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华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 研究背景 1 .1 . 1 电 能质量指标的特点。 ,2 1 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水 平的主要标志之一。 随着科学技术和国民经济的发展， 对电能质量的要求越来越高。 电能质量的指标若偏离正常水平过大， 会给发电、输变电和用电带来不同程度的危 害。电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。 电能质量与一般产品质量不同， 有其如下特点:( 1 ) 不完全取决于电力生产部 门，甚至有的质量指标 ( 例如谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度)往往是 由 用户干扰所决定;( 2 )对于不同的供 ( 或用)电点在不同的供 ( 或用)电时刻， 电能质量指标往往是不同的。也就是说，电能质量在空间上和时间上均处于动态变 化之中;( 3 )电能质量不仅仅反映“ 电” 的质量，而且和用电设备的性能密切相关。 也就是说， 电能质量标准的制定应综合考虑电力系统实际的可能性和电气设备的标 准，从国民经济总体效益出发，使两者得到合理的兼顾。 从 8 0年代初开始，国家技术监督局 原国家标准局)将制定国家电能质量系 列标准列为重点项目。 系列标准共有5 个， 至 1 9 9 5 年底均己颁布， 即: g b 1 2 3 2 5 -9 0 供电电压允许偏差 : g b 1 2 3 2 6 -9 0 电压允许波动和闪变 ; g b / t 1 4 5 4 9 -9 3 公 用电网谐波 ;g b / t 1 5 5 4 3 -9 5 三相电压允许不平衡度 ;g b / t 1 5 9 4 5 -9 5 电力 系统频率允许偏差 。 1 . 1 .2 网络化测量的优越性3 . 4 要求获得测量结果的仪器设备离被测信号很近时， 传统的本地测量方法是一种 很好的解决方案。 但实际情况往往不是这样: 测量节点与在测量和自 动化中使用的 p c机相距很远，而且，被测信号也分散在不同部位。采用传统方法测量，则电缆 和接线成本非常高，因为传送模拟信号， 易受工频、 无线电等噪音污染: 另一方面， 还可能适应不了工业环境 ( 如高温) 。 为克服上述缺点， 人们已开始把远程测量技术用到实际工作之中。它以少数几 根低价 ( 如两线制)电缆连接分布节点，使电缆和接线的成本显著下降，而且方便 了安装和维护;侧量仍在被测信号源处进行， 但传送数字信号而不是模拟信号， 几 乎没有什么噪音干扰问题。此外，远程测量设备 ( 工业1 / o设备)一般都做得比 较 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 坚固、紧凑、可靠，以此适应恶劣的工业环境。 工业技术的发展正在扩大网络化测量的应用范围。最近，已经能使用连接到 w e b 的数字万用表和示波器代替过去使用的单台仪器，通过i n t e rn e t 读取测量值; 能使用分布式数据采集系统代替独立的数据采集设备， 跨越以 太网或其他网络采集 数据， 实施远程测量。 因为网络中的计算机、 仪器设备都有机地联系在一起， 因此， 我们能够方便地把数据从一台计算机传送给另一台计算机。 网络通过释放系统的潜力，改变了测量的以往面貌， 打破了在同一地点进行采 集、分析和显示的传统模式。现在，通过i n t e r n e t 和网络技术，人们己能够有效地 控制仪器设备，在任何地方进行采集、分析和显示。不久的将来，地球将披上一层 由各种各样现场仪器设备 ( 传感器、变送器、执行器、现场1 / 0设备) 构成的“ 通讯 外壳” 。由它们对世界各地的种种状况进行监控，及时将获得的信息送入网络和对 要求控制的部位实施控制，甚至进行实时控制。 1 . 1 .3电 能质量网络化监测的必要性15 1 供电系统的电能质量对用电设备的性能、 效率和寿命等有重要影响， 对电能质 量的监测可以掌握供电系统的电能质量状况， 是进行谐波治理及改善电能质量的基 础。 在电力系统进入市场化运营以后， 无论是国内还是国外， 供电部门和电力用户 对电能质量的关心程度与日俱增，都希望对电能质量指标有一个全面的、准确的了 解，目 前一些电 力企业在争创国际一流标准的时候: 其中电能质量就是一项重要的 考核指标。 对一般供电部门来说， 现有的谐波测量仪器大多为便携式的， 通过它们技术人 员轮流在各变电站监测几个小时， 带回数据再进行分析，写出报告。 考虑到电能质 量指标在时间上是不断变化的特点， 这样的监测方式对技术人员有很大工作量， 而 且得到的数据有限，很难全面、准确地掌握被监测点的电能质量状况。 理想的电能质量监测系统，应该有多个分布在配网各个节点上固定的监测装 置，监测信息同时进行网络发布，使得在 i n t e r n e t 上任意节点上的任何计算机都可 以 通过浏览器查看到远方的各个监测站的信息。当然， 对用户的使用权限要有分级 的设定以保证安全性。 虚拟仪器技术是测控领域的最新技术， 在测量、 控制和仿真等方面有广泛的应 用， 采用虚拟仪器技术进行电能质量的监测和分析， 己经被证明是十分有效的方法。 