基于VISIO組件的配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高元隆,吳成明,2,張 磊

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué)梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002)

0 引言

隨著對(duì)電力需求越來越大,電網(wǎng)及用戶不斷擴(kuò)大對(duì)供電量和供電可靠性的要求,促使越來越多的供電企業(yè)實(shí)施電網(wǎng)監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)控制等各類手段來保證配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)神經(jīng)末梢存在點(diǎn)多線長面廣、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備質(zhì)量參差不齊的特點(diǎn),導(dǎo)致目前中低壓配電網(wǎng)運(yùn)行狀況無法實(shí)時(shí)、全面掌握[1-2]。

目前使用的配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多通過抄表采集系統(tǒng)[3]采集數(shù)據(jù),一是時(shí)間間隔長、通信傳輸慢,采集數(shù)據(jù)量大但利用率低[4-5];二是大多局限于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或只針對(duì)某個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè),沒有考慮到配電網(wǎng)整體,使得配電網(wǎng)管理人員只能獲取部分運(yùn)行數(shù)據(jù)[6-8],難以有效實(shí)現(xiàn)各級(jí)配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互;三是傳統(tǒng)的上位機(jī)控件界面可視化效果差,不能很好了解配電網(wǎng)架構(gòu)與配電網(wǎng)中各配電設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況[9]。多種原因?qū)е屡潆娋W(wǎng)監(jiān)控功能缺失和效率低下,不利于系統(tǒng)之間信息統(tǒng)一管理和集成共享。

基于.NET平臺(tái)結(jié)合VISIO開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集與集中監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)。作為一款繪圖軟件VISIO具有繪圖簡單、靈活和呈現(xiàn)效果好等優(yōu)點(diǎn),還具備強(qiáng)大的后臺(tái)編程控制能力[10],可通過直觀便捷的窗體組件實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)架構(gòu)的可視化,實(shí)時(shí)獲取顯示配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息及變化和預(yù)警信息提醒等功能,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)化、規(guī)范化、智能化監(jiān)測(cè)管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C/S體系,結(jié)構(gòu)分為主機(jī)端(包含數(shù)據(jù)庫)、下位機(jī)設(shè)備端和通信模塊3個(gè)部分。下位機(jī)設(shè)備端主要完成配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)所需數(shù)據(jù)的采集。主機(jī)端向下位機(jī)設(shè)備端發(fā)送指令后,下位機(jī)設(shè)備端將采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過通信模塊傳送到主機(jī)端,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的信息傳輸和監(jiān)控管理功能[11]。相較于傳統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)控件界面,VISIO繪圖的控制可以在.NET編程環(huán)境下進(jìn)行,嵌入VISIO組件的主窗體能夠很好地顯示配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及其中運(yùn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化。

1.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為界面層、邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層3層架構(gòu)[12],如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)3層架構(gòu)

界面層通過嵌入VISIO組件作為主界面顯示配電網(wǎng)絡(luò)線路圖以及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù),用戶可通過主界面窗體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);邏輯層是系統(tǒng)的核心部分,主要功能是負(fù)責(zé)接收界面層的命令,同時(shí)將命令轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)訪問層,通過聯(lián)系數(shù)據(jù)訪問層與邏輯層以訪問數(shù)據(jù)庫來完成系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)更新操作。然后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸給界面層;數(shù)據(jù)訪問層通過主機(jī)端與下位機(jī)設(shè)備端通信傳輸配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),然后分析處理所接收的數(shù)據(jù)后存入SQL server數(shù)據(jù)庫內(nèi),可以通過ADO.NET對(duì)象對(duì)數(shù)據(jù)庫存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,完成業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求并供用戶界面層調(diào)用。下位機(jī)設(shè)備端實(shí)時(shí)采集各類重要配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際功能需求[13],系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)端模塊和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊2部分。主機(jī)端實(shí)時(shí)接收解析從下位機(jī)設(shè)備端傳來的配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)施設(shè)備(包括變電站、配電線路、變壓器、變電站內(nèi)配電柜)監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù),同時(shí)存儲(chǔ)于對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表中。主機(jī)端功能模塊主要包括用戶配置、系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等,功能架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

