油田中心区域低压输配电安全监测系统应用研究报告.docx
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油田中心区域低压输配电安全监测系统应用研究报告
油田中心区域低压输配电安全监测系统
应用研究报告
目录
前言……………………………………………………………………………
（1）
一、项目目标及主要研究内容…………………………………………………
（1）
二、研究思路和技术路线………………………………………………………
（1）
三、主要成果……………………………………………………………………
（2）
第一章项目背景和系统开发方案……………………………………………（3）
一、项目背景……………………………………………………………………（3）
二、系统开发方案………………………………………………………………（3）
第二章数据采集系统的设计…………………………………………………（6）
第一节数据采集系统工作模型………………………………………………（6）
第二节网络处理模块设计……………………………………………………（7）
第三节数据处理模块设计……………………………………………………（9）
第三章数据存储与报警判断…………………………………………………（11）
第一节创建专题数据库………………………………………………………（11）
第二节数据接口和报警判断接口所实现的几个特点………………………（13）
一、使用ODBC以实现应用程序接口…………………………………………（13）
二、使用存储过程作为数据存储的中间层……………………………………（14）
三、使用存储过程作为报警逻辑程序…………………………………………（14）
第三节报警逻辑的实现………………………………………………………（14）
一、简单报警的实现……………………………………………………………（14）
二、报警的确认、关闭、取消与二次报警……………………………………（16）
三、系统中已经实现的报警策略………………………………………………（17）
第四章监控端软件设计………………………………………………………（18）
第一节使用空间换取时间的策略解决网络传输的瓶颈……………………（18）
第二节曲线中的疵点处理……………………………………………………（19）
第三节使用面向对象的界面元素构造应用程序框架………………………（20）
第五章系统的安装……………………………………………………………（22）
一、安装环境……………………………………………………………………（22）
二、系统安装……………………………………………………………………（22）
结论………………………………………………………………………………（23）
前言
**油田中心区的低压电网担负着区域内众多居民、工作单位的供电任务。
该电网内大部分供配电设施运行10年以上，老化严重，故障频繁。
近几年，每年因故障造成停电次数达120次以上，抢修费用200多万元。
目前，电网故障诊断仍采用人工定期巡检方法，时间滞后，在一定程度上影响了办公及居民生活用电，烧毁电器事故时有发生。
加上缺乏有效监控手段，电网参数经常脱离经济区，网损居高不下。
这些问题影响着“经济、高效低电”的社区工作目标的实现和社区服务满意度的提高。
因此，亟待研究开发一套有效、易用的低压电网监测系统。
**油田五一社区于2008年1月申报承担了油田勘探局的局级研究项目“油田中心区低压电网安全节能监测系统研究应用”，计划2008年12月完成。
一年以来，在勘探局和五一社区领导的关怀下，在江苏工业学院的大力协助下，项目组成员对国内外低压电网的监测开展了大量的资料调查和理论研究工作，确定了可行的开发方案；运用计算机技术、数据传输技术、网络技术和数据库技术，开发研制了低压电网监测的硬件设备和软件系统；对区域内24个站点安装了监测设备，实现了在数据中心对各站点供电状态的有效监测，圆满完成了项目规定的各项研究任务。