随着社会信息化的发展，电力企业及用户对电能质量远程监测系统的需求迅速增 加。一个基于工 n t e r n e t 的电能质量远程监测系统将为整个电力系统的网络化和数字 化的实现和普及打下 良好的基础。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 .2 国内外对电能质量网络化监测的研究现状及发展 在工业发达国家，电能质量问 题早己 被当作电力系统面临的重要问题看待， 各 国 均在加强 有关电能 质量问 题的 研究， 已 得出 不少理论成果6 ,7 ,8 ,9 ,1 0 并提出 一系列综 合 监测控制和管理方法 1 1 ,1 2 1 。 众所周 知， 国际 上对电 能 质量的 研究是从电 磁兼容学 科入手的，该学科对干扰的产生、 传播、接受、抑制机理及相应的测量技术进行了 深入系统的研究， 根据经济、技术最合理的原则对产生的干扰水平、 抗干扰水平以 及抑制措施做出规定， 使处于同一电 磁环境中的设备兼容。电能质量问题基本上属 于电磁兼容中的传导低频现象。 1 9 9 6 年， 由欧共体率先将电气产品的电磁兼容性要 求纳入国家技术法规的范畴，其中就包括电能质量标准。 上世纪九十年代以来，在几个工业发达国家出现的定制电力 ( c u s t o m p o w e r ) 技术， 即将电力电子技术和配电自 动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和质量 的要求为依据，为用户配置所需的指定可靠性与质量水平的电力。目 前， 采用先进 的电力电子技术和计算机技术、 网络技术研究电能质量问题和开发相关监测治理装 置已成为近年来电力系统研究的新热点。 国际上电测量理论和监测仪器仪表技术大致经历了三个阶段: 第一阶段电测量 技术主要是对模拟量进行测量:2 0 世纪5 0 年代以来，随着数字电子技术和微电子 技术的发展，电测技术和仪表技术逐步向数字化方向发展， 早期的模拟式电测仪表 逐渐被数字式仪表代替，在这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线 结构为特征， 可相互通讯、 扩展式仪器和自 动测试系统及相应测量技术得到快速发 展， 并逐步走向成熟;第三阶段，即2 0 世纪8 0 年代以来， 大规模集成电路技术一 方面使得控制芯片运算能力大大增强， 另一方面使得芯片体积大幅缩小， 可以方便 地植入仪器内部， 从而使仪器具有判断、 控制、 存储、 运算甚至更高的智能化特性。 电能质量监测分析技术是电测与仪表技术针对电力系统电能质量问题派生出 的一个重要分支。 只有对反映电能质量指标的电参量进行实时准确的测量， 才能为 下一步分析判断这些指标是否满足国家标准做好准备，因此， 随着电 力系统和电 力 用户对电能质量问题日益重视， 关注的焦点越来越集中于引进先进科学的测量技术 和使用准确可靠的测量仪器。目 前， 国外公司相继开发出多种电能质量监测分析方 面的仪器装置， 典型的如日 本日置公司( h i o k d开发的3 1 9 3 系列电能质量分析仪、 谐波测试分析仪， 美国福禄克公司生产的f l u k e 4 3 型手持式供电 质量分析仪， 瑞典 联合电力公司 u n i p o we r )开发的 u 9 0 0 f便携式电能质量分析仪等，这些仪器 多是采用硬件d s p技术对电信号进行分析处理。 同时， 国际测控技术正向网络化发 展，出现了“ 网络就是仪器” 的概念，电能质量网络化监测技术应运而生，利用网络 实现电能质量的远程监测和网络化管理。瑞典联合电力公司最新开发的 p q s e c u r e 在线式电能质量监测分析系统和瑞士莱姆 ( l e m)公司开发的 p q f i x电能质量监 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 测装置都可以 非常灵活地利用现有通讯接口( r s 2 3 2 r s 4 8 5 、 m o d e m、 局域网 等) 实现电能质量网络化监测。 虽然电能质量问题的研究已逐渐成为当前的热点， 但是相对国外而言，国内对 电能质量监测装置的开发研制比较落后， 大多数厂家采用的是单片机结构， 这些仪 器性能单一，通用性和扩展性差、开发和维护相对复杂，己不能满足市场的要求: 还有部分高校和科研部门，开发出基于硬件 d s p技术的电能质量监测装置。 目 前，国内外对电能质量的监测方式大致分为三种:专门测量、定期或不定期 检测以及在线监测。 1 )专门测量，即对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器 组、滤波器等在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响， 通 过与国家相关标准对照，决定其是否可以投运。 2 )定期或不定期检测，即针对普通电力干扰源，根据千扰的大小、危害程度 和需要等采取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查， 主要目的是全面了解全网电能质量水平和干扰源的特性; 不定期检测主要是针对电 力用户的特殊电能质量问题进行检测分析。 3 )在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测等。