（电力系统及其自动化专业论文）变压器绕组变形状态监测通讯研究.pdf

鲨塑王些查兰堡主丝塑 t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fs t a t em o n i t o r i n g o f t h et r a n s f o r m e rw i n d i n gd e f o e m a t i o n a b s t r a e t t r a n s f o r m e ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si np o w e rs y s t e m , i t sr u n n i n gs h f t t e h a sm e a n tal o tf o rp o w e rd i s t r i b u t i o nr e l i a b i l i t y a tp r e s e n t , t h es t a t em o n i t o r i n go i lt r a n s f o r m e r m a j o rb yt h em e a l l so fr e l a yp r o t e c t i o na n ds c h e d u l e dm a i n t e n a n c e t om a k et h et r a n s f o r m e r m a i n t e 咖c e b u tt h i sm o d ea f f e c t st h er e l i a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cn e t w o r k ，a n di to n l ys u p p l yt h e l a g g i n gi n f o r m a t i o no ff a i lt r a n s f o r m e r ，c a n n tm e e tt h e n e e do ft h es t a t em o n i t o r i n go n t r a n s f o r m e r w i t ht h ee 】( t e l l s i v e 锰s 鬣o fi n t e m e t , t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d n e t w o r k t e c h n i q u ed e v e l o pf a s t , t h es u p e r v i s o r yc o n t r o l l i n gt e c h n i q u eb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t m a n t w i t h t h er e q u i r e m e n to fs t a t em o n i t o r i n go nt r a n s f o r r a e r ，t h i ss u b j e c td e v e l o p sa s o f t w a r es y s t e mo f m o n i t o r i n gt h es t a t u so nt r a n s f o r m e r sw i n d i n g st h r o u g hc a l c u l a t i n gt h ew i n d i n g s r e s i s t a n c e a n di n d u e t a n c eo f t r a n s f o m l e rw h i c hi st h em o s te a s i l yw e n tw r o n g t h r o u g ht h es i g n a lc o l l e c t i o nd e v i c et or e a l i z em o n i t o r i n gt h ev o l t a g ev a l u e a n dc u r r e n t v a l u eo f o r i g i n a ls i d ea n ds u b s i d i a r ys i d eo f t r a n s f o r m e r , c a l c u l a t et h er e s i s t a n c ea n dl e a k a g e i n d u c t a n c eo f t r a n s f o r m e r sw i n d i n g st od e t e r m i n et h ed e f o r m e dc o n d i t i o no f w i n d i n g si nt h i s p a p e r o nt h es i t eo ft r a n s f o r m e r , b a s e do nc o m p l e t e dt h ep r o g r a mo fd a t