【毕业学位论文】（Word原稿）电力系统机房集中监控系统设计及实现-软件工程

中图分类号： 学校代码： 10055 密级： 硕 士 专 业 学 位 论 文 电力系统机房集中监控系统设计及实现 of in 文作者 指导教师 (副 )教授 申请学位 工程硕士 培养单位 软件学院 学科专业 软件工程 研究方向 项目管理 答辩委员会主席 评 阅 人 南开大学研究生院 二一 三 年 十一 月 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥 有在著作权法规定范围内的学位论文使用权，即： (1)学位获得者必须按规定提交学位论文 (包括纸质印刷本及电子版 )，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库； (2)为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务； (3)根据教育部有关规定，南开大学向教育部指定单位提交公开的学位论文； (4)学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所及其万方数据电子出版社和 中国学术期刊 (光盘 )电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至 校图书馆网站： 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守 上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 20 年 月 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 电力系统机房集中监控系统设计及实现 姓 名 学号 答辩日期 论文类别 博士 学历硕士 硕士专业学位 高校教师 同等学力硕士 院 /系 /所 软件学院 专业 软件工程 联系电话 通信地址 (邮编 )： 备注： 是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士 、硕士的学位论文。由作者填写 (一式两份 )签字后交校图书馆，非公开学位论文须附 南开大学研究生申请非公开学位论文审批表 。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 非公开学位论文标注说明 (本页表中填写内容须打印 ) 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本说明为空白。 论文题目 电力系统机房集中监控系统设计及实现 申请密级 限制 ( 2年 ) 秘密 ( 10年 ) 机密 ( 20年 ) 保密期限 20 年 月 日至 20 年 月 日 审批表编号 批准日期 20 年 月 日 南开大学学位评定委员会办公室盖章 (有效 ) 注： 限制 2年 (可少于 2年 );秘密 10年 (可少于 10 年 );机密 20年 (可少于 20年 )摘要 I 摘要 随着调度自动化系统中计算机服务器及网络设备的增多，调度自动化系统包含的设备元件软、硬件结构和功能更加复杂，系统面临各种异常报警，甚至出现严重性故障，这要求运行维护人员对整个机房环境及调度自动化主站系统中设备运行工况 进行分析判断处理。 系统要实现“数据级监视报警”。全面分析 调度 自动化 系统中 出现的各种异常情况 ，通过设置严密逻辑的报警 ，确保能够对机房内各设备的各种异常情况进行监视 ， 进而保证 机房的稳定运行 。 本文对调度 自 动化 机房监控系统进行了研究，提出了一套针对 调度 自动化机房实际现场需求的监控 系统 。 同时 介绍了该系统 的结构组成、模块设计及软硬件 设计，并对该系统 的 人机界面设计及实现 进 行了阐述 。 