即对于大型干扰 源如炼钢厂、 电气化铁路等必须按照电能质量标准， 对电压偏差、 频率偏差、 谐波、 电压波动和闪变、三相不平衡等指标进行连续跟踪监测。 目 前， 国内 对电能质量各项指标的测量大多数还处在专门 测量和定期或不定期 检测阶段， 没有形成对电能质量的长期连续监测，至于对电能质量实现网络化测量 与远程监控更是一片空白。 基于这种现状，建立一个电能质量在线监测网， 及一套统一开放的监控和管理 平台，能够及时分析和反映电网的电能质量水平，以便找出电网中影响电网质量的 原因，并采取相应的整改措施，改善现有供电系统的供电质量、降低电能损耗、保 证电网的安全、可靠、经济运行是很有意义的 1 3 1 目 前通信技术发展很快， 变电所实现光纤通信也很普遍， 这就给电能质量监测 网的组成提供了良好的网络通信基础。 可以通过w e b 技术， 分层、 分级、 分权限对 电网电能质量进行分析和管理。 各监测点通过定时或召唤的方式将数据上传到we b 服务器，通过设定不同的权限，从而使不同的人员可以访问不同的数据，了解目前 的电网电能质量指标。甚至可以把某些指标上i n t e r n e t 网，向外界公开。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 .3 国内外网络化虚拟仪器技术的研究现状及发展 1 .3 . 1网 络化虚拟仪器的主要内 容和广泛应用p a l 网络化虚拟仪器的一般特征是指将计算机、昂贵的外部设备、 被测试节点以及 数据库、数据等软件资源纳入网络进行资源共享，共同完成测试任务;实现了对现 场的基于i n t e rn e t 的异地或远程测试、 控制、 数据获取、 故障检测和现场监视功能。 网络化虚拟仪器的出现使人们可以从任何分散的测试节点、 在任何时刻获取到测量 信息 ( 数据)的愿望成为现实。与虚拟仪器相比，这将是一个质的飞跃! 随着p c机的迅速发展及仪器硬件 ( 如i / o . g p i b等)发展向 着网络化标准靠 拢，使得将网络技术引入测试领域成为可能。网络化虚拟仪器把p c仪器系统的三 大功能: 数据获取、数据分析及图形化显示分开处理，分别使用基本独立的硬件模 块实现上述三大功能，并以网线相连接，这不是简单的组合，测试网络的功能将远 远大于系统中独立个体的功能总和。其结构框图如图 1 一1 所示。 数据获取分析显示 p c机为核心 数据获取 数据分析 ( 远程p c机、 we b b r o w s e r ) 图i 一1网络化虚拟仪器结构图 网络化虚拟仪器的应用十分广泛，目 前，普遍认为有三种基本的应用领域 ( 1 )远距离测量系统 远距离测量系统是将一个或多个测量点的测量数据通过网络传送到一台计算机节 点进行处理。 在实际测量中， 待测点往往有多个并且常在远离计算机主机的地方。 在这 种情况下就要运用到远程测量系统。 ( 2 )测量数据发布系统 测量数据发布系统的 侧量原理是由本地p c机完成测试任务，再将本地p c机测得 的钡 量结果通过网络发布到一台或多台远地p c 机上。 这种网络测量系统应用较为广泛， 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 例如气象局在本地测得天气数据可以 通过网络发布到世界各地， 使用者只要创建we b 接口来接收这些信息，并通过标准浏览器浏览。 ( 3 )分布式执行测控系统 分布式执行测控系统相当于前两种系统的集合， 它的功能是从多个测量节点中获取 测量信息并通过网络与多个 p c机共享资源和信息。 1 . 3 .2 实现网络化虚拟仪器的几项相关技术1 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 1 作为虚拟仪器的倡导者， 美国n i 公司提供了几项专门针对网络化测控的技术。 1 d a t a s o c k e t 是一个通过网络来进行测量数据共享的软件技术，它遵循t c p / i p 协议，并对底层进行了高度封装，只需要 u r l和所需传输的数据，可在 i n t e r n e t 网进行即时分送数据d利用d a t a s o c k e t 来传输数据就像把信息写入文件一样简单。 可以 用它建立一个智能远程测量节点， 对远程测量节点建立测量和控制， 包括任何 对数据的分析，并利用 d a t a s o c k e t 功能将测量结果发给本地 p c节点。如果使用 d a t a s o c k e t 不必去学 t c p / i p数据传输协议的细节，就可以作到对分布测量系统全 部控制。 2在l a b v i e w6 . 1 及其以上版本中利用远程面板 ( r e m o t e f r o n t p a n e l )技术， 较容易地就可以开发出功能齐全、稳定可靠的b / s 模式远程测控系统。 远程面板技术是把一个vi 的前面板直接嵌入到w e b网页中，而且还可以自动 更新。也就是说i n t e r n e t 上的客户端看到的是一个动态刷新的实时画面，就像是该 v i 是运行在客户端一样。而且，客户端获得授权后还可以对前面板进行远程控制。 同时，由于l a b v i e w 内嵌了w e b 服务器的功能， 所以不必再开发w e b 服务应 用程序，只需要通过简单的设置就可以将原来单机版的测控系统升级为基于 we b 的远程测控系统。大大降低了开发远程测控系统的难度， 减少开发的工作量，缩短 了开发周期。 