一、项目目标及主要研究内容
1．项目目标
采用无线传输技术及计算机技术实现对油田中心区域主要配电室的实时动态监控，确保电网安全经济运行。
2．主要研究内容
（1）优选专网无线传输技术；
（2）现场实现对变压器及重要负荷的电流、电压、功率、零序电流等参数的准确测量及模数转换；
（3）无线通信网络的构建和应用；
（4）开发低压电网监控系统组态平台，多种报警模式及报警呼叫转移功能。
二、研究思路和技术路线
1．调研国内外有关供配电系统的监测现状；
2．确定本监测系统的开发技术方案：
现场数据的采集和传输，数据服务中心的数据接收和存储，监测前台的数据显示，以及数据异常的报警策略；
3．研制监测系统的硬件：
采集设备和传输设备；
4．开发监测系统的软件：
数据服务器端的数据接收和数据存储的专题数据库，客户端的数据的直观显示，报警系统。
三、主要成果
本项目自2007年开始进行了前期的调研、准备工作，迄今一年多来，项目组成员团结协作、共同努力，圆满完成了项目所要求的各项任务，达到了预期指标。
项目组围绕上述内容，以满足**油田五一社区对油田中心区域内单位工作和生产、居民住宅生活用电的管理需要为基本出发点，以计算机和网络技术为依托，以监测系统维护方便、安全、可靠、实用为原则，在认真调研、分析**油田五一社区供用电状况的基础上，通过对监测信息的全面分析，理顺电网监测的信息流，全面分析了系统设计的需求关系，建立了电网监测数据库，对区域内24个站点安装配备了基于GPRS技术的供配电运行状况的数据采集和传输设备，开发研制了基于C/S结构的监测系统软件，实现了对24个站点供配电运行状况的有效监测和报警策略。
该系统目前已成功投入使用，运行正常，效果良好。
第一章项目背景和系统开发方案
一、项目背景
**油田中心区的低压电网担负着中心区1.8万多户居民、局办公楼、22个厂处级单位以及地方驻油田办事机构的供电任务。
该电网包括34座低压配电室，55台变压器，60余km主电缆线路，分线路约280km。
大部分供配电设施运行10年以上，老化严重，故障频繁，近几年，每年因故障造成停电次数达120次以上，抢修费用200多万元。
目前，电网故障诊断仍采用人工定期巡检方法，时间滞后，在一定程度上影响了办公及居民生活用电，烧毁电器事故时有发生。
加上缺乏有效监控手段，电网参数经常脱离经济区，网损居高不下。
当前，电脑、液晶电视等高档家电已经进入普通百姓家，居民对供电质量及可靠性提出了更高要求。
国家节能减排的大环境对降低网损提出了新任务。
在电网迅速发展，用电负荷日益增长，电力系统的运行、调度和管理日益复杂的今天，为保证电网的安全经济运行，在具有较为完整的供电网络的同时，应当具有对电网的主要设备、设施运行参数和状态及时监控的有效手段。
为此，**油田五一社区和江苏工业学院合作开发了本项目，该项目设计研究的主要内容包括：
系统方案的确定，硬件的选配和应用软件的开发。
该项目成果，可以对低压电网进行有效监控，对提高供电质量和安全性、降低电网损耗具有积极意义，将会产生良好的社会效益和经济效益，推广应用前景广阔。
二、系统开发方案
项目组对小区现有的供电配电系统进行了调查和分析，并对国内其他供电配电系统进行了学习和研究，确定了项目实施的方案，即对关键配电所的用电供电数据安装数据采集设备；采集一定时间的历史数据作为数据积累，为后期分析提供数据基础；对关键配电所的供电配电设备进行报警以及反馈控制，减少平均故障处理时间MTTF；对小区供电配电系统所采集的数据实现可视化平台，便于直观显示小区当前供电配电情况。
在电力监控系统的通信中，可以采用数传电台、GSM短消息、光纤接入和GPRS通信等方式。
数传电台的优势是除了每年的频点费以外，平时运行无需额外费用；缺点是受地形、气候的影响较大，造成系统的可靠性、实时性较差，无法主动上报。