ac o m m u n i c a t i o na n d p a r a m e t e ri n t e r f e c ed i s p l a y ，u s i n gr e l i a b l et c p 1 pc o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n t , w e l lc o m p a t i b i l i t ys o c k e t i n t e r f a c ea n dc l i e n t s e r v e rm o d e ，u s i n ga s y n c h r o n o u se d i t i o no fs o c k e tf u n c t i o n ，a d o p t i n go p e r a t i o n c i r e u m s t a a c eo fw i n d o w sm e s s a g ed r i v em e c h a n i s m ，d i r e c t l yu s i n gw i n s u e ka p ia n dm f cc s o c k e tt o w r i t en e t w o r kp r o g r a m , r e a l i z i n gt h ep r o g r a md e v e l o p m e n tw i t ht h es u p e r v i s o r yc o n t r o l l i n gf u n c t i o n b e t w e e nc l i e n ta n ds e r v e a i nt h i sp a p e r , d i s p o r t i n gt h ew h o l es o f t w a r es y s t e mt ol o c a l ed a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d s u p e r v i s o r yc o n t r o l l i n gm o d u l e , d i v i d i n gt h es o f t w a r es y s t e mi n t om o r em o d u l e ，i n t r o d u c i n gt h ep r o g r a m d e s i g no fl o c a l es e r i a lp o r td a t ac o m m u n i c a t i o n 、n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc o n n e c t 、v a r i o u s s u p e r v i s o r yc o n t r o l l i n gm o d u l e s , a n a l y z i n gt h er t p u d pd a t at r a n s m i s s i o np r o b l e ma n de s t a b l i s h i n gt h e i i 变压器绕组变形状态监测通讯研究 d a m t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r9 ；h e n * ，d e s i g n i n gt h ea p p r o p r i a t e 、f r i e n d l yi n t e r f a c ed i s p l a y ，c o m p l e t i n g t h es o f t w a r es y s t e mo f m o n i t o r i n gt h es h a l t u so i lt r a n s f o r m e r sw i n d i n g s t h es o f t w a r es y s t e mi nt h i sp a p e rw a se x p l o i t e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n gi np o w e rs y s t e m ， u n d e rt h ep o w e rl a n 。a st h er e a lt i m eo p e r a t i o na n dc o n t r o lf o rc e n t e r ，o p e r a t i n g c o n v e n i e n c e 、s h o r t c u t ，a d a p t a b l e ，h a st h ep r e f e r a b l ea p p l i c a t i o no u t l o o k k e yw 0 r d s ：t r a n s f o r m e r , s u p e r v i s o r yc o n t r o l l i n g , d a t ac o m m u n i c a t i o n i i 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：垒硅日期：丝z ：! ：垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：啦 导师签名： 嗍毕， 沈阳1 业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 变压器状态监测的目的及意义 随着现代社会和经济的发展，对能源的巨大需求促进了电力工业的飞速发展，使得 电力设备朝着大容量、超高压的方向发展，电力网也正组织成庞大的区域性甚至跨区域 的大电网。