a.用戶配置模塊。系統(tǒng)登錄根據(jù)用戶所屬type類型驗(yàn)證區(qū)分權(quán)限,普通用戶只能觀測(cè)實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)變化及接收預(yù)警信息;管理用戶另外具有管理信息輸入以及系統(tǒng)基礎(chǔ)配置設(shè)備信息操作等權(quán)限。

b.系統(tǒng)管理模塊。管理用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置管理,如系統(tǒng)基礎(chǔ)配置參數(shù)的設(shè)定,對(duì)配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備包括變電站、配電線路、變壓器、配電柜在內(nèi)的基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入及維護(hù)功能。

c.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。接收下位機(jī)設(shè)備端傳輸?shù)膮?shù)數(shù)據(jù),經(jīng)過分析處理后主線程調(diào)用參數(shù)數(shù)據(jù)顯示在VISIO組件內(nèi)部,實(shí)時(shí)觀測(cè)配電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率以及配電柜溫濕度。當(dāng)監(jiān)測(cè)到接收數(shù)據(jù)超限,彈送預(yù)警窗口報(bào)告警報(bào)類型與警報(bào)信息。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)系統(tǒng),隨時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量新數(shù)據(jù),所以選擇一庫多表的形式建立“配電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫”來保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有效性,采用SQL Server數(shù)據(jù)庫跟ADO.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫相關(guān)操作。設(shè)計(jì)了變電站、配電線路、變壓器、配電柜等相關(guān)配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)置信息的數(shù)據(jù)表,各個(gè)設(shè)置信息表之間的邏輯關(guān)系用視圖表示,在業(yè)務(wù)邏輯層調(diào)用數(shù)據(jù)庫時(shí),便于操作;同時(shí)針對(duì)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)接收處理設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息表作為接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的相關(guān)信息,以及從站設(shè)備信息表等用于表示從站設(shè)備的配置信息和存儲(chǔ)報(bào)警信息日志的數(shù)據(jù)表。

3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

3.1 通信模塊

Modbus 通信協(xié)儀作為一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議,可與多臺(tái)下位機(jī)設(shè)備端經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))并行連接進(jìn)行通信[14]。協(xié)議包括ASCLL、RTU、TCP3種報(bào)文類型。本系統(tǒng)采用實(shí)際使用中最常用的RTU模式,可以在.NET環(huán)境中按照特定格式編寫,利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,該模式下的命令數(shù)據(jù)格式見表1。

表1 數(shù)據(jù)傳輸信息格式

通過此協(xié)議,主機(jī)端完成與下位機(jī)設(shè)備端的通信傳輸。通信流程見圖3。

圖3 通信流程

3.2 VISIO組件嵌入

VISIO組件提供對(duì)象模型作為繪圖控件,可以將 VISIO圖形界面集成到應(yīng)用程序中,作為可嵌入Com 組件來提供VISIO的功能。VISIO圖在嵌入窗體前已經(jīng)進(jìn)行包括線路圖的繪制,相關(guān)設(shè)備和文本框控件的圖元數(shù)據(jù)的設(shè)置。圖元數(shù)據(jù)界面添加標(biāo)識(shí)字符串變量的形狀數(shù)據(jù)類型,使得形狀數(shù)據(jù)界面的監(jiān)測(cè)量類型與通信模塊傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息對(duì)應(yīng)。

在主窗體頁面添加相關(guān) Com組件應(yīng)用后,調(diào)用AxDrawingControl控件,可根據(jù)指定路徑命令filepath條件循環(huán)讀取文件VISIO圖的圖元數(shù)據(jù)及配置屬性。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊

3.3.1 數(shù)據(jù)接收處理

下位機(jī)設(shè)備端采集的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù),可分為4類參數(shù)[15],參數(shù)的分類及其舉例見表2。

