關口電能表遠程在線監控系統的軟件設計與實現

鄭 罡，李學軍，常 強，丁富強，楊 洪

1.河南省電力公司開封供電公司，河南開封 475004

2.河南工業技術研究院，河南鄭州 450047

0 引言

目前，對關口電能表進行檢測的方法比較落后，通常是工作人員定期到變電站進行帶電檢測，無法進行全方位在線檢測、故障判斷、記錄分析、遠程診斷等操作，存在檢測誤差大、工作量大、易發生事故及數據統計分析難等弊端。關口電能表遠程在線監控系統，是一套集現代電子技術、計算機技術與通訊技術與一體，對運行中的關口電能表進行遠程全方位在線檢驗與檢測的多功能系統。該系統充分考慮現場應用情況，對現場電能計量裝置進行集中管理，用一個標準表分別對各關口電能表進行自動檢測并可將測量到的信息存儲、上傳到遠方主站系統，由主站系統對誤差進行統計分析。

關口電能表遠程在線監控系統分為主站系統和分站系統兩個子系統。本論文主要從軟件的設計與實現層面來闡述主站系統和分站系統。

1 主站子系統的設計與實現

主站系統軟件通過網絡通訊向分站系統發送命令來實現對分站系統的遠程控制，接收分站上傳的校表數據，對各電表的校表數據進行存儲、分析和處理，并將結果通過顯示器或打印機以圖表形式顯示出來。主站系統軟件設計時按功能模塊進行劃分如下。

系統管理模塊主要是對用戶的電表元信息進行管理（添加、修改刪除），其中電表元信息包括所屬變電站名稱、電表編碼、三相電壓、三相電流、相位角，校驗誤差、額定電壓額定電流、電表等級、電表常數、電壓電流檔位等信息；對操作員及及其操作記錄進行管理包括對操作員的添加、權限設置及刪除。

分站模塊是在主站和分站在建立網絡通訊之后，主站向分站發送命令來對分站進行控制。主要命令包括：

1）設置定時、即時校表命令，設置定時校表命令主要通過選擇需要校驗的電表序號、確定定時檢驗時間以分（時、日、周、月）為單位，以及檢驗的次數、脈沖數來對分站進行設置；分站接收到正確命令后，開始定時檢驗，并返回通訊結束命令。設置即時校表命令主要通過設置檢驗次數、脈沖數來對分站進行設置；分站接收到正確命令后，開啟即時校驗，并返回通訊結束命令；

2）讀取分站校表信息命令，讀取分站校表信息命令分為讀取歷史校表信息命令和讀取即時校表信息命令。讀取歷史校表信息命令時可以日趨來選擇性讀取校表數據也可全部讀取歷史校表信息，讀取即時校表信息是在通過主站設置即時校表命令，且分站完成該即時校表后，可執行該命令來讀取。

數據瀏覽模塊包括對校表信息瀏覽和對分站電表信息的瀏覽。瀏覽校表信息又分為瀏覽分站抄收的歷史校表信息和瀏覽分站抄收的即時校表信息。在瀏覽校表信息過程中可對校表信息進行保存和打印。內容包括：安裝序號、三相電壓、三相電流、相位角、誤差、校驗次數、校驗脈沖數、校驗時間等信息。在瀏覽清單中，如果有超過用戶設定的誤差范圍的電表，則此記錄以紅色高亮顯示。

校表數據查詢和分析模塊，分校表數據的查詢和誤差統計分析兩部分。查詢校表數據可按日期和電表兩種方式進行查詢，按日期查詢是按已抄校表數據的日期進行瀏覽，按電表查詢可分別根據用戶電表的安裝序號、用戶名稱、電表出廠號、用戶地址來查詢某一時段內該用戶所有已抄電表的校表數據。

誤差統計和分析可根據需要選擇相應的電表表號（安裝序號）、電表廠號、用戶地址，并選定誤差統計的日期范圍來顯示誤差統計曲線如圖1 所示。誤差統計與分析分按日期進行統計和按負荷率進行統計兩種方式。若“按日期統計”，則顯示該電表在選定日期范圍內所有的按日期統計的誤差曲線，以日期時（日）為X 軸，誤差E%為Y 軸繪制誤差曲線；若“按負荷率統計”，則顯示該電表在選定日期范圍內所有的按負荷率統計的誤差曲線，以負荷率（Ib%）為X 軸，誤差E%為Y軸繪制誤差曲線。由于誤差值比較小，為了更清晰顯示統計圖形，所取誤差值擴大為原來的100 倍。

圖1 按日期統計誤差曲線圖形

2 分站子系統設計與實現

分站子系統是通過使用一個標準電能表對變電站需要檢測的電能表進行校驗，并將校驗數據上傳至主站軟件。分站子系統按功能劃分為電表信息管理模塊、校表模塊、回路狀態檢查模塊、校驗記錄查詢模塊四個模塊。

