1、天津大学硕士学位论文企业变配电站电力数据采集系统的研究和应用 姓名：桑雷申请学位级别：硕士 专业：动力工程指导教师：谢辉;刘九权 20030401中文摘要朝柴和思益公司电力系统的自动化程度普遍较低，主要依靠人工对电力系统运行数据进行采集，抄录数据少，且容易出错，无法实现准确的负荷分析和管理，无法保证电力系统运行的可靠性。本文对朝柴和思益公司变配电站数据采集系统网络和软件的开发进行了原理和技术上的讨论，其要点简述如下： 本文所涉及的内容采用分布、分层技术，以全电子式多功能电能表为硬件核心，开发具有自主知识产权的电力数据采集系统，利用串行通信技术和计算机数字信号处理技术，把 电力系统的安全、可靠运
2、行与数据采集系统连接为一个有机的整体，完成变配 电站电力参数测量和监视、事故记录与分析、数据存储、处理、共享等全部功能。主要工作是按多功能电能表通信规约及编程语言开发串口通信 组件和数据采集软件，并实现数据网络共享。 关键词：电力监控自动读表网络，认， ， ， ，：，、” 。 ，：，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘茎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位
3、论文作者虢抵签字嘿芦。：年月辛日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盔盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名导师签名： 锄撂 签字日期：。；年）月弓日签字目期：扣？年月日第一章绪论第一章绪论研究背景及动机朝柴、思益公司的供电电源是由市电网的系统供给，经厂内的各变配电站将电压降低为后供给各种用电设备使用。朝柴、思益公司只在市网入户处的四个变配电站内设有总值班
4、室，而大部分的车问配电室或分配电室则无人值班，基于此种现状，各无人值班的变配电室内的设备运行情况，各用电回路的电量参数（电流、电压、电度、功率、功率因数、频率等）、各回路的开关状态、是否发生故障等，在总值班室无法即时知道，只能通过运行人员定时巡视而知。 同时这些变配电站基本上是八十年代，有些甚至是六、七十年代设计水平的配电设备，由于这些设备比较坚固耐用，虽然比较落后，但还在大量地运行使用。新建配电室开关柜生产水平虽有了很大进步，但基本上还是停留在机械结构上的改进，例如电力开关柜由原来的六十年代仿苏的固定式少油断路器开关柜（一型）改进为目前的真空断路器中置式开关柜，以下开关柜由原来的固定敞开式开
5、关柜（、型）改为单元组合式或抽屉式开关柜，因而在柜体尺寸、占用面积、开关容量和保护特性等方面有了很大提高。但是这些电力开关柜仍然存在着必须到现场进行人工抄表、现场操作、定时巡视的弊端，对于各用电回路的电量参数（电流、电压 电度、功率、功率因数、频率等）、各断路器的运行状态、故障报警和故障跳闸的回路和时间等，还是无法及时准确地了解和记录，必须在各变配电室设置值班室或由值班人员进行巡视检查，而且每次抄表或分合闸操作都必须由人工到现场进行，这些不仅增加了运行成本和管理难度，同时也给这些变配电站的安全保障、经济运行、负荷分析、躲峰填谷、峰谷分时计费、经济核算、合理调度及故障的及时处理等现代化的运行管理
6、都带来很大困难。 也就是说，对于目前朝柴、思益的变配电站，不论是新建还是改造，如果不提高现有变配电设备的科技含量，仍然摆脱不了目前管理落后的现状，其出路在于必须采用现代计算机控制技术和通信技术，对这些变配电站实现遥测、遥信和遥控，以达到在远离各变配电站的总值班室能够实时监控整个变配电系统的运行情况，实现计算机现代化集中监控管理。 本课题针对朝柴、思益公司渴望实现交配电系统计算机管理的迫切要求，充分利用现有条件，通过现场改善，开发具有自主知识产权的数据采集系统，提高变配电设备技术水平，完成科学化管理的重任。研究目标第章绪论本论文主要在于探讨充分利用现有硬件条件开发相关数据采集系统，以期能达成如下