系统的 子 功能 模块 包括： 机房环境 模 块 、图像监测 模 块 ； 机房动力设备 监控 模块 ； 系统设备以及系统软件 监控 模块 ； 应用软件系统监控 模块 ； 多媒体报警信息发布 模块 ； 电话语音报警信息查询 模块 ； 集中监控系统管理平台 模块 ； 合查询 模块 。 关键词 调度自 动化 机房 监控 系统 I of of in to To of of in of To of to be By in of is of is in a is to of of of is of of 录 录 摘要 . I . 录 . 一章 绪论 . 1 第一节 系统研究背景 . 1 第二节 系统研究现状及发展 . 1 力调度机房现状 . 1 内外研究现状 . 2 度自动化机房集中监控系统的新特点 . 2 第三节 系统研究的内容和意义 . 3 究内容 . 3 究意义 . 3 第四节 论文组织结构 . 4 第二章 系统软件及硬件技术支持 . 5 第一节 系统软件技术支持 . 5 统软件环境 . 5 统硬件环境 . 5 统软件技术支持 . 6 第二节 硬件技术支持 . 9 件结构框架 . 9 件构成及实现 . 10 第三章 需求分析 . 19 第一节 需求获取 . 19 求获取过程 . 19 求获取工具 . 20 第二节 功能需求 . 22 体需求 . 22 需求讨论 . 24 第四章 系统设计 . 32 目 录 一节 总体设计 . 32 第二节 系统模块实现 . 33 房环境、图像监控模块 . 33 房动力设备监控模块 . 36 统设备以及系统软件监控模块 . 37 用软件系统监控模块 . 39 媒体报警信息发布模块 . 40 话语音报警信息查询模块 . 42 控系统管理平台 . 43 合查询系统 . 45 第三节 数据库设计 . 45 据库设计的基本原则 . 46 据库的需求分析 . 46 据库结构设计 . 47 第五章 系统界面设计及实现 . 48 第一节 界面设计 的原则与标准 . 48 第二节 机房监控界面实现 . 49 第三节 机房维护系统界面实现 . 55 第四节 短信报警界面实现 . 56 第五节 机房视频监控界面实现 . 59 第六章 总结与展望 . 61 参考文献 . 62 致 谢 . 63 第一章 绪论 1 第一章 绪论 第一节 系统研究背景 随着 电力系统网络规模的增大及 计算机 通讯技术的 迅速 发展和应用 ， 网络 设备的数量与日俱增，设备运行环境要求愈加严格 ，计算 机机房已成为电力系统 的重要组成部分 。电力系统中，特别是电力调度控制中心所属 调度 自动化机房是整个电网监视指挥的基础保障设备，其功能强大、位置重要等要求对机房环境设备严密监控，及时处理各种异常 。机房的 各种 环境设备 （如 发电机、安保、环境温湿度、 供配电、 精密空调、 水监测、消防监测与联动等）必须 为各 系统提供正常的运行环境， 如果 设备出现 异常或故障而又不能 及时 妥善 的处理，不仅影响到计算机系统的运行，同时会威胁到 数据 的 传输 与保存，特别是会影响调度信息中的 实时交换数据 。 一 旦系统发生 的 故障 对电网事故处理带来困难 ， 造成的影响和经济损失将是巨大的 。 电力系统调度自动化 主站 机房 设备数量大，精密仪器较多 ， 全天 24 小时值班定时巡查机房设备会 使 设备管理人员的工作任务 加重 ，而且 不能发现故障隐患点 ， 同时没有 事故 处理的 科学 有效的 管理 手段 。 传统的 自动化机房监控管理手段已经不适应现代化电力系统机房安全管理的需要， 一套针对电力系统机房的现代化集中监控系统显得尤为重要。 