3 i n t e r n e t d e v e l o p s t o o l k it ( 简称i d t ) 是n i 的面向g 语言 应用环境的网 络应 用开发工具包。i d t提供了g环境下的虚拟仪器与i n t e rn e t 连接的手段，从而实现 在i n t e r n e t 上存取数据或将虚拟仪器的前面板( f r o n t p a n e l ) 发布到i n t e r n e t 上。 i d t 的工作方式为 l a b v i e w 的虚拟仪器网络化提供了便捷的通道。它的好处有:不需 开发专门的客户端软件:开放性好， 无需分发客户端软件， 用户可随时加入;服务 器端不需编写专门的网关处理程序，可以直接用该工具包提供的 v i 实现;原有的 l a b v i e w应用可以提升到网络环境:通过f t p , s mt p自 动传输现场数据和信息， 便于在远程进一步分析。 4 f i e l d p o i n t 是一个模块化分布式i / o系统， 它对工业侧量和控制提供了 经济的 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 解决方案。它包括各种远程测量用的 模拟和数字i / o模块。 配以 诸如f p - 1 6 0 0 以 太 网接口模块等工具，你可以配置多个非只能测量节点。每个节点最多可配 9个 f i e l d p o i n t l / o模块。当对各种节点信号类型进行单点测量时就需要f i e l d p o i n t o 5远程设备接入 ( r d a )使得网络中的其它 p c都可使得位于远程计算机上的 任何d a q设 备。 有了r d a ， 远程测量节点 就是一台 配备了 一个或多 个d a q设 备 的p c应用软件在本地 p c节点上运行，而测量是在远程测量节点上进行的。这种 情况下远 程测量节点是非智能的 r d a适用于三种场合: 远端用一台p c 或c o m p a c t p c i / p x i 计算机比较有利;数据采集速率高于1 k h z ;需要多个d a q设备。 6 g p i b - e n e t是一个能将任何 g p i b设备变成远程测量节点的“ e t h e r n e t到 g p i b ， 控制器。通过 g p i b - e n e t转换器，能够将数据采集仪器的数据流转换成遵 循 t c p / i p协议的形式，然后上 i n t r a n e t / i n t e r n e t ，而远程测量节点是智能还是非智 能取决于这种g p i b仪器的功能。 另外，还有一些第三方软件公司推出的诸如 p c a n y w h e r e 等网络通信软件，为 实现虚拟仪器的网络化测控提供了更为多元的途径。 1 .4 本文所作的工作 本论文的研究对象是电能质量网络化监测系统的网络通信技术，目 的是实现电 能质量的网络化测量、数据传输、网络发布及远程监控。 本课题采用虚拟仪器技术作为主要的开发手段， 深入讨论了各项关键技术的相 关知识并全面比 较各种通讯方案的优缺点和可行性; 然后逐步实现虚拟仪器的各项 网络化功能;最后做到能初步建立一个电能质量网络化监测系统。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章 综述 2 . 1 r s 2 3 2 c标准接口，,0 线 1 9 ,2 0 1 r s 2 3 2 c是美国电子1业协会e i a ( e l e c t r o n i c s i n d u s t r i e s a s s o c i a t i o n ) 1 9 6 9 年 公布的二进制数据串行传送的一种标准接口，也是目前各国通用的国际标准。 微机 上几乎都配有r s 2 3 2 c接口， 用于联接c r t ，串行打印机等通信外设和设有同样接 口的通信仪器。 r s 2 3 2 c接口总线属信号级兼容的外部总线，其主要标准有: ( 1 )接口的联接器件 有2 5 条信号线， 采用2 5 个引脚的d型 插接件) 连接器。 每个引脚都分别定 义了信号名称及电平。 微机通信时一般仅使用9 个常用信号。 其中发送数据线( t x d ) 和接收数据线 ( r x d)是一对数据传输线。应答联络线包括请求发送 ( r t s )、清 除发送 ( c t s )、数据设备准备好 ( d s r )和数据终端准备好 ( d t r)四条线。串 行双向数据通信又分为半双工和全双工两种方式。 发送和接收分时进行称为半双工 方式; 发送和接收同时进行称为全双工方式。 全双工通信时无需使用请求发送和清 除发送两根线。 若通信双方随时准备交换数据，无需应答联络，则只需两条数据 传输线 ( 双绞线即可)和一条信号地线。 ( 2 )信号电平和逻辑 r s 2 3 2接口 信号电平规范定义用士 1 2 v标称脉冲电平实现信息传送，采用负逻 辑。- 5 v- 1 5 v为逻辑值“ 1 1 1 , + 5 v -+ 1 5 v为逻辑值“ 0 。- 3 v -+ 3 v为过渡区，接 口传送出错，噪声余量为f 2 vo ( 3 )数据传送速率 用每秒传送串行字符的总位数，即波特率 ( b i t r a t e )来描述数据传送速率。 r s 2 3 2 c规定其波特率在 5 0 -1 9 2 0 0 间分 1 1 个等级， 由用户选用。r s 2 3 2 c接口标 准规定，两台设备直接相连的最长距离为 1 5 m 。