7、目标。 （）数据采集每一回路的、中、等各种实时数据（）事故报警和记录顺序事件记录上位机设定、的限值，越限报警开关量变位报警分类记录报警事件的日期和时间控制操作记录、系统设置记录、通信故障汜录越限监视（）统计 分析、报表、打印等提供计算工具，分类整理实时采集和记录所有电力参数分时计费小时、月、日、年电能统计实时数据库和历史数据库保留自定义报表格式和打印研究进行步骤本论文除致力于理论实现的可能性研究之外，主要是注重研究成果的实际应用。目前拟定的研究步骤如下： 步骤一：广泛收集现有的可应用的软、硬件相关资料、科技经验、通讯规约等，并依据低成本与功能需求原则来选定系统结构，以进行数据采集系统开发。 步
8、骤二：利用通信技术及，用编程语言设计通信组件，并根据多功能 电能表通信规约实现对全电子式多功能电能表数据的读取。 步骤三：电力数据采集系统网络设计及相关功能设计。研究的贡献本论文研究的领域着重在实现电力参数的自动采集、负荷监控管理以及统计分析功能，并且实现数据的网络共享，不仅可以提高用电的安全性、降低用电费用、减少电力需量，同时根据所提供的统计数据，随时可以掌握电力负荷状况，以便及时进行负荷调整。其主要贡献包括以下各方面： （）在企业经济效益方面的贡献第一章绪论（）迅速及时掌握朝柴、思益两个公司电力变压器、电力电缆负荷情况，做到防患于未然，及时发出报警，以便即时执行负荷切除或卸载。 （）免除人
9、工抄表的疏忽与费用支出，提高自动化管理水平。（）提供决策参考，供技术人员、财务人员分析，减少不必要的费用支出。为朝柴、思益公司的能源诊断、分析节能评估、节能方案、节能改善、财务结算、负荷调整提供依据，并对效果进行验证 （）在社会效益方面的贡献避免电厂额外发电造成的污染及浪费，根据微机记录的负荷曲线推算次日、次月电力负荷曲线，向电业部门提供准确的电力负荷预测数据，以便电力调度部门统一平衡负荷需求，保证电网的经济安全运行、降低环境污染。 第二章一串行通信控制第二章一串行通信控制通信及相关概念不同的独立系统通过线路互相交换数据，称为通信；而构成整个通信的线路便是网络。交换信息的系统若为计算机系统，则
10、称为计算机网络。通信的目的是进行数据交换，因为数据必须经过交换才能由一端传送到另一端。发送端所使用的方法就是将数据通过一定的程序与线路发送出去，接收端则按照协商好的方式将数据收集起来并保存或显示出来。数据传送计算机与设备间的数据交换 计算机与计算机之间的数据传送，都属于通信的范畴。一个完整的通信系统包括发送端、接收端、转换数据的接口及传送数据的实际信道或媒体。一般说来，发送与接收的节点称为数据终端设备（，），如个人计算机、工作站或计算机系统。数据在到达正确的目的地之前，可能需要经过一系列中间节点，这些中间节点负责数据的转送工作，以送达目的地。这些中间节点称为数据交换设备（，），如电信局的交换机
11、等。终端设备发送数据时，必须先将数据转换为电气信号，以便在线路上传递，而负责数据与电气信号转换的称为数据通信设备（，），如调制解调器。因此，计算机等设备要通信时，须先经过调制解调器将其转换为电气信号，才能送上电话线路；同样，信号由外界进入计算机时，也是先经过调制解调器将外界的电气信号进行转换，数据才会进计算机。与间的数据传输线路通常使用一端口，而与间的媒体则包括了双绞线、同轴电缆、光纤或无线电等。通过上述的机制，设备与设备间、计算机与计算机间或是计算机与设备便可以互相传输数据。不仅可以通过线路的联系进行数据的传输，也可将两部设备进行直接连接，不需经过调制解调器及交换设备的服务，就可进行数据的交
