基于VISIO组件的配电网监测系统设计与实现

高元隆,吴成明,2,张 磊

(1.三峡大学电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002;2.三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443002)

0 引言

随着对电力需求越来越大,电网及用户不断扩大对供电量和供电可靠性的要求,促使越来越多的供电企业实施电网监测、电网控制等各类手段来保证配电网的正常运行。配电网作为电力系统神经末梢存在点多线长面广、网架结构复杂、设备质量参差不齐的特点,导致目前中低压配电网运行状况无法实时、全面掌握[1-2]。

目前使用的配电网监测系统大多通过抄表采集系统[3]采集数据,一是时间间隔长、通信传输慢,采集数据量大但利用率低[4-5];二是大多局限于现场监测或只针对某个区域监测,没有考虑到配电网整体,使得配电网管理人员只能获取部分运行数据[6-8],难以有效实现各级配电网监控系统之间的数据交互;三是传统的上位机控件界面可视化效果差,不能很好了解配电网架构与配电网中各配电设备实时运行状况[9]。多种原因导致配电网监控功能缺失和效率低下,不利于系统之间信息统一管理和集成共享。

基于.NET平台结合VISIO开发技术设计了配电网运行状态统一数据采集与集中监控系统,实现对配电网数据统一实时采集、存储和监测。作为一款绘图软件VISIO具有绘图简单、灵活和呈现效果好等优点,还具备强大的后台编程控制能力[10],可通过直观便捷的窗体组件实现配电网架构的可视化,实时获取显示配电网运行状态信息及变化和预警信息提醒等功能,实现配电网运行状态的自动化、规范化、智能化监测管理。

1 系统总体设计

本系统采用C/S体系,结构分为主机端(包含数据库)、下位机设备端和通信模块3个部分。下位机设备端主要完成配电网监测所需数据的采集。主机端向下位机设备端发送指令后,下位机设备端将采集的监测数据通过通信模块传送到主机端,实现配电网运行数据的信息传输和监控管理功能[11]。相较于传统的上位机系统控件界面,VISIO绘图的控制可以在.NET编程环境下进行,嵌入VISIO组件的主窗体能够很好地显示配电网结构以及其中运行数据的动态变化。

1.1 体系结构设计

整个系统分为界面层、逻辑层和数据访问层3层架构[12],如图1所示。

图1 系统3层架构

界面层通过嵌入VISIO组件作为主界面显示配电网络线路图以及相关参数数据,用户可通过主界面窗体进行实时监测;逻辑层是系统的核心部分,主要功能是负责接收界面层的命令,同时将命令转发给数据访问层,通过联系数据访问层与逻辑层以访问数据库来完成系统基础设备数据更新操作。然后将相应的数据传输给界面层;数据访问层通过主机端与下位机设备端通信传输配电网运行数据,然后分析处理所接收的数据后存入SQL server数据库内,可以通过ADO.NET对象对数据库存放的数据进行操作,完成业务逻辑层对数据的请求并供用户界面层调用。下位机设备端实时采集各类重要配电网运行数据传输至主机。

1.2 系统功能设计

根据实际功能需求[13],系统功能设计主要包括主机端模块和数据库存储模块2部分。主机端实时接收解析从下位机设备端传来的配电网络内设施设备(包括变电站、配电线路、变压器、变电站内配电柜)监测参数数据,同时存储于对应数据表中。主机端功能模块主要包括用户配置、系统管理、实时监测等,功能架构见图2。

图2 系统功能模块设计

a.用户配置模块。系统登录根据用户所属type类型验证区分权限,普通用户只能观测实时参数数据变化及接收预警信息;管理用户另外具有管理信息输入以及系统基础配置设备信息操作等权限。

b.系统管理模块。管理用户对系统进行配置管理,如系统基础配置参数的设定,对配电网基础设备包括变电站、配电线路、变压器、配电柜在内的基础参数数据进行录入及维护功能。

c.实时监测模块。接收下位机设备端传输的参数数据,经过分析处理后主线程调用参数数据显示在VISIO组件内部,实时观测配电网的运行参数状态包括三相电压、三相电流、有功功率、无功功率以及配电柜温湿度。当监测到接收数据超限,弹送预警窗口报告警报类型与警报信息。

2 数据库设计

本系统作为实时系统,随时都会产生大量新数据,所以选择一库多表的形式建立“配电网监控数据库”来保证数据存储的有效性,采用SQL Server数据库跟ADO.NET技术实现数据库相关操作。设计了变电站、配电线路、变压器、配电柜等相关配电网基础设置信息的数据表,各个设置信息表之间的逻辑关系用视图表示,在业务逻辑层调用数据库时,便于操作;同时针对配电网实时工况数据接收处理设计实时数据信息表作为接收实时数据存储的相关信息,以及从站设备信息表等用于表示从站设备的配置信息和存储报警信息日志的数据表。