机房的智能化监控与管理系统可以保证 自动化主站 系统的可靠性与可用性，便于 主站 设备的集中管理， 进一步 降低 了 管理成本，提高 了电网 调度 的 运行效率 1 第二节 系统 研究 现状 及发展 力调度机房现状 电力调度机房根据设备位置不同主要分为电力自动化机房、电力通信机房、电源控制室、 源室、机房操作间等；根据机房系统功能可以分为 站系统、 公网系统、通信系统、 源系统、空调系统、 消防系统等，根据监视对象不同可以分为服务器（工作站）状态、开关状态、温控监视、环境监视，也可以称之为动力系统监视及环境系统监视。 由于电力系统及计算机系统的飞速发展， 传统 电力机房不能够满足新的冗余第一章 绪论 2 设备及多套智能化系统安装的需要，使得电力调度主站机房空间 分散 不足 ，环境较差 。 同时，由于各个系统功能相关性较差， 形成的信息孤岛导致值班人员需要掌握不同系统的功能结构和异常的判断，而要对各个功能模块有效辨识、及时准确发现问题，进一步加大了巡视人员的负担，增加了设备异常的风险性。 内外研 究现状 目前国内外计算机机房监控技术大多应用在 通讯 领域 ，而 且形成了 较为 成熟的机房及网络监视和控制系统，即通信动力及环境集中监视系统。电力调度机房监控技术在近几年也得到了较快发展，基本上实现了对电力调度主站机房的远程监控，实现了机房环境集中的遥信、遥测、遥控、遥调、遥视，在监控计算机上实现了灵活的设备配置管理、运行维护、安全管理、告警管理等功能，及时发现、诊断和排除故障，观测设备的运行参数和状态，检查和统计设备的运行数据，保障机房辅助设备的完整性和设备运行环境的安全性，从而为电力调度机房环境的运行维护工作的制 度化和科学性奠定基础 4, 5。 调度 自 动化 机房监控系统 主要呈现出以下特点： （ 1） 通讯方式多样化，通信质量进一步提高。不断出现的新的通信媒介，使得大规模数据传输保持较高质量，进而使得对实时数据要求较高的电力系统相关软件能够采用统一处理的分布式综合监控平台 。通过 系统内部和系统之间采用的各种 数据通信方式， 进一步 提高 设备的使用 率。 （ 2） 新技术的发展应用 提升了监控水平。新一代传感器技术的使用使得监控手段不断升级，新的集成传感设备具备了小型化、集成化、智能化的特点。嵌入式技术 的发展， 保证了随着新设备、新系统的发展引入集成化 、模块化 特点能够使得系统可扩展性 能力进一步提升 。 （ 3） 人工智能 发展迅速 。人工智能技术的发展， 数据挖掘技术、成像技术等高水平技术在集中环境监控方面的应用，使得监控系统的智能化水平有了质的飞跃，为新型 集控平台的发展提供高水平技术支持 。 度 自动 化 机房 集中 监控系统的新特点 由于电力系统机房受电力专业限制的特殊性，其机房监控系统的设计区别于一般监控系统的设计，除了具备监控电力调度机房环境、动力电源、空调、 需监控机房主设备（能量管理系统）、网络设备，并且需要对电力电网运行监视和电 力电网状态分析计算结果的监视提供更高要求。只有将调度自动化能量管理系统监视与 调度机房监控系统 有效结合起来才能真正满足电网调度运行维护部门的需求。 综上所述，调度 自 动化 机房 监控系统的新特点为： 第一章 绪论 3 （ 1） 综合集成性能要求高。 系统中 集成 了对 机房环境设备、 动 力 电 源 设备、 空 调、 像 视 频及 电力电网运行监视和电力电网状态分析计算结果的监控 。 （ 2） 实时监控能力要求强。 系统 通过采集端实时采集监控数据 ，并显 示在系统管理平台上。对 出 现的异常 及 时发出报警 ， 以便工作人员及时处理。 （ 3） 数据规模化。 由于系统 要 监视机房 系统 中 大 量的实时数据，因此 数据量很大，要求对系统的数据进行规模化设计 ，并 从中提取有用数据信息反馈给用户。 第三节 系统 研究的内容和意义 究内容 本文主要 对 调度 自 动化 机房 监控系统从监控体系、网络访问、 软硬件配置、报警分级 等多个 方面 进行了研究 ，并依据此进行了系统设计。