网络虚拟电力质量记录器的设计与研发.docx
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网络虚拟电力质量记录器的设计与研发
网络虚拟电力质量记录器之设计与研发
摘要
随着电力机械及相关设备应用范围的急剧增大,电能质量成为电力系统运行中的关键问题。
本系统以虚拟仪器技术为开发平台,完成常规的电能质量分析与波形显示,同时将数据通过网络通信机制上传到服务器端;采用基于小波变换的突变点检测算法,在服务器端检测短时电能质量扰动等参量,将检测终端的信号采集测量功能与服务器强大的监测分析功能通过网络有机结合,可以整体实时观察整个网络的电能情况,为提高整个电网中电能质量的网络化和智能化管理建立了基础。
若能有效的结合虚拟仪控(VirtualInstrument,VI)与因特网无远弗届的特性,则传统的监控方式将可进一步的突破,操作员只要在有个人计算机的地方即可进行系统监控、数据收集、下达控制命令等等,且可将监控系统直接架构于因特网中,故可节省监控系统的建构成本。
本论文拟利用个人计算机,在Windows的作业环境下结合LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)来发展出一个结合因特网的电力分析记录器。
论文中所采用的网络远程监控方式分别是以LabVIEWInternetToolkit建构之网页服务器、LabVIEW内建之DataSocket传输及结合DataSocket与ActiveX来作为传输架构。
论文中将针对各种方式作探讨,并说明各方式在应用上的优缺点。
为了验证所设计之网络虚拟电力质量记录器的精确度,测试结果中将所研发的虚拟电力质量仪表与FLUKE43电力质量分析仪,针对不同的设备之谐波量测结果来做比较。
并实际利用所提出的三种网络电力质量记录器来执行长时间的系统监控,测试结果验证所提方法的可行性。
关键字:
LabVIEW;记录器;DataSocket
DevelopmentofanInternet-BasedPowerQualityRecorder
Abstract
Inrecentyears,withtheextensiveusesofthepersonalcomputerandInternet,theinterestsforthedevelopmentofVirtualInstruments(VI)andthetoolsforthecomputerinterconnectionatlongdistancehadincreasedsteadily.Thisinterestismainlyduetothecostoftheexperimentallaboratoriescanbereducedandthespeedofdevelopmentcanbeaccelerated.Besides,iftheInternettechniquesandVIcanbecombinedeffectively,thenamorecomprehensivesystemforpowerqualityrecordingandmonitoringcouldbeachieved.ThisthesistriestointegratetheInternetfunctionsproposedbyLabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)intoadevelopedvirtualpowerqualityrecordertorealizetheInternet-basedreal-timemonitoring.ThreeInternetfunctionsareproposed;theyareInternettoolkitbasedwebserver,DataSocketandthecombinationofDataSocketandActiveX.Furthermore,inordertoverifytheaccuracyoftheproposedpowerqualityrecorder,testresultsbetweenFULKE43powerqualityanalyzer,andtheproposedrecorderforharmonicanalysisandpowermeasurementarecomparedinthisthesis.Testresultsshowthattheproposedrecorderscaneffectivelyrealizetheinternet-basedreal-timepowerqualitymonitoring.
