基于VISIO組件的配電網監測系統設計與實現

高元隆,吳成明,2,張 磊

(1.三峽大學電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002)

0 引言

隨著對電力需求越來越大,電網及用戶不斷擴大對供電量和供電可靠性的要求,促使越來越多的供電企業實施電網監測、電網控制等各類手段來保證配電網的正常運行。配電網作為電力系統神經末梢存在點多線長面廣、網架結構復雜、設備質量參差不齊的特點,導致目前中低壓配電網運行狀況無法實時、全面掌握[1-2]。

目前使用的配電網監測系統大多通過抄表采集系統[3]采集數據,一是時間間隔長、通信傳輸慢,采集數據量大但利用率低[4-5];二是大多局限于現場監測或只針對某個區域監測,沒有考慮到配電網整體,使得配電網管理人員只能獲取部分運行數據[6-8],難以有效實現各級配電網監控系統之間的數據交互;三是傳統的上位機控件界面可視化效果差,不能很好了解配電網架構與配電網中各配電設備實時運行狀況[9]。多種原因導致配電網監控功能缺失和效率低下,不利于系統之間信息統一管理和集成共享。

基于.NET平臺結合VISIO開發技術設計了配電網運行狀態統一數據采集與集中監控系統,實現對配電網數據統一實時采集、存儲和監測。作為一款繪圖軟件VISIO具有繪圖簡單、靈活和呈現效果好等優點,還具備強大的后臺編程控制能力[10],可通過直觀便捷的窗體組件實現配電網架構的可視化,實時獲取顯示配電網運行狀態信息及變化和預警信息提醒等功能,實現配電網運行狀態的自動化、規范化、智能化監測管理。

1 系統總體設計

本系統采用C/S體系,結構分為主機端(包含數據庫)、下位機設備端和通信模塊3個部分。下位機設備端主要完成配電網監測所需數據的采集。主機端向下位機設備端發送指令后,下位機設備端將采集的監測數據通過通信模塊傳送到主機端,實現配電網運行數據的信息傳輸和監控管理功能[11]。相較于傳統的上位機系統控件界面,VISIO繪圖的控制可以在.NET編程環境下進行,嵌入VISIO組件的主窗體能夠很好地顯示配電網結構以及其中運行數據的動態變化。

1.1 體系結構設計

整個系統分為界面層、邏輯層和數據訪問層3層架構[12],如圖1所示。

圖1 系統3層架構

界面層通過嵌入VISIO組件作為主界面顯示配電網絡線路圖以及相關參數數據,用戶可通過主界面窗體進行實時監測;邏輯層是系統的核心部分,主要功能是負責接收界面層的命令,同時將命令轉發給數據訪問層,通過聯系數據訪問層與邏輯層以訪問數據庫來完成系統基礎設備數據更新操作。然后將相應的數據傳輸給界面層;數據訪問層通過主機端與下位機設備端通信傳輸配電網運行數據,然后分析處理所接收的數據后存入SQL server數據庫內,可以通過ADO.NET對象對數據庫存放的數據進行操作,完成業務邏輯層對數據的請求并供用戶界面層調用。下位機設備端實時采集各類重要配電網運行數據傳輸至主機。

1.2 系統功能設計

根據實際功能需求[13],系統功能設計主要包括主機端模塊和數據庫存儲模塊2部分。主機端實時接收解析從下位機設備端傳來的配電網絡內設施設備(包括變電站、配電線路、變壓器、變電站內配電柜)監測參數數據,同時存儲于對應數據表中。主機端功能模塊主要包括用戶配置、系統管理、實時監測等,功能架構見圖2。

圖2 系統功能模塊設計

a.用戶配置模塊。系統登錄根據用戶所屬type類型驗證區分權限,普通用戶只能觀測實時參數數據變化及接收預警信息;管理用戶另外具有管理信息輸入以及系統基礎配置設備信息操作等權限。

b.系統管理模塊。管理用戶對系統進行配置管理,如系統基礎配置參數的設定,對配電網基礎設備包括變電站、配電線路、變壓器、配電柜在內的基礎參數數據進行錄入及維護功能。

c.實時監測模塊。接收下位機設備端傳輸的參數數據,經過分析處理后主線程調用參數數據顯示在VISIO組件內部,實時觀測配電網的運行參數狀態包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率以及配電柜溫濕度。當監測到接收數據超限,彈送預警窗口報告警報類型與警報信息。

2 數據庫設計

本系統作為實時系統,隨時都會產生大量新數據,所以選擇一庫多表的形式建立“配電網監控數據庫”來保證數據存儲的有效性,采用SQL Server數據庫跟ADO.NET技術實現數據庫相關操作。設計了變電站、配電線路、變壓器、配電柜等相關配電網基礎設置信息的數據表,各個設置信息表之間的邏輯關系用視圖表示,在業務邏輯層調用數據庫時,便于操作;同時針對配電網實時工況數據接收處理設計實時數據信息表作為接收實時數據存儲的相關信息,以及從站設備信息表等用于表示從站設備的配置信息和存儲報警信息日志的數據表。