GSM短消息方式可以实现主动上报；缺点是按条收费，运行费用高，而且在节假日短消息中心服务器繁忙时延时相当长。
光纤通信稳定可靠，但是施工成本投入大、扩展性差、设备维护方面不方便。
而GPRS通信则避免了以上问题。
通用分组无线业务GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新无线数据传数业务，目的是给移动用户提供高速无线IP或X.25服务。
GPRS理论带宽可达171.2Kbit/s，实际应用带宽大约在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。
GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。
GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。
GPRS永远在线，按流量计费，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。
特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。
本系统采用基于GPRS的方式进行设计制作。
本系统主要由三大部分构成：
现场的数据采集和发送、服务器端的数据接收和存储，以及客户端的数据显示和分析报警。
系统方案构架如图1-1所示。
其中，服务器端要配置一个固定的IP地址。
本系统开发环境：
WindowsXPSP2——操作系统平台；
Ms.VC++6.0——主要开发软件；
Ms.SQLServer2005——数据库开发平台；
Adobe.PhotoShop7.0——图形图像处理用；
Ms.VSS6.0（VisualSourceSafe）——软件版本控制；
Ms.Visio2003——设计分析阶段用；
Ms.VsAnalyzer6.0——调试优化用；
Ms.VisualPC4.0——虚拟操作系统，模拟网络环境用。
第二章数据采集系统的设计
第一节数据采集系统工作模型
根据项目方案,数据采集模块是整个系统运作的基础，用于从现场采集实时数据。
五一社区的多座变电配电站，分布在不同小区。
与有线传输方案相比较，采用无线数据传输方案可以节省布线费用和维护费用。
在使用无线传输方案中，需要额外增加无线通讯模块GPRSDTU；并且由于使用中国移动公司的GPRS网络，需要每月支付流量费用。
本系统集成的电力参数测量仪是集数据采集、电网参数分析、通讯等功能于一体的新一代配电测控设备,适用于低压电网系统的参数监测及无功补偿的控制,可为电网的安全经济运行、负荷的合理分配、电能质量的改善等提供完善而精确的数据依据。
由电流互感器、电力参数测量仪和GPRSDTU传输终端组成，各部分的功能如下：
电流互感器——用于电流信号的测量。
电力参数测量仪——显示用户的电力参数，将用电信息通过采集器传输到GPRS传输终端。
GPRSDTU——收集电力参数传送到数据中心，它连接监控端的服务器和电力参数测量仪表。
图2-1是数据采集系统的工作模型。
该模型同时依赖于移动的GPRS网络和联通网络，所以在设计目标中，一个子目标是减少带宽占用以保证系统的可靠性和降低流量费用。
由于小区变电站较多，初期建设有3个，本期扩展为24个，可以预期随着系统的扩大所监控的变电站将随之增加。
为此数据采集系统采用了服务器被动呼叫方式，即由现场端主动发出连接服务器的请求，待连通以后再传送数据并且接收服务器端控制消息。
该模型需要服务器始终保持监听状态，并且一旦有数据传入，则必须以尽快的速度完成通讯任务。
油田的监控服务器申请了固定IP地址，以保证每次开机服务器在Internet中的IP地址保持不变。
在各个现场的DTU中使用EPROM保存了服务器的IP地址，这样即使现场仪表断电也能够在再次上电以后找寻到服务器。
