关口电能表远程在线监控系统的软件设计与实现

2013-08-24李学军丁富强

科技传播 2013年4期

郑罡，李学军，常强，丁富强，杨洪

1.河南省电力公司开封供电公司，河南开封 475004

2.河南工业技术研究院，河南郑州 450047

0 引言

目前，对关口电能表进行检测的方法比较落后，通常是工作人员定期到变电站进行带电检测，无法进行全方位在线检测、故障判断、记录分析、远程诊断等操作，存在检测误差大、工作量大、易发生事故及数据统计分析难等弊端。关口电能表远程在线监控系统，是一套集现代电子技术、计算机技术与通讯技术与一体，对运行中的关口电能表进行远程全方位在线检验与检测的多功能系统。该系统充分考虑现场应用情况，对现场电能计量装置进行集中管理，用一个标准表分别对各关口电能表进行自动检测并可将测量到的信息存储、上传到远方主站系统，由主站系统对误差进行统计分析。

关口电能表远程在线监控系统分为主站系统和分站系统两个子系统。本论文主要从软件的设计与实现层面来阐述主站系统和分站系统。

1 主站子系统的设计与实现

主站系统软件通过网络通讯向分站系统发送命令来实现对分站系统的远程控制，接收分站上传的校表数据，对各电表的校表数据进行存储、分析和处理，并将结果通过显示器或打印机以图表形式显示出来。主站系统软件设计时按功能模块进行划分如下。

系统管理模块主要是对用户的电表元信息进行管理（添加、修改删除），其中电表元信息包括所属变电站名称、电表编码、三相电压、三相电流、相位角，校验误差、额定电压额定电流、电表等级、电表常数、电压电流档位等信息；对操作员及及其操作记录进行管理包括对操作员的添加、权限设置及删除。

分站模块是在主站和分站在建立网络通讯之后，主站向分站发送命令来对分站进行控制。主要命令包括：

1）设置定时、即时校表命令，设置定时校表命令主要通过选择需要校验的电表序号、确定定时检验时间以分（时、日、周、月）为单位，以及检验的次数、脉冲数来对分站进行设置；分站接收到正确命令后，开始定时检验，并返回通讯结束命令。设置即时校表命令主要通过设置检验次数、脉冲数来对分站进行设置；分站接收到正确命令后，开启即时校验，并返回通讯结束命令；

2）读取分站校表信息命令，读取分站校表信息命令分为读取历史校表信息命令和读取即时校表信息命令。读取历史校表信息命令时可以日趋来选择性读取校表数据也可全部读取历史校表信息，读取即时校表信息是在通过主站设置即时校表命令，且分站完成该即时校表后，可执行该命令来读取。

数据浏览模块包括对校表信息浏览和对分站电表信息的浏览。浏览校表信息又分为浏览分站抄收的历史校表信息和浏览分站抄收的即时校表信息。在浏览校表信息过程中可对校表信息进行保存和打印。内容包括：安装序号、三相电压、三相电流、相位角、误差、校验次数、校验脉冲数、校验时间等信息。在浏览清单中，如果有超过用户设定的误差范围的电表，则此记录以红色高亮显示。

校表数据查询和分析模块，分校表数据的查询和误差统计分析两部分。查询校表数据可按日期和电表两种方式进行查询，按日期查询是按已抄校表数据的日期进行浏览，按电表查询可分别根据用户电表的安装序号、用户名称、电表出厂号、用户地址来查询某一时段内该用户所有已抄电表的校表数据。

误差统计和分析可根据需要选择相应的电表表号（安装序号）、电表厂号、用户地址，并选定误差统计的日期范围来显示误差统计曲线如图1 所示。误差统计与分析分按日期进行统计和按负荷率进行统计两种方式。若“按日期统计”，则显示该电表在选定日期范围内所有的按日期统计的误差曲线，以日期时（日）为X 轴，误差E%为Y 轴绘制误差曲线；若“按负荷率统计”，则显示该电表在选定日期范围内所有的按负荷率统计的误差曲线，以负荷率（Ib%）为X 轴，误差E%为Y轴绘制误差曲线。由于误差值比较小，为了更清晰显示统计图形，所取误差值扩大为原来的100 倍。