12、换。这种方式在传输距离较短时比较适用。 随着个人计算机的迅速发展，个人计算机成为信息传输的良好工具。数台计算机可以连接成一个速度很快的网络系统，互相交换数据。 现在是一个自动化的时代，许多的设备 仪表均可与计算机相连接，而借以传输数据：通过计算机的作用，自动化在生产中将会得到更加广泛的应用。通信的种类通信的方式通常可以分为两种：并行通信（）和串行通信（）。这两种不同的通信模式如图所示。篇二章一串行通信控制田两种不同的传输方式所谓的并行通信，即一次的传输量为个位（个字节）：而串行通信则是一次只传输个位（也就是一个标准电位的状态）。并行通信虽然可以在一次的数据传输中就 传输个位，但是因为数据电压传
13、输的过程中，容易因线路的因素而使标准电位发生变化（最常见的是电压衰减问题，以及信号间互相干扰问题（），因而使传输的数据 发生错误。如果传输线比较长的话，电压衰减效应及互相干扰问题会更加明显，数据的错误也就会比较容易发生。相比之下，串行通信一次只传个位，相对来说，处理的数据电压只有一个标准电位，因此不太容易把数据漏失，再加上一些防范措施，要漏失就更不容易了。 由最早的串行通信发展到现在，由于不同情况的需求，串行通信的样式也越来越多，如现在相当盛行的和一：而并行通信的发展也没有间断过。在传输距离较短的应用场合中，使用并行通信的高传输率特性可以让数据的传输更快；在部分科学仪器、医疗诊断仪器由于需要传
14、输的数据量都相当大，因此使用并行传输接口（如等）就经常见到。串行通信本课题中用到的串行通信有两种，本节将分别对其进行说明。串行通信串行通信端口（）在系统控制的范畴一直占有极重要的地位，不仅没有因为时代的进步而被淘汰，反而是在规格上越来越向其极限挑战。现在，计算机上的串行通信口（一）是标准配置，用途上则以连接调制解调器进 行通信传输最为常见。 第二章一串行通信控制图计算机上的串行通信端口一的通信端是每台计算机上的必要配置，通常含有与两个端口。过去的计算机将以引脚的接头接出而以引脚的接头将接出，现在的计算机均以引脚的接头接出所有的一通信端：。在计算机上的一均是公头，即使是引脚也是公头。通常与计算机
15、连接的设备，最简单的通信接口就是，不仅实现简单，而且价格上也便宜很多；许多的数控设备、智能仪表、 调制解调器等很多都提供一作为与计 算机通信的接口。串行通信由于串行通信的简单易用，使工业领域大量使用串行通信来进行数据传输；可是工业环境通常会有噪声干扰传输线路，在以一进行传输时就经常会受到外界的电气干扰而使的信号发生错误。为了要解决这个问题，一的通信方式就应运而生了。为了解信号的干扰情况，首先来看看如图所示的的信号 传输模式。由图可知，一的信号标准电位乃是参考地线 而来的。发送端参考接地端来发送数据；接收端则参考接地端来 还原发送端信号的 标准电位：在两个接地端同电压的前提下， 发送端与接收端的
16、信号标准电位是相同的。但若传输数据的过程中有噪声进到传输线路中，可能会如图所示。干扰的噪声信号在地线及信号上均会产生影响，原始信号在加上噪声信号后依然是传输到接收端：而地线部分的信号则被地电压给平均掉了，因此，信号便发生了扭曲，当然信号整个都不对了。 而一的信号传输方式如 图所示。一的信号将被发送出去 时会先分成正负的两条 线路，当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号；如果将原始的信号记为（，），而被分成后的信号分别记为（）及（），则原始的信号与离散的信号在由 发送端发送出去时的运算关系就如下：（，）（）一（一） 第二章一串行通信控制同样，接收端在接收到信号后，也按上式的关系将信号还原成
17、原来的样子。面如果此线路受到干扰，其情况可能如图所示。 圈的信号传输方式，图信号受干扰时的情况围的信号传输方式囝传输受干扰时的情况这时候在两条传输线上的信号会分别成为（）及（一）。如果接收端接收此信号，它必须按照一定的方式将其合成，因此合成的运算式如下： （。）（）（一）（）一（）此式与前一式的结果是一样的。所以，使用一网络可以有效地防止噪声信号的干扰。也因为此种特性，工业上的应用经常采用此种串行传输的方式。串行通信端口本节概括介绍串行通信端口的相关术语，包括引脚定义、信号、参数等。信号定义第二章一串行通信控制计算机并无法分辨所谓的数字或文字，在其内部的记录中，所有的数据都是与，任何的数据都是