长距离通信可在两设备的r s 2 3 2 c 接口 处配调制解调器 ( m o d e m)，并接电话线来实现。为直接实现长距离和更高 波特率的串 行通信，i e a在r 2 3 2 c基础上又发展出r s 4 2 2 和r s 4 2 3 接口，它们抗 干扰能力强，直接连接的传输距离可达 1 0 0 0 m ，传输速度可达 l o m波特 ( 1 0 x 1 0 6 位/ 秒) 。以 上接口的电路已 集成化。 只需在微机中装入仪器厂商提供的接口 驱动程 序，按说明调用，即可实现微机与仪器间的双向通信。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 .2 g p i b 标 准 接口 总 线 2 1,2 2 ,2 3 g p i b接口是一种命令级兼容的外部总线接口，主要用来连接各种仪器，组建 中小规模的自 动测试系统。该接口由美国h p公司 1 9 7 2 年提出，故又称h p - i b接 口 。 作为一种并行接口，g p i b结构简单、性能可靠、操作方便、灵活、体积小和 价格较低， 被世界各国 广泛采用。 大多 数可程控仪器， 可 程控开 关等都设置有该 接 口 并免费提供设备驱动程序。一些微机也设置g p i b接口。对未设置g p i b接口的 微机，用g p i b插卡，插入系统主板的扩展槽中即可。 2 .2 . 1 g p i b的主要特征 ( 1 )最多可连接 巧 台仪器 ( 包括主控微机) 按这些仪器的作用又可分为讲者 ( t a l k e r ) ， 听者 ( l i s t e n e r ) 和控者 ( c o n t r o l l e r ) 三种。讲者发送数据，听者接收讲者发送的数据， 控者指挥数据交换。在工作过程 中，每台仪器 ( 包括主控微机)的地位 ( 讲者、听者和控者)均可变更。 ( 2 )接口总线 2 4 条 其中1 6 条信号线又分为8 条数据线， 3 条数据字节传输控制线和5 条接口管理 线。8 条数据线采取位并行和字节串行的双向异步传输方式，传输时只允许一台仪 器为讲者。 ( 3 )总线长度限定为 2 0 m 连接多台仪器时， 可按仪器数乘每根电缆长来限制总长。 常用接口电缆有0 . 5 m, l m , 2 m , 4 m几种。 接口电缆两端均有一特定的 插头和插座背靠背叠装的组合式插 头座。任何一台仪器，只要在它的g p i b插座上插上一条接口电缆，再把电缆的 另一头插在系统中的任何一个插座上， 这台仪器就接入了系统。 也可从一台仪器的 接口接出所需连接的全部仪器。 ( 4 )数据传送速度 因系统多台仪器的发送及接收速度可能各不相同， 所以系统数据传送速度主要 取决于速度最低的仪器。 通常为 1 x 1 0 4 - 2 . 5 x 1 0 5 b / s ， 传送距离较短时速度最高可 达 1 mb / s o ( 5 )工作环境 适宜在电磁干扰较弱的实验室和生产环境测试中使用。i e c标准接头为 2 5芯 针型 ( 多一条地线)，我国较多采用的i e e e标准接头为2 4 芯簧片结构。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 .2 .2 g p i b接口总线的操作方法 微机与仪器间的通信是由 测试软件来操作的， 软件可用多种高级语言编写。 最 基本的方法是按g p i b接口使用指南与提供的相应软件，在高级语言中调用各种 g p i b专用指令。这要求编程者对微机仪器的接口芯片 ( 硬件)及专用指令都比较 熟悉，编程也比较麻烦。近来，许多微机和仪器厂商已能提供方便简化g p i b编程 的微机语言及各种仪器的g p i b接口 驱动软件。安装这些驱动软件时，要注意与微 机相应的操作系统吻合。 2 . 2 . 3 g p i b的发展 美国电 气和电 子工程师协会在1 9 8 7 年又针对g p i b 接口 总线公布i e e e 4 8 8 . 1 和 i e e e 4 8 8 .2 ， 进一步扩展和完善了g p i b 接口总线。 i e e e 4 8 8 . 1 的名称是 对于可程控仪 器的标准数字接口，i e e e 4 8 8 .2 的名称是 可程控仪器i e e e 标准数字接口 的编码、 格式、协议和通用命令。 其中i e e e 4 8 8 . 1 和i e e e 4 8 8 与我国的g b 2 4 9 . 1 - 8 5 相比，只 有少量修改， 变化不大。 i e e e 4 8 8 .2 虽然也与我国g b 2 4 9 .2 - 8 5 有密切联系， 但又作了 很多扩充。 i e e e 4 8 8 .2 标准改变了g p i b接口电 路 ( 接口 芯片)， 使用者必须注意几个 标准之间的兼容性。 2 .3 t c p / i p 应用基础(2 4 ,2 5 ,2 6 1 2 31简介 i n t e r n e t 是众多网络间的互联网， 即计算机网络互相连接组成的一个大的网络。 现在， 这个网络已经覆盖了全球。在其形成初期，每个网络都使用不同的方法来进 行互联或传输数据，因而有必要采用一个通用的协议使这些网络可以互相通讯。 t c p / i p( 传输控制协议/ 互联网协议)就是i n t e r n e t 上的通讯协议。 在i n t e r n e t 最初建立时， 各个终端通过不同的电 话线同不同的主机相连接。 