本设计项目 根据 电力 调度自动化主站系统 对 机房各系统 监控的需求 ,实现了 调度自动化 机房监控系统 远程访问、 实时 报警 、 系统聚合 的 各项功能。 本系统主要有以下几个研究方面 : (1) 系统运行人员 需要通过 户端 访问 所有站点 ,通过设置各 站点的报警机制 实现 即时报警信息 的定向 发送 。 (2) 实现数据互访和资源共享 ，通过统一平台实现对 各个 分 模块 的有效管理 。各分模块的 升级或维护 独立，不影响系统的总体运行水平 。 (3)独立的设备管理 ,各设备模块的维护或更新不影响系统运行水平，能够通过设备列表查看各设备参数信息及运行状态，并反馈给运行人员。 (4)可视化 视图的有效应用。系统能够利用立方图、线图、视频等手段描述统计信息，能够通过图像、警示信号、报警声音等手段将报警信息传达给系统运行人员，从而提高系统运行效率和减小故障恢复时间。 (5) 完善的查询功能。系统提供多 种数据检索功能 ,包括数据综 合查询、历史数据检索、日志记录检索等，运行人员可以将结果以 方式进行显示 或输出 。 (6)单点登录 的安全 用户 账户管理 机制 6。 究意义 本文根据 电力系统调度主站自动化机房 的设备监控需求 ,从实际项目开发的角度对基于 集中环境 监控系统进行了研究和探索 7,8。从机房 监控系统实际现状 入手 ,结合 功能和特点 ,以 电力调度自动化机房第一章 绪论 4 项目为案例 ,进行 软件系统 的开发设计 。开发过程中 ,本文着重对电力调度自动化主站系统 监视进行了着重设计分析，具备了调度自动化系统的运行状态监视和电网运行状态监视的特点，普遍适用电力系统分布式实时网络监控体系 。 第四节 论文组织结构 本文将通过 6 个章节阐述了调度自动化机房 集中 监控 管理系统 设计 应用 的过程。本文重点在于实现对自动化机房环境、网络设备及电力 统实时监控 ，消除隐患、迅速发现故障、及时维护减小损失 ，从而使得设备能够安全可靠运行 。本文的研究内容主要包含调度自动化机房现状、电力机房监控软件的硬件设计和软件设计及实现。本人主要完成了以下工作： 1、结合电力调度自动化 机房现状 ， 综合 分析 机房存在的安全隐患 及问题，提出解决 问题的有效方法 。 2、 分析研究 自动化 机房集中 监控系统的主要功能 ，规划 系统 的 总体框架 及各 功能模块。 3、确定系统软件的设计原则与方案， 根据 开放性的原则， 对软硬件 进行 选择及 系统 框架 结构 设计 。 4、根据系统 软硬件的具体运行要求，设计实现 系统 的软硬件 。 5、通过 系统 投入运行的实际状况，对软件的 研究设计提出总结 建议。 第 二 章 系统软件及硬件技术支持 5 第 二 章 系统 软件及硬件技术支持 第 一节 系统 软件技术支持 统软件 环境 作系统平台 为提高系统运行效率数据库服务器小型机操作系统采 用 提高系统的可靠性；为便于系统维护，降低运行成本，数据库服务器、 户机操作系统采用 据库平台 采用大型的关系型数据库 005。 005 是 一款优秀的 数据库平台，提供了企业级的数据管理。 005 数据库引擎为关系型数据和结构化 数据提供的 存储功能 更为安全可靠，方便快捷的构建和管理 数据应用程序。 005 支持超大型企业进行联机事务处理 (高度复杂的数据分析、数据仓库系统和网站。005 的全面商业智能和分析能力及其高可用性功能（如故障转移群集）， 保证了 大多数关键业务的企业工作负荷 的有效处理 9。 发工具 + 用 + 高 级语言 进 行 系统 核心 通 信 类 代码设 计 。+是 司推出 一款 面向对象的可视化集成编程 的境程序。它 具备 程序框架自动生成、代码编写 、 界面设计集成交互操作、灵活方便的类管理、 可开发多种程序等优点。 采用 级 语 言进行用户 界 面的设计。 一个以面向对象程序设计为中心的应用程序开发工具 ，它的 开发环境 为 图形用户界面 ，具备 具与编译器，完美 连结数据库的 各项功能 。 