然而，随着电力设备容量的增大和电力网规模的扩大，电力设备故障给人们 的生产和现代生活所带来的影响也就越来越大。因此，这就要求供电部门在不断提高供 电质量的同时，要切实采取措施来保证电力设备的币常运行，以此来提高用电安全的可 靠性。电力变压器状态监测技术，就是有效措旋之一【1 】。 变压器的故障率较高，不仅会极大地影响电力系统地安全运行，同时也会给电力企 业及电力用户造成很大地经济损失。如果一台大型电力变压器在系统中运行时发生事 故，则很可能导致大面积停电，其检修期一般要半年以上，不但花费巨大，而且影响面 很广。 有关变压器的故障分析表明，绕组是发生故障较多的部件之一。因绕组变形而导致 的严重故障占绕组总事故的6 0 7 0 。据不完全统计【2 1 ，我国1 9 9 5 1 9 9 9 年期间， l1 0 k v a 以上电压等级的变压器，因近区短路事故而烧毁的有2 l 台，总容量约为6 4 9 m v a ，占同等电压等级变压器事故总容量的1 5 左右。我国1 9 9 7 年2 2 0 k v 及以上变压 器非计划停运按故障部位的分类情况显示：2 2 0 k v 等级变压器中由于绕组引起的非计划 停运时间占总非计划停运时间的7 9 4 9 ，3 3 0 k v 等级占7 2 3 1 ，5 0 0 k v 等级占9 8 9 2 。 1 9 9 9 2 0 0 3 年期间，我国1 1 0 k v a 以上电压等级的变压器，因遭受短路故障电流冲击直 接导致的损坏事故约为7 2 台，占总事故台数的2 7 5 。2 0 0 0 - 2 0 0 4 年期间，因短路引起 的变压器事故共6 9 台，占变压器事故总台数的2 3 6 ，容量为3 8 5 4 5m v a 。 变压器绕组在受到辐向力、轴向力和周向力( 或扭矩) 的作用时，会发生相应的变形， 即辐向位移、轴向位移和扭曲，以及包括断股、引线位移和静电板引线断开等的特殊变 形。从表面上看，绕组其尺寸未发生变化，但是变压器等效电路中单位长度的分稚电感 和电容却发生了变化，因而绕组的频率响应特性将发生变化，故把这类变形称之为特殊 变形。 变碍；器绕组变形状态监测通讯研究 引起变压器绕组变形的主要原因可以分为两大类【3 - 3 】： ( 1 ) 变压器在运行中难以避免要遭受到各种短路故障的冲击，其中包括三帽短路、 两相短路和相对地故障等，特别是出口或者近区短路对变压器的危害最大。 ( 2 ) 累积效应。运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应， 出现恶性循环。对于遭受短路事故的变压器，一般情况下只是做常规试验，由于常规试 验对于检测变压器绕组变形很不灵敏，致使一部分己经发生绕组变形的变压器误认为是 j 下常变压器继续投入运行，导致严重的后果。 因此，积极开展变压器绕组变形状态监测方面的工作，及时发现变压器的隐患故障， 不但可以节省大量的人力、物力，而且对预防变压器发生事故、提高供电质量有着极其 重要的作用。目前，世界各国都在积极开展变压器绕组变形的诊断工作，有些国家( 如 意大利) 甚至把该项工作放在变压器预防性试验项目的首要位置。我国在规程中也推荐 了变压器出口短路后测绕组变形的方法。 虽然变压器状态监测的内容何目标不同，但状态监测的基本原理是相同的。它通过 安装在变压器上的各种高性能传感器，连续的读取变压器的动态信息。状态监测的主要 特点是可以捕捉到非瞬间故障的先兆信息、通过连续监测变压器一段时间内参数的变化 趋势来判定变压器的运行情况。其最大的技术优势即为可以在运行中实时监测，对于制 定、部署下一步的检修计划和方案具有十分重要的现实指导意义，是现代化维护的必须 手段。 变压器绕组状念监测的基本原理是根据变压器绕组的电阻和电抗的变化进行变形 与否的监测和判断。因为绕组的电阻和电抗与绕组的变形程度、几何尺寸以及位置变化 密切相关，即电阻和电抗直接取决于绕组的几何结构。在此基础上，产生了- - 1 3 新兴的、 实用性的基于参数辨识变压器绕组的状态监测技术。它充分利用变压器状念监测提供的 数据，结合各种智能的推理方法，为操作和维护人员提供辅助决策的功能，这也就是变 压器状念监测的方向之一即智能监测。 2 沈rl _ t - 业大学硕十学位论文 1 2 变压器状态监测现状 国外电力变压器状态监测技术的研究起始于6 0 年代，经过二十多年的努力，它已 发展成了几乎独立的- - i - j 学科，在电工学术界受到了广泛重视，其研究领域已从理论到 实践，直至使用装置的开发 9 - 1 2 1 。