Keywords:
LabVIEW;inscriber;DataSocket
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1背景简介1
1.2研究动机与目的1
1.3论文架构3
2虚拟仪表的架构3
2.1LabVIEW软件的简介3
2.1虚拟电力质量记录器之硬件架构简介4
2.2系统主要功能及工作流程5
3以DataSocket作为远程监控8
3.1DataSocket的简介8
3.2DataSocket的动作原理9
3.3DataSocket的程序介绍10
3.4DataSocket13
3.4.1客户端作执行分析13
3.4.2伺服端作执行分析15
结论17
致谢18
参考文献19
1绪论
1.1背景简介
随着电子计时和电力电子期间的发展,电力电子设备的应用越来越广泛,这些非线性电力设备使电网电压电流波形发生畸变。
同时,一位处理器为核心的各种控制设备,自动化设备对电能质量十分敏感,瞬间的电能恶化有可能导致程序混乱,从而产生重大的质量事故,因而,供电可靠越来越成为用户关心的问题,电网参数的快速,准确监测对电能质量的主力具有十分重要的意义。
因特网可说是二十世纪电机领域中最重要的发明之一,利用因特网人们可快速的交换数据,搜集数据及进行交易,藉由因特网的普及,世界将无远弗届。
然而因特网的应用不仅于电子商务及数据流通而已,如何利用因特网无远弗届的特性来进行工业自动化、系统监控等等,是很多专家学者的研究目标。
为了就是试着让生活变得更简单更快速,所以若可以研究出一套可于远程进行监视与控制的软件,将可节省许多人力及资源,且让处理时间减少许多,更让许多事变得更简便。
因计算机的快速发展,因此许多的软硬件资源可以相互运用及开发整合,这些软硬件若可结合适当的量测设备,即可在计算机端建构一监控系统,此种监控系统一般统称为虚拟仪控(VirtualInstrument,VI),若能有效的结合虚拟仪控与因特网无远弗届的特性,则传统的监控方式将可进一步的突破,操作员只需在有个人计算机的地方即可进行系统监控、数据收集、下达控制命令等等,且可将监控系统直接架于因特网中,故可节省监控系统的建构成本,如此一来,便可应用在许多不需人力的研究及远程监控的场所,诸如外层空间的研究探索、深海下的海底探测、无人研究室、地震搜救、及无人的自动化工厂。
1.2研究动机与目的
国外多电能质量的重视和研究始于20世纪80年代末,走过的10多年的发展历程。
20世纪90年代以来,发达国家十分重视电力系统的运行质量,电能参数测量仪器和电表校验装置有很大发展。
虚拟仪器的发展为我国仪器科学技术同国外的差距提供了良好契机。
越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势,因而远程虚拟仪器的研究得到了快速的发展。
研发计算机自动化人士为了克服各种软硬件连接上的兼容问题,因此对程序语言的要求因应而生,传统的语言形式因碍于其发展的时空背景,往往不能满足这些需求,故产生新的可视化、对象导向、跨平台式的语言,JavaScript、VBScript,VisualC++,BorlandC++及BorlandC++Builder,VisualBasic及LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)等等,已成为新一代的软件研发工具。
在虚拟仪控的领域中,又以BorlandC++Builder[1]与LabVIEW[2]两种语言。
LabVIEW针对数据采集,仪器控制,信号分析,信息管理和表示等任务,提供了完善的功能图标,用户只需直接调用,就可以免去自己编写程序的繁琐,而且labview作为开放性的工业标准,提供了各种接口总线和常用仪器的驱动程序,是一个通用的软件开发平台。
因此被应用在包括电子、机械、通讯、化工、工厂自动化、医学、航天等诸多的自动化领域,让用户可以提高量测、监控及生产的效率。
本文将以个人计算机为基础,研发出可结合因特网的虚拟电力质量分析仪,此一电力质量分析仪器在Windows2000操作系统之下以NationalInstruments公司开发的LabVIEW程序软件为设计平台,此软件可视个人喜好需求开发扩充出自己所需的功能[9]。
论文中利用实验室所开发出之虚拟电力质量记录器为基础,再结合LabVIEW本身所提供的网络功能来完成远程监控。