统 硬件环境 客户机：内存 128M 以上，硬盘 10G 以上； 第 二 章 系统软件及硬件技术支持 6 服务器：内存 512M 以上，硬盘 20G 以上； 为保证系统的高度可靠性， 系统 采用双机 冗余 备份，并使用磁盘阵列来存储数据 ， 采用 或 对 日常的数据备份系统和异地备份措施 进行 数据备份措施 。 统 软件技术支持 系统 采 用 客户机 /服务器 (C/S)与 浏览器 /服务器 （ B/S） 混 合 模式 。 其 中 机 房集中 监 控管理平台 采 用 C/S 结 构 ， 用于机 房监控 数据 实时 采集 与 控 制 。 系统 采用 +语言 开发， 全 32 位 处理 ， 按 照 面向 对象的 方法设计、 综合运用分布式处理 、 C/S、 数据 管理 及多媒体等技术， 采 用标准 的 格界面。 机房集 中 监控 平台 布 采用 B/S 结 构 ， 用于 系统实时信息 、 报警信息及历 史 报 警信息的查询与统计 10。 （ 户机 /服务器）模式又称 C/S 结构， 是一种 软件 系统体系结构。 C/S 将应用程序进行分类 :第一类是能提供信息被 其他用户共享，这一类称为服务器 ； 另一类则是不同用户独立拥有的，称为客户端如图 图 ， 功能的分布 更具优越性 。如管理用户接口、数据处理等功能 放在前端机上执行 ；如果是管理共享设备、控制用户对共享数据库的操作等功能就放在后端机上执行。 前台功能 由 客户端执行， 后台服务 由 服务第 二 章 系统软件及硬件技术支持 7 器执行。 实现 分布 式功能主要用来 减少 系统 瓶颈问题 11,12。 客户端存放的是 C/务器端则存放数据库和数据处理逻辑如图 户端任务较多又被戏称为胖客户 机而服务器端任务较少被称为瘦服务器。 图 ， 又 将其 称 之为 B/S 结构。 它是基于 B/S 模式的本质是 C/S，只不过它是由两层的 C/S 结构发展成三层 C/S 结构并在 的一种特殊应用，是对 C/S 的 扩展 （见图 。 B/户通过浏览器实现的。 图 ， 在该系统中，用户所发出的请求不再单一， 还可以使 用浏览 器给联网的众多服务器发送请求。在 B/S 结构下，客户机上表示层 功能层 请求 响应 数据处理逻辑 数据库 客户机 服务器 第 二 章 系统软件及硬件技术支持 8 的工作被大大削减。更 重的工作交由服务器担负，因此一些访问数据库和执行应用程序的工作都在服务器上完成。从而使得 B/S 实现 了多 人 在异 地 用 不同的接入方式 操作和访问相同 的数据 。其 最大的缺点是对外网 的过度依赖 ， 外网的任何故障都将使系统瘫痪。 B/S 结构将应用系统分为表示层、功能层、数据层，并且这三个层是相对独立的三个单元。 1. 表示层： 表示层就是浏览器。系统中的各种应用就是用户通过表示层来调用的同时用户也可通过它 访问系统中的数据 。 其功能如下： 认证和授权 ：用户 必须先通过认证方能 使用信息域中数据。在核对身份后根据权限的不同确定该用户可以访问的数据并通过个性化页面为其服务。要保证信息安全，认证是前提条件。 信息集成 ：为了方便用户的使用，其权限内的所有信息集成到该用户的页面中 。 应用 集成 信息集成包括数据集成 。 用户在众多信息域中要快速找到有效信息，搜索是其最便捷的方法之一。 表示层提供了简洁的界面给用户并在应用层使用统一的调用和访问机制从而实现应用和数据的集成。 系统的显示逻辑被含在客户端表示层中。 其主要任务 是通过浏览器向服务器发出 请求，在验证了用户身份后将其所需的主页 传给客户端，在传送的过程中需要使用 P 协议。客户机在浏览器上显示接受来的主页。 2. 应用层 位于 务器端，用来实现各种业务逻辑的是应用层的主要功能也是整个系统架构的关键。接受用户的请求是它的主要任务。它首先连接 数据库 并提出数据处理申请 13。 