18、这两个数字的组合。 所有电子仪器的基础均来自于“开”、“关”两个状态的改变，可以将它们表示为、，或是“高电位”、 “低电位”；不管表示方法如何，目的在于造成“状态的改变” 。将很多的与组合成一大串的数字序列后，就可以定义它们所代表的信息了。当然，一也会有相关的电气标准电位定义，是大家共同遵循的。（国际电信联盟）的咨询机构（国际电报电话咨询委员会）公布了规格一，之后由（美国电子工业协会）制定；很多国家都依此为模板，而日本亦饭此制定了“数据回路终端装置和数据终端装置的接口”。在此标准里，其、的规定如图所示。 圈标准电位圈原定义是十之间为，一一之间为，考虑到噪声的干扰后，可允许的范围成为之 间为，一
19、之 间为。如果标准电位落在“模糊区”，此部分的电压将使得计算机无法判断，可能会得到，但也有可能得到，如此得到的结果是不可信的，因此所有信号必须明确地落于规定的范围内才行。 在一的规范中，电压在十（一般使用”之间称为或“”，一般用途是作为。 电压在一一（一般使用一）之间称为“”或“ ”，一般用途是作为。有 时候以或更能表现出其实际状况。计算机内部的设计也是一样的，都是利用“高电位”与 低电位 的状态改变而组合成一串的数据。因此，如以一来说，信号要被传输，一定要定义所谓的或的状态；根据实际由个人计算机上的测试结果表明，计算机上的一通信端口的高电位约为伏，而低电位则约为一，如此正负的改变，被记录成与
20、的状态。因此，一串行通信以正负代表、的状 态。信息传输过程就是在传输线上不断地产生高低电位的变化，发送端造成传输线上的电压变化，而接收端则是读取此高低电位变化而还原出原始的信息。码对照表由于两台计算机之间的信息传递是在一连串的高低电位之间进行，每一个标准电位可以当成一个状态，这个状态可能是或，在一个时间上只会存在个状态，计算机 董墓一场一耘弹，平第二章一串行通信控制里面将每一个或的状态称为一个位（），而个位则形成一个字节。将个位 组合起来后，共会有种数值，其数值为一。而在计算机中有一个码对照表，用这种组合分别代表种字符（部分字符被当作句柄使用）；而通信就是交换这个字符或句柄。大部分在键盘上的按
21、键均是可见的，这些字符集中在码的前个字符内；而码对照表中的后个字符是不可见字符，在个人计算机屏幕上是看不到的，这部分的字符称为二进制（）数据。一般个人计算机或欧美仪器，均会使用到个字符，其形式几乎都是二进制的数据。工业上常用的自动控制仪器是可编程逻辑控制器（，），在其上所传输的数据几乎都是可见字符。也就是说，所传输的数据或旬柄均会落在码的前个之内，码的后个几乎没有使用。针对后个的码，日本便重新加以定义，将这些不可见字符的位置留给假名使用，日本将这组被改编过的码与原来位于之内的码合在一起制定了码。利用事先定义好的码，通信双方所传输的高低电位组合成一个字节后，便可以在码对照表中找到相对应的字符。比
22、方所传输的字节的电压信号为，这是二进制的表示方法，它是十六进制的，或是十进制的；依此数值去码对照表寻找，可以发现所代表的字符是“”，因此表现在屏幕上的便是英文字母 “”这个字符。其他的字符也是如此换算过来的。 同样，若一的接收端接收到的信号，那么就表示“ ”字符被接收到了（可参考码对照表得知），同理也可以推到其他的字符。另外要注意的是，码对照表中有部分字符是不可见的，即使接收到此字符也无法在屏幕上看到；在系统控制领域的使用上，这其中的一些字符通常被当成特殊的旬柄来用（尤其在的控制通信中更是如此），这些句柄的使用有一般性原则，通常产品设计也依照此原则。引脚意义及方向串行通信可以分为同步（）及异步