3 系统主要功能设计

3.1 通信模块

Modbus 通信协仪作为一种应用层报文传输协议,可与多台下位机设备端经由网络(如以太网)并行连接进行通信[14]。协议包括ASCLL、RTU、TCP3种报文类型。本系统采用实际使用中最常用的RTU模式,可以在.NET环境中按照特定格式编写,利用串口进行数据传递,该模式下的命令数据格式见表1。

表1 数据传输信息格式

通过此协议,主机端完成与下位机设备端的通信传输。通信流程见图3。

图3 通信流程

3.2 VISIO组件嵌入

VISIO组件提供对象模型作为绘图控件,可以将 VISIO图形界面集成到应用程序中,作为可嵌入Com 组件来提供VISIO的功能。VISIO图在嵌入窗体前已经进行包括线路图的绘制,相关设备和文本框控件的图元数据的设置。图元数据界面添加标识字符串变量的形状数据类型,使得形状数据界面的监测量类型与通信模块传输的实时数据信息对应。

在主窗体页面添加相关 Com组件应用后,调用AxDrawingControl控件,可根据指定路径命令filepath条件循环读取文件VISIO图的图元数据及配置属性。

3.3 数据监测模块

3.3.1 数据接收处理

下位机设备端采集的实时工况数据,可分为4类参数[15],参数的分类及其举例见表2。

表2 接收参数分类及举例

每个分类下有多个参数,每个参数对应标明下位机设备端内部中唯一地址。相应参数的当前值只需要通过读取对应地址寄存器来获取。主机端通过通信模块建立连接,并向下位机设备端发送请求数据,发送报文包括协议规定的命令帧,然后接收下位机的反馈从而实现对下位机设备端监测数据的获取。主机端每次接收到的数据拼接信息按照协议进行解析,其中包含数据的数值、位置类型、ID号、数据类型等,完成数据处理接收后传入主线程和存入数据库对应信息表内。

3.3.2 VISIO组件显示

定义循环VISIO图形数据的文本框参数显示。在接收到实时数据后,检索图形属性数据取得所选VISIO图的图元属性以及该图元属性的shape等数据之后的字符串变量然后对shape对象循环,找出要实时显示监测数据的文本框对象,获取与其匹配的监测量属性,从数据库中的实时数据表中取得该监测量的实时数据,通过对VISIO控件的文本框text属性进行赋值,完成数据传递和显示操作[16]。

3.3.3 数据实时监测

接收值与对应预设的阈值比对,当所接收值超过对应的门限阈值时,经由预警模块在监测主界面执行预警提醒操作即包含超限数据、位置、类型、报警时间等报警信息的页面弹窗以提醒。后续报警信息作为历史数据存入数据库报警信息数据表内,以供管理用户研究分析。

4 系统功能测试

系统工作流程如图4所示,登录主界面后,主机端发送请求数据的命令,下位机设备端做出反馈,主机端接收到数据后将数据传入主线程,主线程接收到数据后与主窗体界面VISIO组件对应区域适配,完成设备和数据的动态图形化。

图4 系统设计流程

管理用户权限实时监测范围内所选配电网络内运行的电气参数变化。实时监测主界面拥有较为全面的实时监控功能,在VISIO配电线路图上有对应图标单独的属性形状数据,配合显示该处运行参数数据,使得运行人员方便监控设备和相关参数设定,如图5所示。

图5 监测主界面

配电网基础设施管理页面完成配电网基础配置信息的更新操作并且能够将新的设备信息数据存储于数据库各个基础设备表内,如图6所示。

图6 配电设备参数设置

测试运行结果表明整个系统中各模块功能均已实现且能够正常工作。

5 结语

系统基于.NET平台结合VISIO开发技术设计的实时配电网监测系统,由主机端与下位机设备端以及通信模块组成。其中主机端经由通信模块完成对下位机设备端传输的配电网设备实时数据的接收解析处理,初步完成了配电网参数设置、数据解析处理、数据可视化显示、数据存储、预警提示等各功能的实现。测试结果证明,该系统通过简单操作有效完成对中低压配电网实时数据的统一接收处理、存储与监测,解决了中低压配电网数据信息低效共享的问题。系统具有较为友好的人机界面和安全隐私性,管理人员也能实时、准确地远程监控电网运行状况,及时发现运行的异常情况并做出处理。后续需要增强数据采集分析功能,优化故障诊断与监测控制的能力。