在 不同计算机之间进行互联的过程是很复杂的。 计算机商家用不同的硬件和软件解决 方式来在他们的系统之间进行互联， 不久人们意识到需要采用简单的方法来对计算 机进行互联。其目的是建立一种连接方法， 可以支持不同传输方式上的不同种类的 计算机。 在1 9 7 3 年， b o b k a h n 和v i n c e n t c e r f 开 始研究传输控制协议组。 它就是 传输 控制协议/ 互联网协议， 在 1 9 7 8 年研制成功。很快t c p / i p 成为i n t e r n e t 上的通讯协 议。 那么什么是t c p / i p 呢?它是一组数据传输协议， 其中t c p 和i p本身就是不同 的协议。在协议组中还有其他几种协议，每一个组件都有其不同的规则。t c p / i p 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 协议组包括: * 传输控制协议 ( t c p ) 一 实现主机间的可靠的连接。 同时负责数据包按正确 的顺序发送。如果数据丢失了，t c p负责自动重新传输丢失的数据。 * 互联网协议 ( i p ) 一 提供数据流服务。 * u d p ( 用户数据流协议) 一 负责传输不同主机间任意的数据流。 * i c mp ( i n t e r n e t 控制信息协议)一 用于主机间携带不同的错误和状态信息。 t c p / i p 指定了i n t e rne t 上计算机的编址方式。并定义了数据在网络上通过不同 的计算机或程序进行传输的方式。 2 . 3 .2 传输控制协议( t c p ) t c p的目的是为采用不同传输方式的网络提供一种互联的方法。 路由器用于给 带有不同网络路由器地址的数据包打包。 打包的过程可能会重复， 数据包在到达最 终目的地址前可能会被重复打包，并被发送到几个不同的路由器。图3 描述了网络 中路由器的作用。当路由器收到数据包信息时，它检查该目的地址，如果是属于本 网络的，路由器将数据包送回客户。如果不是，它将数据包重定向到别的网络的路 由器上。 路由器是用于对局域网或广域网进行互联的设备，其主要功能是控制网络交 通。 它的另一个功能是有多个可能的传输路径存在时，给数据包分配一个最合理的 路径。 t c p协议利用 s o c k e t s 接口提供了系统中一个双向的连接。一个s o c k e t 是一个 通讯连接的一端，定义了计算机的地址和在计算机上运行的通讯应用程序的端口 号。例如，你的电话在你的房子中，你的房子有一个地址，而电话号码就像是一个 特殊的端口， 将你和一个特定的人连接。同样， 一个s o c k e t 也是和计算机上的应用 程序或进程相连接。 2 .3 . 3 互联网协议 ( i n i p 数据包是一个独立的信息包， 由路由器通过包中的地址信息传输。 互联网协 议是提供这种数据包服务的通讯协议。 数据包可能通过不同的路径到达目 的地口由 于他们可能通过不同的路由器， 他们可能不会按顺序到达，而在接收端这些数据包 被重新排序。 2 .2 .4 t c p / i p协同工作 t c p和i p协同工作， 使得 i n t e r n e t 服务可行。通过网络传输信息时，如果空间 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 较大， 可以将该信息分成较小的包。 这些包在目的地重新组合形成原有的信息。 例 如， 一般的信息包大小为 1 5 6 0 字节，大多数发送的信息可能会大于 1 5 0 0 字节。这 样t c p 将发送的信息分为信息包大小的块或数据流。每个信息包包括: 源地址和 目的地址; 包的大小。当一系列的数据包组成较大的信息包时， 插入数据包的位置 信息。 i p 协议再来给这些信息包编址并将它们以可能最佳的路由路径发送到目 的地 址 。 在大多数情况下， 在发送端主机和接收端的并没有直接相连。 如果在它们之间 有一个直接的连接， 传输过程就会相当简单了， 就像从孟买到纽约的直飞的航班一 样。但是大多数情况下并非如此。毕竟，i n t e r n e t 是网络之间的互联，信息在到达 目的地前可能会有几次停留，其目的是寻求最佳的路径。这也意味着信息包可能通 过不同的路径到达目的地， 并在目的地被t c p 重新组合。 可能所有的信息包都不是 通过同样的路径。在每一个停留点，信息包被发送前都要检查其目的地址。 最后， 数据包到达目的地。由于它们可能不是通过同样的路径到达， 可能也不 会按顺序到达。i p接收到数据包，并将它们交给t c p来处理。t c p检查数据包的 完整性，并将它们重新组合，还原成原来的信息。 2 .3 .5 理解i p 编址机制 前面已经提到过，信息包包含源地址和目 的地址。毕竟， 信息必须从某些地方 发送过来，并且将发送到某些地方去。那么这些又是怎么实现的呢?每个 i n t e rn e t 上的主机都有一个 i p地址。i p 地址是3 2 位长的二进制编码。编码由一句号分为8 位长的部分，每个部分可以是0 - 2 5 5 间的任何数。该号码是唯一的，并且确定了采 用t c p / i p网络上的计算机或网络设备。 i p 地址包含两个重要的标识符; 网络。和 主机 i d. ( 1 )网络 i d :网络 i d标识了计算机或网络设备所在的网络段。在同一个网 络段中的所有的计算机有同样的网络i d号。在i p 地址 1 6 8 . 