结果由 后台数据库提交给 务器再 由 务器传送给客户端。 3. 数据层 位于数据库服务器端的是数据层， 系统 中 的数据处理逻辑 被包含其中 。接受服务器对数据的请求是它的主要任务，同时它还能实现对数据库的曾删改查功能并把结果提交服务器 。 因为具备 了海量 的 存储功能 、 数据服务功能 以及数据管理能力，所以 它是整个信息系统的核心 。 在 B/S 结构中，客户机不再处理一些关键事务仅起到显示部分的工作 ，而 事务处理逻辑部分 由 务器承担起 。这使客户机的负担减轻了很多。维护人员的精力也从奔波于各个客户机之间转向了更新功能服务器上。这种结构，每层之间相互独立， 不相互影响 ，从而弥补了 C/S 体系结构的缺陷。 B/S 结构如图 章 系统软件及硬件技术支持 9 所示。 图 ，并 对 环境 数据进行记录。监控现场有非法闯入，可立即报警，并对现场进行录像。操作人员可进行监控数据的查询、备份。该系统需要网络浏览及分级控制， 机支持 24 小时开机，运行稳定可靠，故障率低 14。根据系统硬件要求，硬件结构图如下： 图 统硬件结构图 响应 显示逻辑 请求 事务处理逻辑 请求 响应 数据处理逻辑 数据库 浏览器 数据库服务器 览器 二 章 系统软件及硬件技术支持 10 件构成及实现 统网络构成 系统采用单机系统，分级互连 调度 机房 集中 监控网络。以 接口形式或通过网关 务器以网络形式 将各种设备数据传 入机房监控系统 15机房监控系统主机同时配备电话拨入 /拨出装置 ， 能够 实现远程语音报警 /远程语音查询功能。 如 图 示： 图 统结构图 境采集硬件装置构成 环境量采集硬件由 机，交直流采集模块、状态量输入模块及烟感探测器、温度传感器、湿度 传感器 、水浸探测器等组成，主要实现机房火警、温湿度 以及电流、电压等环境参数的测量、传输，用来对机房环境进行监视和控制。 机 集模块 分布在关键位置 ， 主要采集烟感探测器、温湿度变送器、红外感应器的输出 信息。各采集模块通过终端服务器接入 ，以网络通讯方式将采集 数据 送， 前置机 对采集到的数据进行处理分析 。在系统中的 采用 司的 列产品，如图 示，其主机上运行嵌入式操作平台的机程序，它充分合理地利用主机性能资源，实现数据采集、规约传输、端口管理等功能，它的 功能及行为完全取决于组态数据库的配置信息 机可接 8 个交流模块、 8 个直流模块、 8 个遥信模块、四个脉冲模块、4 个遥控模块、一个报警装置、 4 个显示终端。 第 二 章 系统软件及硬件技术支持 11 系统最大接入遥测量： 2048 点 系统最大接入遥信量： 10240点 系统最大接入遥脉量： 256 点（ 64 路） 系统最大接 入遥控量： 512 路 图 机 直流采集模块 每块模板可采集 8 条线路的全电量。通过高精度二次测量传感器 高速采样 现场的 出， 进一步 运用二表法获得精确的各种电量数据。 为了对数据进行校准确认，该模块还具备了自动校准 和 自动补偿 功能。 其示意图如图 示。 图 直流采集模块示意图 拟量输出 /输入模块 模拟量输入模块 拟量输入模块是一款可以采集模拟量 ，如 电压，电流，热电偶，热电阻，温度等数值 的智能模块，可以 通过 485 总线 进行传输 。参数 表如表 示： 第 二 章 系统软件及硬件技术支持 12 表 拟量输入模块参数表 项 目 规 格 通 道 8 路 差动 或 6 路 差动 +2 路 单端 （跳 线 选 择 ） 输 入类型 V， 125 外 电 阻） 输 入范围 150 500 11V, 5V, 10V 和 20 样 速 率 10 次 /秒（ 带 宽 度 零 点漂 移 20 V/ 满 程量漂移 25 输 入阻 抗 20过 电压保护 35V 隔 离 3000V 备 图例如 图 示： 图 拟量 输 入模块 模拟量输 出 模块 拟量输 出 模块 与模拟 量输