特别是近十几年来，随着各方面技术的发展，世界上 工业发达的国家都竞相研制开发了各种单一特征量变压器状态监测装置，并投入了现场 运行，如美国、加拿大、只本等国还相继开发出了变电站多信息量的状态监测装鹭，投 入了2 2 0 5 0 0 k v 系统运行，并已总结出某些设备的状态维修试行标准。它能够使人们完 全与以往不同的技术方式进行电力变压器的状态分析，在保证电力变压器与系统安全运 行的同时，节省维护费用，减轻了人员劳动强度。 我国电气设备状态监测技术起始于7 0 年代的带电测试阶段，采用将测试仪器直接 接入测试回路中的测量模式1 9 - 1 2 1 。8 0 年代出现了各种专用的带电测试仪器，使状态监测 技术开始从传统模拟量测试走向数字化测量。从9 0 年代开始，随着传感器、计算机、 网络技术的飞速发展，状念监测领域也出现了以数字波形采集和处理技术为核心的微机 多功能绝缘在线监测系统的新局面。 我国虽然起步比国外迟，但在国外己经取得经验的基础上，不少单位都相继研制出 了单一和多信息量状态监测装置，在试运行中已显示了各自的特色和优势。随着我国电 网容量的迅速增大和电压等级的不断提高，供电的可靠性已经显得越来越重要，因此， 在线监测及诊断技术在我国有十分良好的应用前景。与预防性维修制过程一样，通过使 用、推广、总结和提高之后也会制定出以状态监测为基础的状态维修标准。 目前，国内外学者在电力变压器状态监测以及故障诊断方面进行了大量的研究工 作，提出了许多不同的监测方法：油中气体含量状态监测( 油色谱在线分析) 、油中氢气 浓度状态监测、变压器绕组局部放电状态监测、变压器绕组变形状态监测等等。这些方 法各有特点，但这些方法都有弊端。对于油中气体含量的状念监测，要受到气敏传感器 以及透气膜等方面的限制，导致监测周期长，有时候结果不稳定，作业程序复杂、试验 周期长、人工操作不可靠、且不易发现两次试验之间的故障或缺陷，它一般只能简单区 分过热、电晕放电和电弧放电故障，无法对故障的具体类型作进一步判断，也无法对故 障的具体部位进行准确的定位，而且，由于油中气体的累积效应，它的准确程度也不令 变压器绕组变形状态监测通讯研究 人满意。对于变压器局部放电状态监测，由于被监测信号比较微弱且现场电磁干扰巨大， 如何抑制干扰，并从很强的背景噪声中提取局部放电信号是变压器局部放电状态监测的 关键技术问题。上述方法由于自身存在的问题，还不能真j 下地有效地应用于工程实践中。 尽管如此，维护变压器最佳运行和现代化管理的最佳途径仍然是综合性变压器状态监测 技术。相信随着科学技术的不断发展、理论的进一步深化研究，变压器状态监测技术将 不断完善。 1 3 远程监控在变压器状态监测中的应用 网络技术的发展，引发了控制领域的深刻技术变革，控制系统结构沿着网络化方向 与控制系统体系沿着丌放性方向发展将是控制系统技术创新的大潮流。计算机局域网 络、因特网、企业网络、现代信号处理等技术使自动化系统与工业控制系统从体系结构、 控制方法、产品系列、人机协作方法等都发生了重大的变化。进入2 i 世纪的控制系统 以网络为主要特征：一方面是在自动化与工业控制中需要更深层次地渗透通信与网络技 术，另一方面是在通信网络的管理与控制中也要求更多的采用控制理论与策略。“网上 控制”和“控制入网”是2 1 世纪自动化与工业控制的一个动向【j 3 - 1 4 1 。 变压器状态监测是现代电力系统控制的发展方向。远程监控则是其中必不可少的技 术要求，其功能的实现一般采用客户服务器( c l i e n t s g r v g t ) 模式，由客户端与服务 器端两部分组成，其组成特点为：交互性强、安全性好、具有成熟的设计丌发方法和工 具；由于c s 是配对的点对点的结构模式，采用适于局域网的安全性较好的网络。被监 控的计算机系统工作于服务器模式，监控者为客户端。客户端主要是负责向服务器端发 送获取该端信息的请求，并将从服务器端发送回来的信息在本地实时的显示出来，或者 向服务器端发送控制命令。而服务器端则是负责响应客户端的请求并发送信息。其服务 器程序安放在被控制的计算机端，客户机程序安装在控镱4 端。服务器端程序先启动，客 户端在网络上搜索己经安装了服务器端程序的远程计算机；然后，客户端就发指令获得 服务器端的连接指令，两台p c 建立起连接，就可以通过网络的互连协议t c p i p 进行远 端监控。 4 沈阳= 1 ：业大学硕士学位论文 变压器状态监测系统的功能不仅仅是采集数据，还需要对数据进行处理，为后续的 状念诊断服务，实现远程监控。如果将变压器看作监测对象，那么状态监测系统就构成 了一种多传感器系统。对于多传感器系统的信息处理，通常的办法是利用经验建立专家 系统，将采集到的数据根据某种规则转化为信息描述，再用于诊断系统，并使用远程控 制手段进行现场操作。目前国外开发的状态监测系统基本上都具备数据管理和绘图的功 能，可以将数据存储后以图表的方式显示给用户。使数据变得直观有序，还可以根据经 验与阈值或统计阙值给出报警信息。有的系统还可以根据数据发展的情况，发现故障征 兆，提示工作人员。多传感器综合判断的方法正在研究过程中，神经网络、模糊数学等 人工智能等方法，已经开始成为变压器监测系统中广泛使用的信息处理工具，远程监控 在其中发挥了重要的作用。