LabVIEW远程网络控制大致可分成三种,其一是利用LabVIEW提供的InternetToolkit结合CGI(CommonGatewayInterface,CGI)来建构网络服务器(WWWServer),再让远程计算机透过浏览器IE(InternetExplorer,IE)或Netscape来执行远程监控。
此种方式利用网页[10]的方式连结虚拟仪表,然后让远程的计算机能达成监控及量测到近端计算机内虚拟仪表上的数据、数据及监视画面,整个虚拟仪表的前置面板将利用网页的方式显示在网页上,远程计算机亦能点选虚拟仪表上的按钮来下达控制命令。
另一方式则是将利用LabVIEW软件内建支持的DataSocket工具来作为传输方式,此方法是直接在两端的计算机上执行LabVIEW软件程序,然后利用DataSocket传送及接收的程序档案来进行远程与近端的传输及控制。
所以我们必须在欲连接的计算机中加入DataSocket的传输程序,一端作为伺服端将数据传送出去,另一端则为客户端接收数据讯息,两端经由这样的传输模式及方法便可作双方面的沟通及监控了。
1.3论文架构
本文共分为三章,于第二章中,我们对整个LabVIEW的软件环境及电力质量分析记录器的软硬件作简介,第三章阐述在LabVIEW环境下的应用DataSocket传输方式设计远程监控系统的方法及成果。
2虚拟仪表的架构
2.1LabVIEW软件的简介
LabVIEW软件是由美国国家仪器公司(NationalInstruments,简称NI)于1986年首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念,所推出的一款软件。
虚拟仪器由计算机,应用软件和仪器硬件组成,他以微型计算机为基础,通过符合工业标准的硬件和软件来构成相应的仪器系统。
以计算机为核心,用户可以充分利用计算机运算,数据处理,数据存储,显示及连接扩展等能力来灵活地设计强大的仪器功能。
它是一种图控式的语言(GraphicalProgramming),其概念则三大部份所组成,分别为前置面板(FrontPanel)、程序方块图(BlockDiagram)及图形/连接器(Icon/Connect)。
前置面板也就是所谓的人机界面,透过此前置面板可使我们与计算机间的沟通更为简便,操作员只需将相关数值作输入并观看输出的情况,便可清楚的了解到结果。
通常我们称输入的组件为控制元,输出显示的组件称之为显示元。
每一个前置面板的组件中,均会在程序方块图中找到一相对应的程序方块,我们统称为VI的程序,利用这些组件再辅以程序方块图中一些程序型VI组件,便可完成整个程序设计。
我们可以将程序方块图想象成原始程序代码,这程序方块图的组件就如同代表程序节点般,譬如ForLoops,CaseStructures以及ArithmeticFunctions,再以流程图的观念并配合连接线的方式把所有的程序组件连接起来,如此则完成了程序方块的设计了。
其中我们可利用VI程序的线径粗细来判别各个VI程序的型态,在型态部份通常分为单一型式、数组型式及矩阵形式三种型式,所以我们可了解到程序输出及接收的状态。
当我们撰写完成一个程序并作储存动作后,便可在往后须利用到时再将此程序加入,此特性也是LabVIEW的一个主要功能。
每一个设计完成的程序也被视为一个子VI而利用在其它程序的设计上,以加速研发速度。
其观念就犹如一般我们所撰写子程序的观念。
与传统仪器相比,采用labview设计的虚拟仪器具有可变性,多层性,自助性的面板,还可以制作多层下拉面板,帮助文件等等,其虚拟的仪器操作界面生动美观,操作方便,便于修改和功能扩充。
通过对硬件接口电路控制,实现对信号进行采集,放大,滤波,隔离,信号转换等功能,并充分的利用通用计算机的大量实用软件工具及强大的信号处理能力,对信号进行各种计算,分析,判断,处理,图形或数字显示,突破了传统仪器在书库处理,显示,传输,存储等方面的限制。
2.1虚拟电力质量记录器之硬件架构简介
许多国外的电力公司相继投入电力质量监测系统计划,这整个系统包含电力质量监视器、通讯网路、信息管理系统及图形显示界面等等。
其中在现场电力监视器大多采用既有的电力质量监视装置,然后在每一个区域再利用一部服务器来轮流收集这些电力质量监视装置所收集到的数据,最后再集中到终端计算机的数据库去,作为更进一步分析之用。
这种的电力质量监测系统最大的问题在于通信网路的建构及采用既有的电力质量监控装置等等。
虽然大多数的系统均采用既有的电力质量监视装置来加快整个系统的建构,然而此举所须的建构费用将大幅提升,且最重要的是既有的电力质量监视装置常常无法完成满足电力公司的需求,故当需要再加入新功能时,电力公司便需要大幅的调整系统,甚至于更新整个系统,其成本花费甚高。