3 系統主要功能設計

3.1 通信模塊

Modbus 通信協儀作為一種應用層報文傳輸協議,可與多臺下位機設備端經由網絡(如以太網)并行連接進行通信[14]。協議包括ASCLL、RTU、TCP3種報文類型。本系統采用實際使用中最常用的RTU模式,可以在.NET環境中按照特定格式編寫,利用串口進行數據傳遞,該模式下的命令數據格式見表1。

表1 數據傳輸信息格式

通過此協議,主機端完成與下位機設備端的通信傳輸。通信流程見圖3。

圖3 通信流程

3.2 VISIO組件嵌入

VISIO組件提供對象模型作為繪圖控件,可以將 VISIO圖形界面集成到應用程序中,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進行包括線路圖的繪制,相關設備和文本框控件的圖元數據的設置。圖元數據界面添加標識字符串變量的形狀數據類型,使得形狀數據界面的監測量類型與通信模塊傳輸的實時數據信息對應。

在主窗體頁面添加相關 Com組件應用后,調用AxDrawingControl控件,可根據指定路徑命令filepath條件循環讀取文件VISIO圖的圖元數據及配置屬性。

3.3 數據監測模塊

3.3.1 數據接收處理

下位機設備端采集的實時工況數據,可分為4類參數[15],參數的分類及其舉例見表2。

表2 接收參數分類及舉例

每個分類下有多個參數,每個參數對應標明下位機設備端內部中唯一地址。相應參數的當前值只需要通過讀取對應地址寄存器來獲取。主機端通過通信模塊建立連接,并向下位機設備端發送請求數據,發送報文包括協議規定的命令幀,然后接收下位機的反饋從而實現對下位機設備端監測數據的獲取。主機端每次接收到的數據拼接信息按照協議進行解析,其中包含數據的數值、位置類型、ID號、數據類型等,完成數據處理接收后傳入主線程和存入數據庫對應信息表內。

3.3.2 VISIO組件顯示

定義循環VISIO圖形數據的文本框參數顯示。在接收到實時數據后,檢索圖形屬性數據取得所選VISIO圖的圖元屬性以及該圖元屬性的shape等數據之后的字符串變量然后對shape對象循環,找出要實時顯示監測數據的文本框對象,獲取與其匹配的監測量屬性,從數據庫中的實時數據表中取得該監測量的實時數據,通過對VISIO控件的文本框text屬性進行賦值,完成數據傳遞和顯示操作[16]。

3.3.3 數據實時監測

接收值與對應預設的閾值比對,當所接收值超過對應的門限閾值時,經由預警模塊在監測主界面執行預警提醒操作即包含超限數據、位置、類型、報警時間等報警信息的頁面彈窗以提醒。后續報警信息作為歷史數據存入數據庫報警信息數據表內,以供管理用戶研究分析。

4 系統功能測試

系統工作流程如圖4所示,登錄主界面后,主機端發送請求數據的命令,下位機設備端做出反饋,主機端接收到數據后將數據傳入主線程,主線程接收到數據后與主窗體界面VISIO組件對應區域適配,完成設備和數據的動態圖形化。

圖4 系統設計流程

管理用戶權限實時監測范圍內所選配電網絡內運行的電氣參數變化。實時監測主界面擁有較為全面的實時監控功能,在VISIO配電線路圖上有對應圖標單獨的屬性形狀數據,配合顯示該處運行參數數據,使得運行人員方便監控設備和相關參數設定,如圖5所示。

圖5 監測主界面

配電網基礎設施管理頁面完成配電網基礎配置信息的更新操作并且能夠將新的設備信息數據存儲于數據庫各個基礎設備表內,如圖6所示。

圖6 配電設備參數設置

測試運行結果表明整個系統中各模塊功能均已實現且能夠正常工作。

5 結語

系統基于.NET平臺結合VISIO開發技術設計的實時配電網監測系統,由主機端與下位機設備端以及通信模塊組成。其中主機端經由通信模塊完成對下位機設備端傳輸的配電網設備實時數據的接收解析處理,初步完成了配電網參數設置、數據解析處理、數據可視化顯示、數據存儲、預警提示等各功能的實現。測試結果證明,該系統通過簡單操作有效完成對中低壓配電網實時數據的統一接收處理、存儲與監測,解決了中低壓配電網數據信息低效共享的問題。系統具有較為友好的人機界面和安全隱私性,管理人員也能實時、準確地遠程監控電網運行狀況,及時發現運行的異常情況并做出處理。后續需要增強數據采集分析功能,優化故障診斷與監測控制的能力。