信息融合的作为一种多传感器系统的信息处理工具，正逐步 被引入到变压器状态监测系统中，这种方法将不同传感器的信息综合在一起，就能把变 压器监测系统的效用充分发挥出来。 现代科技进步使微电子技术、传感技术和计算机技术广泛应用于电力系统高压设备 的状态监测成为现实。国内外应用的各种基于远程监控的功能的监测装置和方法相继投 入至电网和变电站，从而积累了许多状态监测的经验，促使状态监测技术上不断完善和 成熟，开拓了高压装黄状态维护的新局面。 1 4 状态监测系统设计技术方案及本文主要内容 本课题是根据东北电力公司与沈阳工业大学高压实验室合作开发的变压器状态监 测系统的项目而展开的，是状态监测技术发展下实现的一种变压器绕组状念监测方法。 变压器状念监测系统的工作过程利用变压器的信号采集装置实时采集变压器的电压、 电流值，通过串口将数据传输到计算机上，在监测主机上将电压、电流值实时的显示出 来并把数据保存到硬盘上作为历史记录，并根据变压器绕组状态监测的算法原理来判断 变压器是否发生敌障。同时与计算机联网，通过远程监控对现场主机进行操作控制管理。 同当前使用的其它监测系统相比，本系统在设计上有如下的特点：以双绕组变压器 为对象为基础，采用辨识电阻、电抗参数的数学模型进行理论分析；信号采集系统可同 变琢器绕组变形校态监测通讯研究 时采集和处理1 2 路信号( 6 路电压、6 路电流) ，采用同步通信方式，能够准确及时地 收到变压器现场运行的数据，尽快地诊断出变压器的运行状态；在界面显示及报警功能 的软件丌发的基础上，实现了远程监控管理，保证了快速的查看当前参数信息和报警分 析情况，并可对采集装置进行停止工作操作。 本系统采用r s 4 8 5 方式实现系统通讯，整体监测工作系统主要出四大部分组成：数 据采集与处理、数据通信、上位机的后台软件分析和远程监控及界面显示。本文介绍的 具有远程监控管理功能的变压器绕组状态监测装置，它即可作为一个单独的采集监测系 统，也可通过r s 2 3 2 总线和r s 4 8 5 总线很好的融合到电力系统其它监测系统中。 本文将可实现变压器绕组状态监测的整个软件平台分为两大部分：现场数据采集通 讯模块和监控功能模块。以模块化设计思想为主导对两大软件工作内容进行具体丌发， 详细阐述了变压器绕组变形状态监测软件系统的设计思路及具体开发过程。 主要内容概括如下： ( 1 ) 结合变电站实际应用现场硬件系统原理图的设计，将变压器绕组状态监测软件 系统按照监测控制流程制定了模块化的设计思路并深入探讨了客户端与服务器端基于 r t p u d p 网络数据传输方案。 ( 2 ) 现场数据通讯模块编写。数据的准确、实时传输是变压器状念监测的前提，如 何利用串口通讯完成数据处理对于后续的状念参数辨识监测来说是十分重要的。 ( 3 ) 完成远程监控模块软件编写。基于t c p i p 协议、s o c k e t 接口技术采用c i s 体系结构，采用w i n s o c ka p i 和m f c 封装的c s o c k e t 类相结合的方法来编写网络通信 程序。这种方法可以充分利用众多的a p i 函数，同时也保证钓封装类的灵活使用。在完 成总体方案设计的基础上，完成了系统各部分的软件设计，着重表现为： 客户端：客户端是系统的远程监控端，主要功能是实现对连在网络上的服务器的控 制。本设计中客户端是由一台p c 机实现的，通过v c + + 来编写远程控制界面，进行了 w i n s o c k 编程来实现远程命令的发送。 服务器端：服务器是系统的主控部分，服务器的功能是用来接收远端客户机通过 t c p i p 网络来发送控制命令，对命令进行处理并返回。 沈阳工业大学硕士学位论文 同时，充分考虑了监测系统所要求的可靠性、实时性和安全性，从客户端和服务器 端分别对如远程关机及重启、鼠标和键盘的控制、远程登陆等功能进行了关键技术研究， 实现远程监控功能。 ( 4 ) 变压器状态监测界面显示设计。监控软件系统通过合理、友好的界面设置，使 设备管理员能够直观的了解变压器的动态信息，灵活的对其进行监控操作。 ( 5 ) 结合现场p c 机( 服务器端) 与远端控制室p c 机( 客户端) ，对整体控制软 件进行综合运行改进，提高软件平台的性能。 7 一 变压器绕组变形状态监测通讯研究 2 监测软件设计方案 2 1 系统总体设计 变压器绕组状态监测软件系统由两大部分组成：控制室端p c 机与变压器现场p c 机( 以下文中称之为客户端与服务器端) 之间的具有远程监控功能的软件模块；现场信 号采集装置与服务器端的数据通讯监测软件模块。图2 1 为软件系统组成图。 图2 1 软件系统图 f i g 2 1t h es o f e w a r es y s t e md i a g r a m 客户端是进行远程监控的平台，它主要包括控制命令发出、与服务器端进行数据通 信、以及状态数据的处理及显示三部分功能。服务器端主要有两大方面功能：一方面其 任务是向客户端接收和发送各种控制和设各状态返回数据信息：另一方面主要是与现场 信号采集装置进行数据通讯传输以及参数辨识变压器运行状态。 