DTU在系统中的作用是起到终端驱动的作用，在工作过程中，DTU向服务器发出握手信号，服务器向该DTU发出“读电表数据”指令，DTU随即向电表发出该指令，并从电表获得数据，回传给服务器。
为增强系统的可靠性，在系统工作过程中，将服务器能够同时打开的网络连接不超过5个（最大值），设若同时有5个以上的DTU终端发出握手信号，则第一个DTU将接通，后续4个DTU将等待一个超时时间（50ms），而后来的DTU终端将连接失败。
DTU端则若超时则重发数据包。
这种超时机制，减少了网络冲撞丢包的概率，也增加了网络传输的可靠性。
第二节网络处理模块设计
在数据采集系统中，上位机（服务器端）负责侦听DTU的握手信号，采集DTU上传数据，通过报警处理软件的接口存入数据库，并获得报警和控制信号。
上位机的程序设计中最重要的是保证数据传输的可靠性。
若是同时有多个DTU在发送数据，就有可能造成数据冲撞，从而丢失数据包，甚至更严重的是数据错误。
在控制系统中错误的数据将有可能导致系统误操作，例如发出误报警。
在系统方案的设计中，已经考虑到减少数据冲突的各种途径。
其基本思路是将DTU的数据传输设置为自主行为，即DTU开机（上电）后定时（60s轮询时间）主动和服务器连接。
因为数据通信时间（10ms级）与DTU的轮询时间（60秒）比较是一个非常小的数字，因此多台DTU在同一个轮询时间内发生冲撞的概率仅为：
可以算是一个小概率事件。
但是在一个特殊场景中，DTU发生冲撞的可能性大大提高了。
设想在某小区供电线路上具有3~4个变电站，当该小区推阀上电的时候，这3~4个变电站的DTU可以说是同时上电的。
因为其初始化过程相似，因此极有可能这些DTU在相近的时间内发出握手信号，从而造成数据冲撞。
为解决这个问题，系统使用了一个线程池来处理网络事件，如图2-2。
硬件平台所确定的标准是Intel双核CPU，在软件初始化的时候开辟了4个侦听线程。
当DTU发出握手信号时，就产生了一个网络连接。
这样服务器的一个空闲的线程便开始处理接收网络信息。
若是在该连接处理完毕前有了第二个DTU的握手信号，则激活第二个空闲的线程进行处理。
因为CPU为双核CPU，所以同一时刻可以同时进行2个线程的工作。
为了操作系统调度的需要，软件开辟了4个工作线程。
在图3中可以看到，该模型可以同时处理2个网络连接，并且容许5个网络连接排队。
这样只要同时上传数据的DTU在7个以内，就可以不丢失数据。
若是超过7个，则多余的连接将失败。
在处理网络连接时，系统首先根据DTU上的手机SIM的号码判断该DTU归属变电站，然后根据该变电站的ID号检索其电表的ID,并向电表发出读数据指令。
DTU接收到测量命令以后，向智能仪表转发该命令。
智能仪表立即返回该测站点的数据。
DTU在收到数据以后，立即通过网络连接发送给服务器。
服务器收到数据以后，向数据上传模块传递本次测量的值。
第三节数据处理模块设计
数据处理模块接收网络处理模块所接收到的数据，并且检验该数据的有效性；组织并压缩发向电表的读数据指令；解压检验从电表反馈的数据；根据报警模块的指示向指定手机发送报警短信；接收报警短信的反馈并依次修改报警状态。
在GPRS网络中，经常会出现非系统中节点所发出的数据报，若对这些数据报进行处理，则将占据系统网络处理线程，可能导致丢包。
为提高系统的可靠性，对这些数据报的最佳处理方法就是直接抛弃。
如图2-3所示，系统中维护着一张SIM卡号快表（黑名单表），以手机SIM卡号作为识别标志，在握手信号到来时，首先检索该快表，若对方SIM为快表中一项，则直接返回给网络处理线程连接失败信号。
若SIM卡号非快表中一项，则检索数据库中保存的测站表。
若该SIM卡号非测站表中成员则将该SIM卡号加入黑名单，并返回连接失败信号。
若该SIM卡号为测站成员，则为该测站生成读数据指令，返回连接成功信息，继续后续过程。
DTU收到测站发出的读数据指令以后，将指令转发向智能仪表。