1 4 8 .2 5 . 5 5 中，网络i d 号为 1 6 8 . 1 4 8 ，在i p地址中网络i d的长度可变。 ( 2 ) 主机 i d : 主机i d标识了 特定的主机或网 络设备。 在同一网络段中的 每 个计算机有一个唯一的主机号。 在i p 地址1 6 8 . 1 4 8 .2 5 .5 5 中， 主机i d号为2 5 .5 5 . ( 3 )子网掩码:由于有一个网络 i d和一个主机 i d ，必须有一种技术来区分 这两种 i d号。子网掩码指定了i d地址中的哪一部分应看作网络 i d ,哪一部分应 看作主机i d 。 在同一个网络段中， 所有计算机的子网掩码是一样的。 子网掩码是一 个3 2 位长的二进制数，分成4 个 8 位的部分。每部分由句号来分开。每部分的数 值必须小于2 5 6 。 如子网掩为2 5 5 . 2 5 5 .2 5 5 . 0 ， 表示t c p / i p应该将头3 个数当作网络 i d号， 将最后一个数当作主机i d号。 子网掩码的正确分配是很重要的， 否则t c p / i p 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 会将信息发送到错误的网络段中，并且可能引发冲突。 ( 4 7缺省网关地址:缺省网关地址指定了本地网络段中路由器的 i p地址。 当计算机发现目的地址不是在本地子网内， 它并不直接向目的计算机发送信息， 而 是将发送给远程子网的信息发送给缺省网关地址。 本地网上的路由器由缺省网关地 址指定， 将信息发送给远程子网的计算机。如果缺省网关地址没有指定本地子网路 由器地址，计算机不能和其他网络段的计算机通讯。 当一个路由器用于连接两个不同的网络段时，它有两个网卡和两个 i p地址。 计算机x的缺省网关地址和计算机x本地路由器匹配， 计算机y的缺省网关地址 和计算机 y的本地路由器匹配。 ( 5 ) i p地址种类 尽管i p 地址包含两个域，网络i d和主机 i d ， 其形式并不是完全一样的。 这是 因为网络段的大小可能不一样。i n t e rne t认为不论什么原因，网络的大小不应该完 全一样。 在这种前提下， 定义了五种地址种类来区分网络大小。 这五类是a , b , c , d , e o i p地址中的用于定义网络的数目 ( 网络i d和在网络中的主机数目 ( 主机 i d ) 的位指定了 地址种类。网络i d域中位数决定了可能的网络数目， 而主机i d域 中的位数决定了网络中主机最大数目。 在这五类中， a , b , c类网的定义是依赖于可能的网络数目 和每个网络中最多 包含的主机数目。a类网定义为较少的一些网络，每个网络包含很多的主机数目。 c类网定义为较多的一些网络，每个网络包含较少的主机数目。b类网在a , c两 类网中间。即它适合适中数目的网络，每个网络包含中等数目的主机。d类网和上 面三类就大不一样了，它用于多点传送组 ( 选用多点传送来广播) 。e类网是试验 j隆的地址，为将来作保留，现在在普通应用中还没有用到， 华北电力大学 r e a d e r p r o p e r t i e s c o m p o n e n t 下，将v e r s i o nc o m p a t i b i l i t y 设为b i n a r yc o m p a t i b i l i t y 。这 样，在v b 中重新编译时，将不会修改全局统一标识( g u i d ) ，而h t m l 页面是以 g u i d 识别组件的。 ( 5 ) 创建h t m l 文档。使用v b 的a p p l i c a t i o ns e t u pw i z a r d ，创建个i n t e r n e t p a c k a g e ，它包括一个h t m l 文件和一个c a b 文件。在打包时，不包含属性页，将 脚本 s c r i p t i n g ) 视始化( i n i t i a l i z a t i o n ) 的安全级别设为n o l l e 。 ( 6 ) 发布。将创建好的c a b 文件和h t m l 文档拷贝到w e b 服务器上，这样在 浏览器访问h t m l 页面时，会自动下载c a b 文件并解包安装运行。 图5 5 是实际例子的示意图： 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 写数据程序在w e b 页面读取数据 图5 5 应用d a t a s o c k e t 技术实现b s 模式网络发布 在开发过程中，我们充分体会到了用a e t i v e x 控件的好处。a c t i v e x 控件是能 够运行在w e b 页面上的软件组件，客户端可以下载虚拟仪器前面板a c t i v e x 控件到 浏览器运行，实现远程监控。另一方面a c t i v e x 控件是封装的自包含的软件组件， 不同应用程序都可以直接使用它，无需考虑到其内部代码，而且使用a c t i v e x 控件 非常方便，只需修改a c t i v e x 控件的属性、方法和事件就可以实现调用。 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 第六章基于虚拟仪器的电能质量数据库管理 6 . 1 虚拟仪器中的数据库管理的必要性4 5 ) 任何一个 信息系统都需要涉及数据管理， 虚拟仪器系统也不 例外。 