图1 按日期统计误差曲线图形

2 分站子系统设计与实现

分站子系统是通过使用一个标准电能表对变电站需要检测的电能表进行校验，并将校验数据上传至主站软件。分站子系统按功能划分为电表信息管理模块、校表模块、回路状态检查模块、校验记录查询模块四个模块。

电表信息管理模块，主要对变电站的关口电能表的元信息进行管理，包括电表的添加（删除、修改）。其中元信息包括所属变电站名称、电表编码、三相电压、三相电流、相位角，校验误差、额定电压额定电流、电表等级、电表常数、电压电流档位等信息。

校表模块分为定时校表和即时校表两个子模块。定时校表子模块通过选择需要校验的电表表号、确定定时检验时间以分（时、日、周、月）为单位，以及检验的次数、脉冲数来设置，设置完成后开启定时校验。即时校表子模块通过选择需要校验的电表表号、检验的次数、脉冲数来设置并开启即时校验。

回路状态查询模块用来检查所接表的回路状态，检查电流回路是否异常，如果出现异常，单片机发送电流回路异常命令给分站系统产生报警。回路状态显示显示回路状态的电参量包括（三相电压、电流、相位角、功率等）及电压电流矢量图。

校验记录查询模块，校验记录查询可按用户名和电表表号这两种方式查询校验数据。校验记录包括：三相电压、三相电流、相位角、误差、校验次数、校验时间、负荷率等信息及形成的电压电流矢量图。

3 系统之间的通讯方式

在关口电能表远程在线监控系统中，系统的通讯分两个层次：一是分站系统与单片机、标准表之间的通讯；二是分站系统与主站系统之间的远程通讯。

3.1 分站系统与单片机、标准表之间的通讯

在分站系统中，由于串行通信简单易行，信道成本比较低廉，且单片机、标准表可通过串口和工控机进行通讯，因此采用串口对单片机、标准表进行通讯。

由于同一进程的所有线程共享进程的虚拟地址空间，进程中的线程并行执行，每个线程的CPU 时间由系统划分，系统为每个线程分配一个CPU 时间片，某个线程只有在分配的时间片内才有对CPU 的控制权。实际上，同一时间只有一个线程在运行，系统不停在各个线程之间切换，所以可实现多个线程同时访问同一个对象的情况。串口通讯对每个串口对象只提供一个缓冲区，即发送接收都要用到一个这一个缓冲过去，如果一个线程在未完成对某一大尺寸全局变量执行读操作时，另一个线程又对该变量执行写操作，那么第一个线程读取的变量可能是一种修改过的不稳定的值，所以必须建立线程同步，使一个时刻只能执行一种线程操作，一个线程必须等待另一线程结束才开始。这样便能达到多线程的目的。

在分站系统中将多线程与串口通讯结合起来，从而实现分站与单片机、标准表之间的通讯。通讯过程为：分站按通讯协议向标准表、单片机发送执行命令，标准表、单片机依照相应命令执行相应操作，并将执行结果返回分站系统。

3.2 分站系统与主站系统之间的通讯

分站与主站之间的通讯方式为网络通讯。在网络通讯中网络连接分为长连接和短连接，所谓长连接，是指在一个TCP连接上可以连续发送多个数据包，在TCP 连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发送检测包来维持此链接；而短连接是指通信双方有数据交互式，就建立一个TCP 连接，数据发送完成后，则断开此TCP 链接。其实长连接是相对短连接而言，也就是长时间保持主站和分站之间的链接状态。在该系统中，网络通讯使用长连接进行网络连接。

在发送和接收数据时采用同步方式进行，即报文发送后等待接收返回报文，该系统使用同步方式建立主站与分站之间的网络通讯。以读取分站时钟为例来说明主站与分站之间的网络通讯过程。首先主站与分站建立网络连接，在建立网络连接后，主站向分站发送读取分站时钟命令；然后分站接收到该命令后，向主站返回分站的时间，最后，通讯结束，通过心跳包来维持主站和分站之间的长连接。