智能仪表读取当前数据，回传给DTU，DTU将数据以压缩格式回传给服务器。
服务器收到DTU上传的压缩数据以后，首先对数据进行解压，然后检查数据有效性，如图2-4所示。
若数据不属于正常范围，则表示出现数据异常，说明在采集传输过程中出现了故障。
系统记录该异常事件，并将该站点的SIM卡号记入黑名单，暂停对该站点的任何操作一段时间。
被禁止的有效站点具有一个解禁期，在进入黑名单时，被设置为一个常量值（禁闭期），每隔2秒该值将被减1，当解禁期值为0时，表示期满可以恢复使用。
该机制既减缓了因信道拥挤紊乱导致服务器负荷增加，也为远程DTU提供了一个错误重连的机会。
第三章数据存储与报警判断
数据存储和报警判断逻辑具有动态变化的特点。
对于系统中所采集的数据，需要保存趋势数据将供后继工作使用，因此保存在数据库中的数据必须是解码格式。
当前项目中所关注的测站数据主要集中在电压和电流上，考虑到将来系统的迁移性，可能会修改当前数据库中存储的表结构。
在客户端显示数据及曲线时，客户端并不需要一个测站所有的数据，相反地，客户端可能需要一些变换过的数据。
例如在电表端所测量的电压值是相地电压，而在客户端显示时，用户所关心的是相间电压，这中间需要做一个数据变换。
对于报警控制，由于在使用过程中，随着系统的不断完善和报警策略的不断优化，报警模块将向专家系统发展。
这个过程是动态的，也是不断调整的。
在使用过程中，不断地有新的报警策略加入到报警系统中，也有部分报警策略被更新或淘汰。
第一节创建专题数据库
根据需求分析，系统在创建的数据库中使用以下数据表：
1．核心表是“站点信息”表，其中主要表项的含义为：
●DEV_ID设备号
●SIT_SIMCODEDTU上的手机卡号
●SIT_NAME_L测站全称
●SIT_NAME_S测站简称
●WATCHER_SIM值班员手机号码
●MASTER_SIM队长/负责人手机号码（二次报警用）
●SIT_MENO测站说明
●SIT_CONT变压器容量
●STDI标准电流
●ILH,ILL，电流量程上限，量程下限
●IHW,IHWS,IHWT电流报警高限，电流报警状态，电流报警时间
●IHACK,IHCANCEL,IHDISABLE，IHW2电流高报确认，高报取消，高报忽略，二次报警等
表中保存了测量量如电流电压电功等上下限，用于在客户端绘图时限位。
除此以外，数据表中还对每个报警保存了报警线，报警时间，报警状态，报警处理等多项信息。
2．系统采集到的数据存放在“历史信息”表中。
“历史信息”表中各项含义如下：
●DEV_ID设备ID号
●dt采样时间
●IA,IB,IC,IZ等各相电流及其他数据
由于“历史信息”表存放海量数据，因此为了检索方便，对“历史信息”表的时间dt做了索引，这样在检索“历史信息”的时候，可以大大提高程序执行的效率和速度。
3．“报警历史记录”中记载了各种报警的发出时间和处理，表中各项含义如下
●DEV_ID设备ID号
●WT报警事件产生时间
●WType报警方式，恒为1，表示短信通知报警对象
●Value报警值，文本方式，表示发送短信对象内容。
●Solutio后续处理，文本方式，表示对该报警的后续处理链。
4．“系统设置”是一个重要的表，其中存放各个系统数据。
表结构中“名称”表示系统设置变量的名称，“值”表示系统设置的参数值。
表内内容指定了整个系统的一些相关设置。
这些设置可以通过服务器设置程序进行修改，从而改变系统的运行模式和参数
5．“事件簿”类似于报警记录，它记载了系统中各项关键事件，如管理员登录，站点掉线，发现数据错误，修改密码等。
该“事件簿”作为只读表单，对系统异常时进行诊断分析非常有用。
“事件簿”中各个表项含义：
●Time事件发生含义
●Action事件名称
●Context事件上下文。
该上下文由填充“事件簿”的应用程序所填写，针对不同点事件可以记录不同的内容。
6．“黑名单”表是为了提高网络处理的效率而设置的。
