的电能质量数据，进行分析统计，形成文件、报表 及曲线，显示数据和图形( 如频谱图、趋势图、蓝线图、散点图、向量图等) ； 3 1 数据文件管理系统，主要是系统管理监测点数据文件。 第3 2 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 从功能上可以也可以分为三个部分： 数据库设置：根据生产厂家m 和装置m ，建立装置与监测点一一对 应关系；根据装置提供的监测参数，动态设定该监测点的电能质量指标库监 测网点基本设置和维护；基本电能质量指标库的设置和维护。 j 数据库设置子系统的用例分析模型和数据库设置子系统序列图的最基本 出发点，就是使专业人士能自行设定相关数据库，可以跟踪电能质量指标和 监测点，灵活的增减监测量或监测点，并且可以自由形成各种组合的电能质 量统计报告。 图4 _ 7 数据库设置分析模型 第3 3 页 。卒良链接矗 f 撕崖) 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 圉4 - 8 数据库设置序列图 数据汇总子系统 数据汇总子系统定时从f 1 限服务器中取各监测点数据进行归类，存入相 应的历史数据库，以供分析。 图4 吨数据汇总模型 第3 4 页 扔史量营i f f 帽丹析# 噩) 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 图4 - 1 0 数据汇总序列圈 历史数据浏览子系统 历史数据浏览子系统通过历史数据浏览，查看历史数据库中电能质量指 标，各监测点数据汇总表等等。系统应提供用户个性化浏览的设置功能，以 加快数据浏览，查询的速度。 第3 5 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 奠量雉曩 固4 ”历史数据浏览 嚣盘量撮牟 妇舟耩囊盛) 图4 - 1 2 历史数据浏览序列图 4 3p q m 专家系统的数据管理 专家系统由数据分析、分析报告浏览等量各子系统组成，通过历史数据 的分析，专家系统可以形成一些结论性的报告。更有利于分析电网状况和缺 第3 6 页 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 陷原因。 数据分析子系统 数据分析子系统的功能是：将历史数据库中的数据进行各项指标分析， 可以对某一监测点的分析，可以对局域网点的分析，可以对同类性质的监测 点分析，也可以按不同的电压等级进行分析，总之，按不同的需求进行不同 性质的分析，有概率分析、趋势分析、统计分析、比较分析等等，最后形成 一定风格的电能质量指标分析报告存于历史数据库中，供各类有权限人员查 询。 定时嚣 历妻熬撂分拆肆翘麓鬟霉 ( f r i 砖 + 分析报告浏览子系统 围4 - 1 3 数据分析子系统模型 锈导 分忻鞭告珊萎鼻蕾狂告数据鲢震 ( f f _ 蒲包) 历史簸糖摩 ( f m 分析霞髻 围4 - 1 4 分析报告浏览子系统模型 传