1 引言
近年来,随着电力电子技术的飞速发展,电网中出现了大量非线性、功率冲击性和整流性负荷,这些负荷会导致电力系统谐波污染和供电电压干扰水平加重。电能质量监测是发现和分析各种电能质量问题的主要手段,为电能质量的改善和电力系统故障的诊断提供决策依据。目前,网络化电能质量监测系统(NPQMS)由于能够提供全网型的电能质量(PQ)连续测量、分析、诊断、统计及Web服务等功能已成为发展的趋势[1-2]。
1Web服务具有语言独立性、跨平台、跨地域、信息传输快捷和良好封装性等特点。因此,很多学者专家尝试将Web技术应用于电力系统当中。文献[3]应用Web技术和PLC技术开发了对负载的远程监控系统。文献[4]对鞍山10kV配电网管理系统进行了介绍,该系统将集抄系统、负控系统、地理信息系统(GIS)和能量管理系统(EMS)中的数据进行整合,通过Web平台和可视化潮流平台进行监控与分析。文献[5]介绍了将Web服务应用于电能质量监测系统中的关键技术。
本文开发了基于Web技术的网络化电能质量监测系统,对电能质量各项指标进行监测与分析,用户通过浏览器可方便的对电能质量进行监督管理,实现电能质量数据共享。
2 电能质量监测系统整体结构
基于Web的电能质量监测系统总体结构如图1所示,主要由监测装置、通讯单元、数据库服务器、Web服务器、应用服务器五部分组成。安装在发电厂、变电站或特殊用户处的电能质量监测装置采集现场数据,通过通讯单元传送到电能质量监测中心,实时的数据和监测结果通过Web服务器发布成服务供用户在浏览器上查看,从而实现电能质量信息的共享。
系统软件体系结构从整体上采用基于B/S(Browser/Server,浏览器/服务器)的模式并采用三层体系结构,如图2所示。此外,在多层架构体系下,将Web服务系统集成于分布式系统之上,由此提高系统的可扩展性。其中,B/S模式又称B/S结构,它是随着Internet技术的兴起,对C/S模式应用的扩展,适用于广域网环境,支持更多的客户,客户端只需要标准的Internet浏览器。这里所说的三层体系结构模型指数据层、服务器层、用户层,这是逻辑上的三层。应用这种体系结构,可以减轻Web服务器的负担,用户只需安装浏览器即可。
3 系统组成和功能
3.1 数据采集
为了对电网的电能质量进行分析,必须在网络化的电能质量监测系统中对电网中大范围的监测点进行数据采集和综合分析。为降低系统的构建成本,需对监测装置的位置和数量进行优化[6]。同时,电能质量在线监测装置的性能、精度和可靠性对整个系统的运行有重要影响,是数据采集的硬件基础。根据各项电能质量国家标准,各监测装置对监测点处的电能质量进行实时监测与分析,记录并存储收集到的电压、电流波形数据及电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、谐波、三相不平衡等监测结果。
监测装置和监测终端通过RS-485总线进行通信和数据交换。RS-485总线系统具有硬件设计简单、控制方便、成本低廉、传输距离远等优点,其最高传输速率可达10Mb/s左右。由于现场监测装置和站内的监测终端距离较近,采用RS-485总线能够保证传输速率满足系统要求。
3.2 数据传输
变电站或发电厂内的监测终端能否满足与电能质量监测中心的数据传输至关重要。电能质量监测的数据量是巨大的,特别是扰动的波形数据,所以网络化电能质量监测系统所要解决的重要问题之一是数据的传输。本系统在TCP/IP协议的基础上利用套接字(Socket)建立了面向连接的C/S(客户机/服务器)通信方式。
如图3所示,电能质量监测中心的数据库服务器相当于C/S通信方式中的服务器,监测终端相当于客户机。服务器在创建套接字后,程序将服务器地址以及端口同创建的套接字绑定(Bind()),并且将此套接字转为倾听状态(Listen()),负责在固定端口上监听客户机的连接请求。同样监测终端要将电能质量数据上传给服务器,首先创建客户端套接字,然后发送TCP连接请求(Connect())。服务器在接收到一个连接请求后(accept()),服务器会产生一个接收应答,这样客户机和服务器的连接才最终完成。客户机发送数据,服务器接受数据,直到客户机数据发送完毕,程序结束。上述过程循环执行,直至电能质量数据传递完毕。这样,电能质量监测数据就以Socket方式由监测终端传递给了监测中心。
3.3 数据管理
电能质量监测中心由Web服务器、数据库服务器和应用服务器构成。