当新连接到来时，系统首先检查黑名单表，若是黑名单成员则直接断开连接。
这样就提高了网络处理效率。
黑名单表中各表项的含义：
●IP黑名单的远程IP地址
●SimCard黑名单的Sim卡号。
DTU的上传协议中包含了卡号信息，若是该测站硬件产生故障或者网咯冲突可以暂时关入黑名单一个周期。
这样减少了干扰的可能。
●EventTime黑名单加入时间
●ID设备号
●Event黑名单加入原因
●DeadTime禁闭期。
每2秒递减，为0时从黑名单中删除。
若DeadTime为-1则表示永久禁闭。
目前“黑名单”表的内容是由系统执行过程中动态产生的。
也留下了应用程序手工添加的接口，以便于将来扩展本系统，增加高级管理功能时可以人工编辑该黑名单。
第二节数据接口和报警判断接口所实现的几个特点
一、使用ODBC以实现应用程序接口。
ODBC是一种跨平台多宿主的数据库接口，绝大多数商用数据库软件均支持ODBC。
使用ODBC作为应用程序端接口可以增强应用程序之间共享数据的能力。
ODBC作为编程接口也提供了远程数据库存取的可能性。
应用程序端使用开放性数据库连接（ODBC）作为统一编程接口的另外一个优点是数据库自己管理数据的一致性，由于可以选择具有数据执行保护的商用数据库，可以允许数据采集程序向数据库写入数据和监控端从数据库读入数据同时进行而不至于发生冲突，提高了数据的可靠性。
二、使用存储过程作为数据存储的中间层。
存储过程是一组数据库操作、查询语句，在不同的数据库平台中有类似的行为，在SQLServer中称为存储过程，在Oracle中被成为预编译查询。
通常存储过程可以保存为文本文件形式，在第一次执行的时候被数据库系统编译并寻找最优化查询方案。
此后再次被调用、执行的时候，该方案可直接使用，不用再次编译。
这样使用存储过程既可以节省每次执行前的编译和优化时间，又便于修改文本方式下的代码。
这样当数据库表结构改变的时候，可以方便地修改存储过程，然后重新编译即可，不用修改应用程序本身的数据库结构，为数据库应用提供了一种一致性结构。
三、使用存储过程作为报警逻辑程序。
由于报警逻辑较为复杂，需要在实践应用中多次调试，因此在应用中修改的可能性也最大。
为了便于调试和修改，使用存储过程来实现报警逻辑，可以实现在线调试（JustintimeDebug，JITD）。
第三节报警逻辑的实现
一、简单报警的实现
系统需要监控电流，电压以及零序电流的值，电压过高或过低都可能击穿电器造成损失，而电流过高或者过低都可能是故障发生的表现。
零序电流则监控其高位，若零序电流过高将导致变压器电损过大。
一种简单报警的逻辑就是当所测量值高于给定高报值的时候发出高报报警。
当测量值低于高报值时，解除高报报警。
类似地，当测量值低于给定低报值时发出低报报警。
这种逻辑判断简单执行效率高，但是存在一些缺陷。
考虑一个场景，夏天的傍晚是居民小区的用电高峰期，这个时候的电流用电都比较高，可以说接近高报上限。
而居民用电也是呈现一种随机波动的曲线。
可以推测，此时将在高报线附近波动，导致反复发出高报报警和高报取消。
如图3-1所示。
这种密集报警在精确控制的时候将更加明显。
当报警线越靠近工作曲线，则因为反复进出高报区域导致密集报警会更加频繁。
一种解决方案是降低报警精度。
通过设置报警线远离工作曲线，可以减少报警，代价是牺牲精度，如图3-2所示。
另外一种方案是使用报警死区和当前报警状态来辅助报警判断。
以高报为例，设报警值为h，报警死区是da，测量值是x，报警状态是当前处于正常状态（0）还是报警状态
（1）。
报警策略是当当前状态为0并且x≥h+da时，发出高报报警并且状态修改为报警状态
（1），当当前状态为1并却x＜h-da时，发出高报报警解除并且回到正常工作状态（0）。
图3-3是使用报警死区显著减少报警次数，且不
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