23、（）两种模式。同步式在通信的两端使用同步信号作为通信的依据；而异步模式则使用起始位（）及停止位（）作为通信的判断依据。现在则是以使用异步传输较多。异步传输只要个引脚就够了；如果要采用同步传输则需使用到老式的针引脚。本课题只使用异步传输模式。 计算机上的一，其个引脚引脚的定义如表所示。简写部分是较常见的，而其意义则与调制解调器控制有关。第二章串行通信控制表，引脚编号及意义引脚简写意义引脚载波检测（）引脚接收字符（）引脚传送字符（）引脚数据端备妥（）引脚地线（）引脚数据备妥（）引脚请求传送（）引脚清除以传送（）引脚响铃检测（）的每一个引脚都有其功能和信号流动的方向；最初的一设计用来连接调制解调器进
24、行传输，因此它的引脚定义通常也和调制解调器传输有关。以下是这个引脚的相关说明： （）：此引脚是由调制解调器控制，当电话接通之后，传送的信号是载在载波信号上面，调制解调器利用此引脚通知计算机有载波被检测到：而当载波被检测到时才可保证此时是处于联机状态。一般若计算机未收到此信号，均会响应信息，并将调制解调器挂断。（）：此引脚会将远程所传过来的数据接收进来；在接收的过程中，由于数据是以数字形式传送，可以在调制解调器的灯上看到明灭交错，此即为、交替所产生的现象，也就是电压高低变化所产生的现象。（）：此引脚将计算机所欲发送出去的数据发送出去；在发送的过程中，由于数据是以数字形式传 调制解调器的灯上看到明
25、灭交错，此即为、交替所产生的现象，也就是电压高低变化所产生的现象。（）：此引脚由计算机控制，用以通知调制解调器可以进行传输。高电位时 表示计算机己准备就绪，随时可以接收数据。（）：此引脚为地线，作为计算机与调制解调器之间的标准电位参考。两端设备的地线标准电位必须一样，否则会产生地回路（），使信号因标准电位的不同而产生偏移，也会导致结果失常。数据采用单接点（）的信号传输方式，其特点是信号电压的标准电位乃是参考地线标准电位而来，因此双方盼地线必须连接在起，以避免标准电位不同而造成数据的错误。（）：此引脚由调制解调器控制，调制解调器用这个引脚的高电位通知计算机一切准备就绪，可以传输数据过来。（）：此
26、引脚由计算机控制，用以通知调制解调器马上发送数据至计算机。 丽第二章一串行通信控制当调制解调器收到此信号后，便会将它由电话线上收到的数据发送给计算机；在此之前若有数据传送至调制解调器则会暂存在缓冲区中。（）：此引脚由调制解调器控制，用以通知计算机将欲发送的数据送至调制解调器。当计算机收到此引脚的信号，即将准备送出的数据送至调制解调器，而调制解调器则将计算机送过来的数据由电话线路送出。 表一引脚方向及意义引脚方向说明 调制解调器通知计算机有载波被检测计算机调制解调器 到计算机调制解调器接收数据计 算机 调制解调器传送数据计算机调制解调器计算机告计 算机调制解调器地线计算机调制解调器调制解调器告诉
27、计算机；一切准备就绪计算机调制解调器计算机要求调制解调器将数据送出 调制解调器通知计算机可发送数据过计算机 调制解调器 来计算机调制解调器调制解调器通知计算机有电话进来通信参数就串行通信来看，交换数据的双方利用传输线上电压改变来达到数据交换的目的，但是如何从不断改变的电压状态中解读出其中的信息就需要双方有共同约定才行。 既然是通信，双方就需要有一套共同的译码方式，不然无法了解对方所传过来电压中所代表的数据意义。因此，双方为了可以通信起见，在物理参数上必须先遵守一定的规则，这个共同的规则就是通信端口的设置参数，也就是通信端口的初始化数据。通信端口的初始化有以下几项必须设置：数据的传送速度传输双方通过传输线上的电压改变来交换数据，但传输线上电压改变的速度却是必须和接收端的接收速度要一致。通常用来进行异步传输，既然是异步传输，双方并没有一个参考的同步时钟可以当作基准；要使得双方的数据读取正常，就要考虑到传输速度一波特率（），其所代表的意义是每一秒钟所能产生的最大电压状态改变率（也就是一秒钟可以振荡的次数）。 串行通信的传输受到通信双方配备性能及通信线路的特性影响，通常将传输速度称为，指的是每一秒所传送的位数（）。异步串行传输称为（，通