目 前 广泛 应用虚 拟仪器平台的系统框图如图6 - l a 图6 -1虚拟仪器平台的系统框图 分析图可以看到:在大部分的系统中，所得到的数据 1 和分析结果采用打印方 式直接输出然后归档保存， 采用手工方式管理数据。部分系统将数据和结果保存入 文件系统， 采用文件方式管理数据。 这两种管理方法从数据管理的角度来看都存在 着缺陷和局限。 手工方式对数据管理的缺陷是显而易见的:无法处理大量的数据， 速度慢、易 出错、 效率极低。虽然文件系统管理方式比手工管理方式有了很大的改进， 但是依 然在以下几个方面存在问题。 1 安全性差文件系统没有或缺乏安全机制，无法识别用户身份，不能禁止未授 权用户的使用。因此不能有效地保护数据免遭恶意破坏或误操作而造成的数据损 失，也无法保证重要数据不被泄露口 2数据冗余度大由于数据是面向程序的，一个数据文件只能为某一用户的特定 用途服务， 其他应用所需的相同 数据只能重复存储， 造成了大量的数据冗余。 数据 冗余不仅会浪费存储空间， 降低存储器的利用率， 而且还会带来潜在的数据不一致， 这主要是由于文件系统中数据的更新是每个应用程序各自 进行的相同的数据没有 一致的保护措施。 3 缺乏数据独立性在文件系统中，应用程序和数据结构相互依赖。数据文件是 按照具体要求建立的，而应用程序的编制直接依赖于数据的存储格式和存取方法。 当存储介质或数据结构发生变化时， 相应的应用程序也必须进行修改， 增加了 程序 编制和维护的工作盘。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 4 数据无集中管理除了对数据的存取由文件系统承担外，数据没有统一的管理 机制， 数据的完整性和安全性等无法得到保证， 完全要由 应用程序自己 管理， 这就 增加了应用程序的复杂性。 6 .2 基于实时数据库管理的虚拟仪器系统4 6 虚拟仪器系统需要对被测目 标进行全方位检测，一方面， 大量的数据信息无论 是手工数据管理还是文件系统管理方式都无法正确反映各类数据之间的密切联系， 都不能有效地管理和组织数据。 另一方面企业一般要求通过虚拟仪器对企业的生产 进行全过程的实时监控， 对产生的实时数据进行高速处理，长期保存数据作为决策 分析使用，实时数据与生产信息集成并共享。为解决以上问题，引入实时数据库， 构建基于实时数据库的虚拟仪器系统成为必然的选择。 虚拟仪器系统以 数据库作为 数据中心，由数据提交、数据使用、数据安全管理等几个部分组成。 其中数据提交 部分包括: 硬件采集电路采集得到的大量数据和用户通过人机交互接口以及网络输 入的数据信息。 所提交数据的质量由数据采集部分的预处理模块以及使用者自己保 证。数据使用部分由统计、检索、 报表生成、打印、显示、决策控制以及远程通信 几个功能模块组成，各模块使用数据的目的、数量、方法、占用时间由各模块自 行 定义， 但使用权限由安全管理部分限定。 数据安全管理部分由系统安全策略、安全 级别所决定。 通过安全管理模块、 数据库管理系统 以及操作系统来共同完( d b ms ) 成。基于实时数据库管理的虚拟仪器系统框图如图6 -2 所示。 图6 -2实时数据库管理的虚拟仪器系统 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 6 .3 电 能 质 量 的 数 据 库管 理 4 7 ,4 8 谐波、 功率因数、 电网电压闪变、 电网频率波动等是描述电能质量的重要参数。 能否把这些参数控制在合理的范围之内， 将会直接影响到电网供电质量，从而对工 业生产和国民经济发展产生深远影响。 开发的电能质量数据库管理系统就是在这一 背景下提出的，其任务是将实时测得的各项参数存入数据库服务器。客户端、电力 局、变电所各依照其权限，可以随时进行相应的数据查询、分析和决策， 确保电网 能提供高质量的电能。 n t -暇务邢n s -s q l勿努自 用尸终助用尸终的用尸铭峭 电 能质a管 理中 心、电力 调度中 心等 图6 -3电能质量数据库管理系统的网络构架 电能质量数据库管理系统的网络构架如图6 -3 所示。其中，e p q是设立在变 电 所、电厂、 大型工厂等场合的综合电能质量监测和分析系统。 利用该系统的分析 软件，通过电力信息网或i n t e rne t 网，能够将被监测对象的分析结果自 动加载至电 能质量管理中心或电力调度中心的电能质量数据库中， 然后由后台数据库系统对所 有监测结果进行集中管理。 不同的用户， 可以根据相应的权限通过局域网或公众电 话交换网 ( p s d n )访问电能质量管理数据库，进而对相应监测单位甚至整个电网 的监侧结果进行各种统计分析。 作为开放式的电能质量管理系统， 应该使用户随时 地对检测点实时数据有着清晰的掌握，应该提供实时数据和国家标准的比较功能， 即用户可以选择任何历史数据进行比较。每天数据项 ( 包含 a , b , c三相)的每 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 一项还应该包括“ 最大值” ， 9 5 % 最大值” ， “ 平均值” 。与国标文件相关的操作过程 如图 6 -4 0 图6 -4国标文件操作过程图 在该系统中， 需要对若千年来的监测点数据进行查询， 而且对于每天的实时数 据包含诸如: 基波电压，基波电流，2 -2 5 次的谐波电流，2 -2 5 次的谐波电压含有 率、系统频率、闪变等等。同时包