监测终端实时上传的波形数据及频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、谐波、三相不平衡等指标数据,除了实时显示外,还必须存入数据库服务器。指标数据是每隔一定的间隔形成一个指标,数据量不大。而波形数据相比较而言数据量很大,对于这些数据要进行必要的分析,若没有超标则可以直接删除,若数据超标则保留超标时前3s的波形数据,供故障分析判断使用。因此,这些数据包含实时数据和历史数据。数据库负责整个电能质量监测系统所有数据的处理、统计以及相关报表和图表等应用功能的生成、重组和扩展,并具有数据报警功能,若发现从厂站终端采集上来的数据指标超长时将会在报表、图表中进行告警标注;同时数据库还担负着接受来自Web服务器的请求,生成符合请求格式的数据格式,并将结果信息传送到网关服务器,以便不同部门的工作人员通过Web方式查看。
本文开发的网络化电能质量监测系统采用微软公司的SQL Server 2005大型关系数据库。其丰富的图形化管理工具,使系统管理、操作更为直观方便;丰富的编程接口工具,使用户开发SQL Server数据库应用程序更加灵活。对于数据库服务器的访问方式采用ADO.NET,ADO.NET是重要的应用程序级接口,它提供了与数据源进行交互的公共方法。
4 电能质量信息的发布
Web服务的跨地域性、跨平台性以及信息传输的快捷和方便性,允许任意地点的用户通过Web浏览器接入网络,访问Web服务器发布的各类信息,实现资源互享。Web服务器负责处理用户HTTP请求、下载电能质量功能组件参数、加载数据等任务,提供WWW方式的页面浏览服务。用户通过位于Internet/LAN中的任意浏览器浏览网页,访问Web服务器发布的电能质量频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、谐波、三相不平衡等稳态信息,以及故障波形的曲线展示和扰动查询等信息。
Web页面是用户访问系统的人机界面,如何制作出操作简单、功能丰富的页面,对于整个系统至关重要。本系统选择了Microsoft公司设计开发的.NET平台,使用ASP.NET3.5(C#语言)作为B/S模式的开发工具。对于实时显示的电能质量指标数据,当数据到达客户端时必须刷新页面,采用AJAX实现页面的局部刷新,根据数据上传的间隔设置页面刷新的时间。另外,对于波形曲线的绘制采用GDI和Silverlight。
在系统测试中,应用软件代替硬件实现数据采集,作为整个系统的数据基础,对系统进行测试。测试结果表明,该系统能够实现对多个监测站点的实时监测和管理。图4是电能质量指标查询页面,显示的是一号变电站某段时间内电能质量指标的监测结果,表中的数据分别是:时间(time)、数据采集通道(Channel ID)、基波(FW)、基波相位(FWPX)、五次谐波(5TH)、七次谐波(7TH)、电压三相不平衡度(TPVU)、电压闪变有效值(VFEV)、电压闪变频率(VFF)和电压偏差百分比(VDP)等稳态信息。
5 结束语
本文结合通讯技术和数据库技术开发了基于Web的电能质量监测系统,将Web技术和电能质量监测相结合,对多个监测站点电能质量指标进行全面综合监测,同时实现了资源共享。本系统采用了B/S模式的分层分布式结构,用户只须通过Web浏览器就可方便的监测查询电能质量信息,而不需要下载软件,易于扩展和维护。
参考文献:
[1] 张有兵,翁国庆,曹一家.网络化电能质量监测系统中的配电线载波通信[J].电工技术学报,2010,25(6):116-122.
[2] MCGRANAGHAN M.Trends in power quality monitoring[J].IEEE Power Engineering Review,2001,21(10):3-9.
[3] Wei-Fu Chang,Yu-Chi Wu,Chui-Wen Chiu.Development of a web-based remote load supervision and control system[J].Electrical Power and Energy Systems,2006(28):401-407．
[4] 刘燕,姜彤,李美燕等.鞍山10kV配电网管理系统的研究与实现.电力系统保护与控制[J].2010,7(4):74-75.[5].
[5] 裴伟陶,孔英会,史艳翠.Web服务在电能质量监测系统中的应用.电力科学与工程[J].2009,25(1):23-26.
[6] 翁国庆,张有兵.网络化电能质量监测与分析系统的设计[J].电力系统自动化.2008,15(8):79-83．
作者简介:孔红(1969-),女,硕士研究生,副教授,从事电气自动化技术的教学与研究。