除此之外,既有的电力质量监视装置的规格常常不能兼容,也因此当系统需更换储存设备或是其它相关接口时成本也较高。
而在通信网路建构方面,若是整个电力质量监视系统建立时,需再另外建构一套独立的通信系统,故必定耗时耗钱。
此外电力质量信号的数据量一般甚大,若要建构在一般租用的通信线路上则不见的可行,因此因特网似乎是另外一个可行的通信媒介。
若能结合个人计算机来研发因特网的虚拟电力质量记录器,因虚拟电力质量记录器的功能完全由使用者自订,需更新或加入新功能时仅仅需要软件的更新,硬件上则视需求再加以更动。
此外整个系统是架构在个人计算机上。
当需要与因特网或是数据库相连接时,便会相当的容易。
当数据量过大时仅仅需要更换或加入新的硬盘,其成本甚低,且较不会有硬件或软件版本不一致的状况发生,此外电力质量的监控往往是一种长时间的数据收集与分析,如能发展出可于远程执行监控及记录的电力质量分析仪,将有助于长时间的电力质量监控,并可整合到其它的各种数据分析应用程序,作为事故类别判断,及电力质量指针统计分析与成本评估之用,则可大大提升一般电力质量分析仪的功能。
2.2系统主要功能及工作流程
根据设计要求,系统主要具备如下功能:
网络通讯:
主要完成对现场命令的发送和现场数据的接受处理。
数据发布:
作为服务器,向用户提供现场采集的数据,并按用户要求进行数据的处理。
数据存储管理:
测量诗句的存取技术。
波形分析:
进行波形分析功能。
开始运行程序之后即进入登陆界面,验证用户之后,程序正式进入工作状态,根据用户的选择,控制网络嵌入式采集设备选通相应的通道,根据用户选择执行相应的功能,诸如表源设置,数据查询管理,电量测量采集,直至用户关闭退出。
系统核心的主控模块工作基本流程如图3—1.
2.3登陆模块
登陆模块起检验合法用户,监测用户权限,起着保护系统的目的。
1其代码框图如图3—6:
用户登陆模块主要用于输入,修改现场数据采集设备的相关信息,并把相关信息存入数据库中。
表源设置代码框图如图3—7
如图,表源设置界面是由labview自带的用户输入对话框节点产生。
表源的主要信息有:
设备号,设备所在地,设备ip地址,设备端口号等。
因为同一个地区的不同设备可能会用同一个ip地址,因此设计用设备端口号来区别同一ip的不同设备,即:
对所有设备按ip号来分组,同ip地址则同组;同组内用设备号对应端口号。
由于表源设置完毕后,除了网络连接时要对设备ip地址及端口号进行查询时要用到外,一般旨在仪表更换等少数情况下方才使用,因而其结构比较简单。
2.3电量测量波形分析模块的设计
波形分析模块主要进行对采集波形信号的分析,包括谐波分析,频谱分析,他们控制,采集波形的方法和过程一样,只是对采集的波形数据进行不同的处理。
对采集的波形数据进行处理时labview的强项,他内置了相当丰富的分析处理工具,可以根据需要选用。
(1)labview的波形采集
labview通过与现场采样设备的通讯,获取设备采集的波形数据,波形数据的具体获取方法由现场采样设备控制。
Labview获取数据之后通过调用labview提供的功能强大的函数,就能非常方便的对被测信号进行显示,分析,处理。
(2)labview实现波形频谱分析
对采集的波形进行频谱分析,可以初步了解信号的频谱构成,进而了解的信号基本组成特征以及噪音的主要存在频段等。
对于频谱分析而言,分析精度的影响主要来自采集波形点的数量及采样的间隔,采样点越多,采样越均匀,频谱测试的精度就越高。
(3)labview实现谐波分析及各种主要算法对测量精度的影响
按照有关电能质量的国家标准,衡量电能质量好坏主要有五个指标:
频率,谐波,电压偏差,三相不平衡,电压波动与闪变。
可见谐波的含量对电能质量的好坏起重要作用,因此对采集波形信号进行精确的谐波分析显得相当重要。
由于电压偏差,三相不平衡都可以通过准确的测量和简单的计算得出,而谐波分析却是目前做好的一种分析途径,谐波分析也相对比较重要,是估算电能质量的重要参数。
但是去的准确的谐波分析结果也比较困难。
在对目前常见的几种分析方法加以比较的基础上,确定一个比较合适的方案用于本系统谐波分析中。
3以DataSocket作为远程监控
DataSocket为LabVIEW所研发的一种传输方式,是LabVIEW所特有的通讯协议,使用的Server也是LabVIEW软件所自行研发的Server接口,故在传输问题上没有跨界面的问题,所以在伺服端及客户端皆使用相同的URL即可,如此一来双方皆连结上DataSocketServer时,传输通道即完成,便达成双方远程传输监控的功能了。