客户端与服务器端的监控软件系统选用可靠的t c p i p 通讯协议 1 孓”，兼容性强的 s o c k e t 套接口和客户服务器模式的远程监控体系结构，灵活的采用s o c k e t 函数的异 步版本，w i n d o w s 消息驱动机制的操作环境，实现网络通讯连接和基于局域网的监控 功能。因为各部分软件设计功能之间的相互联系都通过主控直接控制协调，所以本部分 软件系统根据功能又可以分为网络通信连接模块和远程网络控制两个模块。其中，网络 控制模块当中又包括远程关机及重启、键盘鼠标控制、远程控制屏幕等多个小功能模块。 现场监测端软件系统主要完成服务器端与信号采集装置之间的电压、电流量的串口 数据通讯，通过算法分析计算，进行实时数据曲线显示以及参数辨识监测。在针对软件 沈阳工业大学硕士学位论文 系统模块化分析后，本文中将从模块设计入手，分两大部分七小模块对整体软件系统进 行设计，软件系统模块如图2 2 所示。 图2 2 软件系统模块图 f i g 2 2t h es y s t e md i a g r a mo f s o f e w a r em o d u l e 根据总体设计方案，对客户端处理的主要设计工作进一步分析：一部分是界面部分， 一部分是和服务器端交互和处理数据部分。 ( 1 ) 界面部分 创建了主控制界面，同时包含：关机及重启设置界面 键盘鼠标上锁及解锁界面界 面；网络登陆验证界面，用户输入口地址、用户名、密码数据，进行数据验证：远程 屏幕登陆显示界面，将服务器端传输界面嵌入主控提供的父窗的指定位置上； ( 2 ) 数据处理部分 数据处理部分包括：和服务器创建连接，成功验证身份：接受服务器传输过来的 数据，并进行数据分析( 包括区分是图形，还是操作信息) ；创建窗口，将接收的图形 进行数据处理解压缩，显示在窗口上；将键盘鼠标及关机重启系统控制信息发送至服务 器端。 根据总体设计方案，对服务器端需要完成工作进一步细化：与客户端关联设计部分； 现场数据采集监测部分。 ( 1 ) 客户端设计部分 创建了服务器端启动程序界面，用户信息设置界面。数据文件存储设置信息并接 受客户端登陆验证，接受客户端控制信息并根据对应命令指令进行消息反馈。 变压器绕组变形状态监测通讯研究 ( 2 ) 现场数据采集监控部分 创建现场采集数据的主界面，完成参数监测设定的界面设置、串口数据通讯界面， 对监测数据进行了数据库存储，实现变压器现场状态监测功能。 本文中，将从变压器现场数据通讯设计、客户端与服务器端的远程监控功能设计、 参数辨识界面设计三部分内容，分别对上述所涉及到的变压器绕组变形状态监测软件系 统进行分析开发。 2 2 网络数据通信传输设计 在远程监控系统中，客户端与服务器端之间需要传输控制命令、图像数据和现场及 服务器端状态信息，数据包的大小对于系统的控制性能有着十分重要的影响。数据包过 大，会导致系统数据传输的延时及延时抖动【l 埘，容易引起网络拥塞；数据包过小，会浪 费网络资源，也会影响系统实时性，因此对于本课题所研究的实时的信息问题，系统需 要对其进行分组和打包处理。 三种数据需要t c p i p 体系传输层协议进行传输，t c p f i p 体系传输层有u d p 和t c p 两种传输协议。三种信息都是需要实时传输的数据，t c p 保障可靠发送的重新传输机制 降低了网络的有效性，增加了网络时延并导致非常大的时延抖动。u d p 在时延和时延抖 动这两方面都比t c p 优越。因此，基于因特网远程控制系统中，实时数据传输采用u d p 协议更为合理。 同时，端到端的拥塞控制机制是i n t e r n e t 实时传输的一个必然要求，u d p 协议本身 不考虑拥塞控制机制问题，并且基于u d p 协议的直接数据传输，不能对乱序的数据报 进行有效处理，在本系统数据传输中，设计采用了r t p u d p 协议( 实时传输协议和u d p 协议相结合) 数据传输的策略。 2 2 1r t p 报文设计与实现 r t p 包括两个关系十分密切的予协议：实时传输协议( r t p ) ，用于传输实时数据；实 时传输控制协议( r t c p ) ，用于监视网络的服务质量，对实时数据的传输进行进一步控 制，发送端可以根据反馈信息来检测到数据包的丢失、修改传输速率以及补偿数据传输 沈阳工业大学硕士学位论文 的延迟抖动等。r t p 不是直接封装在口数据报中，而是运行在u d p 上。应用程序需要 为数据添加r t p 标题头信息、生成r t p 信息包，这个标题信息包括数据的类型、顺序 号和时间戳等。然后r t p 信息包被送到u d p 套接接口，再被封装在u d p 信息包中。 在接收端，应用程序从套接接口处接收r t p 信息包，并从r t p 信息包中取出数据块， 然后使用r t p 信息包的标题域中的信息正确地译码和处理。 针对数据传输的实时性、连续性及按照顺序恢复的特点，对数据报文的设计除了借 鉴r t p 协议中顺序号、时间戳、同步源标记等结构外，为了配合系统中数据分组打包、 传输、保密等需要，在本文中特别对r t p 报头进行了扩展。