表2 接收參數(shù)分類及舉例

每個(gè)分類下有多個(gè)參數(shù),每個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)標(biāo)明下位機(jī)設(shè)備端內(nèi)部中唯一地址。相應(yīng)參數(shù)的當(dāng)前值只需要通過讀取對(duì)應(yīng)地址寄存器來獲取。主機(jī)端通過通信模塊建立連接,并向下位機(jī)設(shè)備端發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù),發(fā)送報(bào)文包括協(xié)議規(guī)定的命令幀,然后接收下位機(jī)的反饋從而實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)設(shè)備端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取。主機(jī)端每次接收到的數(shù)據(jù)拼接信息按照協(xié)議進(jìn)行解析,其中包含數(shù)據(jù)的數(shù)值、位置類型、ID號(hào)、數(shù)據(jù)類型等,完成數(shù)據(jù)處理接收后傳入主線程和存入數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)信息表內(nèi)。

3.3.2 VISIO組件顯示

定義循環(huán)VISIO圖形數(shù)據(jù)的文本框參數(shù)顯示。在接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后,檢索圖形屬性數(shù)據(jù)取得所選VISIO圖的圖元屬性以及該圖元屬性的shape等數(shù)據(jù)之后的字符串變量然后對(duì)shape對(duì)象循環(huán),找出要實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的文本框?qū)ο?獲取與其匹配的監(jiān)測(cè)量屬性,從數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表中取得該監(jiān)測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),通過對(duì)VISIO控件的文本框text屬性進(jìn)行賦值,完成數(shù)據(jù)傳遞和顯示操作[16]。

3.3.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

接收值與對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)的閾值比對(duì),當(dāng)所接收值超過對(duì)應(yīng)的門限閾值時(shí),經(jīng)由預(yù)警模塊在監(jiān)測(cè)主界面執(zhí)行預(yù)警提醒操作即包含超限數(shù)據(jù)、位置、類型、報(bào)警時(shí)間等報(bào)警信息的頁面彈窗以提醒。后續(xù)報(bào)警信息作為歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫報(bào)警信息數(shù)據(jù)表內(nèi),以供管理用戶研究分析。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)工作流程如圖4所示,登錄主界面后,主機(jī)端發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)的命令,下位機(jī)設(shè)備端做出反饋,主機(jī)端接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳入主線程,主線程接收到數(shù)據(jù)后與主窗體界面VISIO組件對(duì)應(yīng)區(qū)域適配,完成設(shè)備和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)圖形化。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

管理用戶權(quán)限實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)所選配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)運(yùn)行的電氣參數(shù)變化。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主界面擁有較為全面的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能,在VISIO配電線路圖上有對(duì)應(yīng)圖標(biāo)單獨(dú)的屬性形狀數(shù)據(jù),配合顯示該處運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù),使得運(yùn)行人員方便監(jiān)控設(shè)備和相關(guān)參數(shù)設(shè)定,如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)主界面

配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施管理頁面完成配電網(wǎng)基礎(chǔ)配置信息的更新操作并且能夠?qū)⑿碌脑O(shè)備信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)備表內(nèi),如圖6所示。

圖6 配電設(shè)備參數(shù)設(shè)置

測(cè)試運(yùn)行結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)中各模塊功能均已實(shí)現(xiàn)且能夠正常工作。

5 結(jié)語

系統(tǒng)基于.NET平臺(tái)結(jié)合VISIO開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),由主機(jī)端與下位機(jī)設(shè)備端以及通信模塊組成。其中主機(jī)端經(jīng)由通信模塊完成對(duì)下位機(jī)設(shè)備端傳輸?shù)呐潆娋W(wǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收解析處理,初步完成了配電網(wǎng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)解析處理、數(shù)據(jù)可視化顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、預(yù)警提示等各功能的實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果證明,該系統(tǒng)通過簡單操作有效完成對(duì)中低壓配電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接收處理、存儲(chǔ)與監(jiān)測(cè),解決了中低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息低效共享的問題。系統(tǒng)具有較為友好的人機(jī)界面和安全隱私性,管理人員也能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地遠(yuǎn)程監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行的異常情況并做出處理。后續(xù)需要增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集分析功能,優(yōu)化故障診斷與監(jiān)測(cè)控制的能力。