3.1DataSocket的简介
DataSocket为LabVIEW软件所附属的一应用程序套件,其功能类似于CGI的连结方式作远程的数据传输,唯不同的则为通讯协议设定方式,依据NI公司的定义,DataSocket为一终端使用者的应用程序套件,其目的为『藉由URL网址通讯的方式,来进行量测与自动化连结的应用。
并可在近端撷取数据,透过简单的网络设定传递至远程的计算机上,且不被通讯协议、程序语言及操作系统等功能与技术而受限。
』,由于CGI的方式会受限于低阶的通讯协议,所以在DataSocket的发展中将省略CGI中繁琐的TCP/IP的低阶通讯协议,并可在数据传输中将传输的数据格式从简易字符串或数值传输提升至整数、浮点、字符串、布尔以及进阶的矩阵状态,可见在DataSocket的传输方式中可不受低阶通讯协议的限制,不需再担心不同型态的数据传输问题。
在DataSocket的应用套件中,包含了两个部份:
一为DataSocket服务器(DataSocketServer),另一则为DataSocket应用程序设计界面(DataSocketApplicationProgrammingInterface,API),其中DataSocketServer是一种可以独立动作的应用程序,在DataSocketServer启动后,可以掌握客户端(Client)连结的数目及所连结的程序总数,在客户端部份其动作又可分为写入及读出,然而写入则称之为DataSocket公布者(DataSocketPublishers),读出则称之为DataSocket订阅者(DataSocketSubscribers),不管客户端为写入或读出,我们皆可直接的执行动作,不须设定低阶的通讯协议,因为DataSocket会自动的调整低阶的网络设定、数据传递的封包及客户端所要求的动作。
于DataSocket的客户端中,DataSocketAPI与DataSocket服务器的连结则为相当重要的一环,因为API可于下列的环境下所使用:
1.1.LabVIEWVIs
1.2.LabWindows/CVIC函式库
1.3.ActiveX控制元
1.4.JavaBean由于API不属于LabVIEW软件中的应用程序,所以在实际操作设计上会较显得复杂许多。
3.2DataSocket的动作原理
DataSocketAPI为定义一个数据传递通讯之协议,简称为DSTP(DataSocketTransferProtocol),应用在LabVIEW的DataSocket环境程序里,其可视为如同HTTP或FTP的档案传输观念,宣告的方式在一般的HTTP及FTP的方式则如
Http:
//www.isu.edu.twftp:
//www.ee.isu.edu.tw/load/data.pdf
然而在DataSocketURL中则是dstp:
//localhost/wave表示应用程序执行自己计算机端服务器上的wave数据传送。
然而在DataSocketAPI亦可执行下列不同形式的数据:
1.HTTP服务器上的数据
2.FTP服务器上的数据
3.近端(主机)上的数据
4.在OPC服务器上的数据项
5.在DSTP服务器上的数据并且可读取
6.一般文字
7.电子表格(Excel)
8.wave声音档案
在DataSocket使用上,通常整体区分为两大部份,一为DataSocket服务器,另一则为DataSocket客户端,DataSocket客户端又可将数据的处理模式区分为公布者及订阅者,其实公布者并非直接的传递数据到订阅者端,而是经由DataSocket服务器之协议才可执行,所以在我们要传输的同时则需先将DataSocket的服务器打开,因为传输的方式为双方连结至伺服端,如此才能让公布者与订阅者相户连结资料,以达到连结的功能。
3.3DataSocket的程序介绍
我们已知DataSocket的传输方式为由DataSocket的客户端连结至DataSocket服务器如图3.1,在DataSocket客户端中,首先需由Function中的Communication内的DataSocket的组件工具中选取我们将完成连结的VI如同图3.2所示。
图3.1DataSocket之Server
图3.2各D
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