r t p 报头数据结构如下： t y p e d e f s t r u c t u n s l g n f dt a t ：2 ； 版本号 u n s i g n e dt a tp ：l ； 填充位 u n s i g n e dt a tx ：l ； 头扩展 u n s i g n e di n tc c ：4 ； c s r c 计数 u n s t g n e d i n t m ：l ； 标记 u n s i g n e dt a tp t ：7 ： 负载类型 ui n t l 6 s e q ； 序号 ui n t 3 2t s ：时戳 ui n t 3 2s s i cg同步源 ut a t 3 2 c s r c 1 j ； 同步源列表 ，以下为扩展头 b y t es e n d e ri d ： 发送源i d b y t ep a c k e t n u m b e r ；本帧中包编号 d w o r d p a c k e t s i z e ； 包数据大小 d w o i f r a m e n u m b e r ；帧编号 d w o r df r a m e s i z e ： 本帧数据大小 b y t ef r a m e e n d ：本帧结束包标记 b y t e k e y f r a m e ； 关键帧标记 b y t er e s e r v e d ；力口密标记 设计的r t p 数据包由r t p 头部和实时数据组成，一个数据包的最大程度为m a x u d ps i z e ，为1 0 2 4 字节，如果超过这个大小则数据要分段。r t p 报文完成后，将其 变压器绕组变形状态监测通讯研究 加入u d p 报文头，从而形成u d p 报文，通过w i n s o c k 函数进行传输。发送端r t p 进 程的流程图如图2 3 所示。 图2 3r t p 流程图 f i g 2 3r t pf l o wc h a r t 系统中使用了两种r c t p 报文：接收质量用的r r 报文和离开报文b y e 。通过接收 方报告r r ，在远程监控系统实时数据传输协议中设计了数据传输质量控制，使得系统 数据发送端在发送实时数据时可以根据网络拥塞情况和接收终端的接收质量状况，动态 调整数据的发送量，防止因盲目发送大量数据而引起网络阻塞，保证了数据的有效传输。 远程控制系统中的反馈r r 报文基本采用r f c1 8 8 9 规定的r r 报文格式，根据实际 需要并对其增添了扩展头，结构如下： t y p e d e f s t m c t ui n t 3 2 s s r c ；同步源标识 u n s i g n e di n tf r a c t i o n ：$ ：分片丢失率 i n tl o s t ：2 4 ； 包丢失累计数 沈阳工业大学硕士学位论文 u _ _ i n t 3 2l a s t _ s e q ： ，接收到的最高序列号 ui n t 3 2f i t t e r ： ，包间抖动 ui n 0 2l s r ； 上一个s r 的发送时间 ui n t 3 2d l s r ： 自接到上一个s r 后的时 以下为扩展头 h a ts e n d e ri d ： 发送源i d 号 i n tr e c e i v e ri d ： ，接收端d 号 d w o r dp a e k e t n u m b e r ；胞序列号 d w o r di n t a e t f r a m e n t t m ；，接收完整的帧 d w o r df a i l f r a m e n u m ； 接收失败的帧 d w o r dr e e i e v e b y t e s ： 接收到的字节总数 r t e p _ r rh e a d e r ： r r 报文的扩展字段是针对r t p 包的扩展头字段设计的，提供了相应的以帧为对象 的反馈信息。终端离开时，以b y e 报文形式通知。其结构只定义了接收端d ，如下： t y p e d e f s t r u e t b y t eh e a d e r ： b y t e t y p eg w o r d l e n g t h i n tr e c e i v e r i d ；接收端d 号 b y e ： 2 2 2 实时数据的速率控制 在实时数据端对端传输的过程中，接收端会周期性地向发送端回传r t c p 控制信息 报文。接收端报告提供数据传输的接收质量反馈信息，包括接收的最大数据包数，丢失 的数据包数，计算发送端和接收端的往返延迟。 在实际应用中，目前广泛采用数据包丢失率来控制服务器的发送速率。假设接收的 最大数据包数为e 。，丢失的数据包数为民。，则接收端的实际数据包丢失率的表达 式见式( 2 1 ) 。 变压器绕组变形状态监测i 蝴究 = 钆 ( 2 1 ) 在端对端数据传输中，可以设置数据包丢失率的上限三。和下限三。i n 。 当工 。时，降低发送速率； 当k 三 k 时，保持发送速率； 当l f ) 个数据包到达客户端的时间为c ( _ ，) ，发送时间为s ( ，) 见式 ( 2 3 ) ，经历的网络延迟为r ( j ) 。