電表信息管理模塊，主要對變電站的關口電能表的元信息進行管理，包括電表的添加（刪除、修改）。其中元信息包括所屬變電站名稱、電表編碼、三相電壓、三相電流、相位角，校驗誤差、額定電壓額定電流、電表等級、電表常數、電壓電流檔位等信息。

校表模塊分為定時校表和即時校表兩個子模塊。定時校表子模塊通過選擇需要校驗的電表表號、確定定時檢驗時間以分（時、日、周、月）為單位，以及檢驗的次數、脈沖數來設置，設置完成后開啟定時校驗。即時校表子模塊通過選擇需要校驗的電表表號、檢驗的次數、脈沖數來設置并開啟即時校驗。

回路狀態查詢模塊用來檢查所接表的回路狀態，檢查電流回路是否異常，如果出現異常，單片機發送電流回路異常命令給分站系統產生報警。回路狀態顯示顯示回路狀態的電參量包括（三相電壓、電流、相位角、功率等）及電壓電流矢量圖。

校驗記錄查詢模塊，校驗記錄查詢可按用戶名和電表表號這兩種方式查詢校驗數據。校驗記錄包括：三相電壓、三相電流、相位角、誤差、校驗次數、校驗時間、負荷率等信息及形成的電壓電流矢量圖。

3 系統之間的通訊方式

在關口電能表遠程在線監控系統中，系統的通訊分兩個層次：一是分站系統與單片機、標準表之間的通訊；二是分站系統與主站系統之間的遠程通訊。

3.1 分站系統與單片機、標準表之間的通訊

在分站系統中，由于串行通信簡單易行，信道成本比較低廉，且單片機、標準表可通過串口和工控機進行通訊，因此采用串口對單片機、標準表進行通訊。

由于同一進程的所有線程共享進程的虛擬地址空間，進程中的線程并行執行，每個線程的CPU 時間由系統劃分，系統為每個線程分配一個CPU 時間片，某個線程只有在分配的時間片內才有對CPU 的控制權。實際上，同一時間只有一個線程在運行，系統不停在各個線程之間切換，所以可實現多個線程同時訪問同一個對象的情況。串口通訊對每個串口對象只提供一個緩沖區，即發送接收都要用到一個這一個緩沖過去，如果一個線程在未完成對某一大尺寸全局變量執行讀操作時，另一個線程又對該變量執行寫操作，那么第一個線程讀取的變量可能是一種修改過的不穩定的值，所以必須建立線程同步，使一個時刻只能執行一種線程操作，一個線程必須等待另一線程結束才開始。這樣便能達到多線程的目的。

在分站系統中將多線程與串口通訊結合起來，從而實現分站與單片機、標準表之間的通訊。通訊過程為：分站按通訊協議向標準表、單片機發送執行命令，標準表、單片機依照相應命令執行相應操作，并將執行結果返回分站系統。

3.2 分站系統與主站系統之間的通訊

分站與主站之間的通訊方式為網絡通訊。在網絡通訊中網絡連接分為長連接和短連接，所謂長連接，是指在一個TCP連接上可以連續發送多個數據包，在TCP 連接保持期間，如果沒有數據包發送，需要雙方發送檢測包來維持此鏈接；而短連接是指通信雙方有數據交互式，就建立一個TCP 連接，數據發送完成后，則斷開此TCP 鏈接。其實長連接是相對短連接而言，也就是長時間保持主站和分站之間的鏈接狀態。在該系統中，網絡通訊使用長連接進行網絡連接。

在發送和接收數據時采用同步方式進行，即報文發送后等待接收返回報文，該系統使用同步方式建立主站與分站之間的網絡通訊。以讀取分站時鐘為例來說明主站與分站之間的網絡通訊過程。首先主站與分站建立網絡連接，在建立網絡連接后，主站向分站發送讀取分站時鐘命令；然后分站接收到該命令后，向主站返回分站的時間，最后，通訊結束，通過心跳包來維持主站和分站之間的長連接。

4 結論

關口電能表遠程在線監控系統是一種集自動控制、通訊、測量等領域先進技術于一體的可靠性高、智能化程度高的自動化系統，該系統的研發符合國內無人值守變電站、智能信息化變電站的需求。

[1]范逸之，等.Visual Basic.NET自動化系統監控RS-232串行通訊[M].清華大學出版社，2006-12-05.

[2]李江全.Visual Basic串口通信與測控應用技術實戰詳解 [M].人民郵電出版社，2007-06-01.

[3]楊國富.Visual Basic.NET網絡編程案例解析[M].清華大學出版社，2009-07-01

[4]張弘宇.淺議VB.NET即時通信軟件的實現與應用[J].神州，2012(17).