发送第f 个数据包的时间应该等于数据包时间戳显示 的时间与o 一1 ) 个数据包发送时间问隔6 ( f ) 的和，即 s ( f ) = 瓦+ o 一1 ) x 8 ( t ) ( 2 2 ) s ( j ) = 瓦+ ( _ ，1 ) 6 0 ) ( 2 3 ) 网络延迟y u ) 分为固有延迟虼和随机延迟t o ) ，】，( f ) 见式( 2 4 ) 。 l ，( f ) = 矗+ e ( ，) ( 2 4 ) 数据包发送时间间隔6 “) 见式( 2 5 ) 。 6 ( f ) ：s u _ ) _ - s ( o ( 2 5 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 此外发送时间c ( i ) 见式( 2 6 ) 和接收时间c ( _ ，) 见式( 2 7 ) 。 c ( o = s ( o + y ( o c ( _ ，) = s + r u ) 以万来表示接收的数据包时间间隔，万见式( 2 8 ) 。 6 ：c ( j ) - c o ) ，一i ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 将式( 2 5 ) ，( 2 6 ) ，( 2 7 ) 代入式( 2 8 ) ，得到式( 2 9 ) 。 6 ：6 0 ) + y s ( j ) - - _ y , ( i ) ( 2 9 ) 随机延迟e o ) 取决于网络负载波动。在一段时间内，网络可以被认为是相对平稳的， 则e u ) 一e o ) 可认为趋于o ；在j i 的数值相对比较大时，可以近似认为： 垦l 巫二圣盟。o j i 由此得到式( 2 1 0 ) 。 艿：艿o ) ：c ( j ) _ - c - 一( i ) ( 2 1 0 ) 在e u ) 一r a i ) 认为趋于。的情况下，以i o 个数据包的平均延迟来估计网络传输延 迟，见式( 2 1 1 ) a r 佶= y ( d ( 2 1 1 ) 由式( 2 6 ) 得 】，( f ) = c ( o - s o ) ( 2 1 2 ) 将式( 2 2 ) 、( 2 1 1 ) 带入上式( 2 1 2 ) ，得到式( 2 1 3 ) r 。，= c c 。一 瓦+ 。一d 兰兰i ；三产 c z - s ， 由式( 2 1 1 ) ，得到网络延迟】，估见式( 2 1 4 ) 变压器绕组变形状态监测通讯研究 k = 善 c 。，一t 。+ ( i - 1 ) x c u ，) 一- _ _ _ ，c ( o ，1 c 2 ，a ， 这时，选取上述的分析延迟分析模型，接收端将系统估计的延迟反馈回发送端，发 送端根据网络延迟调整数据传输策略。 2 2 4 数据包突发到达分析 假设视频图像第k 帧数据中最后到达接收端的数据包的到达时间大于第k + 1 帧数 据中最早到达接收端的数据包的到达时间，将会发生突发到达现象，这种现象在网络状 况不稳定的情况下发生较为频繁。 设第置帧数据中最后发送的数据包发送时间为s ( m ) ，经历的网络延迟为y 伽) ：第 置+ l 帧数据中最早发送的数据包发送时间为s ( 砂经历的网络延迟为以力；数据包发送 时间间隔为8 ( 0 ，得式( 2 1 5 ) 。 s ( 栉) = s ( 聊) + 8 ( 0 ( 2 1 5 ) 当发生突发到达时，条件满足式( 2 1 6 ) 。 s ( 功+ 】，( 疗) s ( 聊) + y ( 脚) ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 6 ) ，可以得到式( 2 1 7 ) 。 8 ( 0 】，( 崎一h 功 ( 2 1 7 ) 在极端情况下，可以认为y ( m ) - y ( n ) 为网络最大延迟抖动，r 叫，所以突发到达现 象发生时有式( 2 1 8 ) 。 8 ( 0 a y 蜥 ( 2 1 8 ) 2 2 5 数据缓冲区大小的计算 由于数据包传送具有突发性，为了保证数据的连续性，可以用设计数据包缓冲区的 方法来解决。传输协议根据最大的延迟抖动、数据传输速率，以及数据包发送间隔来分 配足够的缓冲单元，保证了数据的连续性。 沈阳工业大学硕士学位论文 对于缓冲区的管理，采取在协议中设计环形缓冲区的方案。为缓冲区配备一个起始 位置指针，一个结束位置指针，分别标志已占用的缓冲区的起始位置和结束位置。例如， 缓冲区中存放了z 个帧数据，起始位置指针在第一个帧数据的头部，结束位置指针在石 个帧数据的结尾。当缓冲区释放了一个帧数据后，起始位置指针移动到下一个帧数据的 开始。同时，写入数据时从结束位置指针获取写入地址。 第置个帧数据的释放时间为足，在足之前缓冲区己经存放了x 个帧数据。第 五+ x + 1 个帧数据发生突发到达现象，在这之前第k + x + 2 个帧数据又到达了个数 据包，则有( 三一1 ) 6 0 ) s e n d 0 r e c v0 c l o s e s o c k e t 0 服务器方：s o c k e t o b i n d o l i s t e n a c c e p t o r e c v o s e n d o c l o s e s o c k e t 0 4 4 2 客户端的程序设计 客户通信程序的主要流程：建立s o c k e t 、连接服务器、接着系统进入等待状态，进 行接受服务器的状态数据及查询监控端