高压电力设备接点温度在线监测系统设计与实现
高压电力设备接点温度在线监测系统设计与实现[20191207150639]
摘要
近几年，已在发电厂、变电站发生多起由开关、接线触点等过热引起的火灾和大面积停电事故。因此，对开关、接线触点温度等运行状态进行实时跟踪监测，为电网维护和电力生产调度提供决策依据，才能保证高压电力系统的安全稳定运行和科学调度。
本系统中，将传感器安装在高压设备接点处，传感器通过485总线或无线方式连接至网关，实现工业网络与以太网之间的数据传输。上位机运行数据采集子系统，通过网络实时获取温度数据并存入数据库，再通过网页形式显示实时温度，从而实现对高压电力设备接点运行温度的在线监测。
本课题中，主要结合Modbus协议、TCP协议、socket通信、多线程等技术，运用C/C++、Qt实现高压电力设备接点温度在线监测系统中的数据采集子系统，主要包括4个模块：数据库存取模块、传感器通信模块、流程控制与数据处理模块、人机交互模块。
关键字:高压电力温度监测
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 1
1.3 课题研究成果 1
1.4 论文结构 2
2. 相关工作 3
2.1 Modbus协议 3
2.1.1 Modbus协议简介 3
2.1.2 Modbus上的数据传输 3
2.1.3 查询响应周期 4
2.1.4 两种串行传输模式 4
2.2 TCP协议 5
2.2.1 TCP协议简介 5
2.2.2 TCP协议工作原理 5
2.3 Socket通信 6
2.3.1 Socket通信简介 6
2.3.2 Socket通信流程 6
2.4 多线程 7
2.4.1 线程简介 7
2.4.2 多线程的优点 7
2.5 Qt 7
2.5.1 Qt简介 7
2.5.2 Qt优势 8
2.6 MySQL 8
2.6.1 MySQL简介 8
2.6.2 MySQL特点 8
3. 数据采集子系统设计与实现 10
3.1 系统方案设计 10
3.1.1 开发环境 10
3.1.2 系统框架结构 10
3.1.3 系统模块设计 10
3.1.4 系统工作流程 11
3.2 人机交互模块设计与实现 12
3.2.1 人机交互模块设计 12
3.2.2 人机交互模块实现 12
3.3 数据库存取模块设计与实现 13
3.3.1 数据库存取模块设计 13
3.3.2 数据库存取模块实现 14
3.4 传感器通信模块设计与实现 15
3.4.1 传感器通信模块设计 15
3.4.2 传感器通信模块实现 16
3.5 流程控制与数据处理模块设计与实现 17
3.5.1 流程控制与数据处理模块设计 17
3.5.2 流程控制与数据处理模块实现 18
3.6 本章总结 20
4. 数据采集子系统测试 21
4.1 测试环境 21
4.1.1 硬件环境 21
4.1.2 软件环境 21
4.2 测试方案 21
4.3 测试过程与结果 22
4.3.1 图形界面测试 22
4.3.2 数据采集线程测试 23
4.4 测试总结 25
5. 总结与展望 26
参考文献 27
致谢 28
1. 绪论
1.1 课题研究背景
发电厂、变电站的电力设备的连接部位，如：母线连接点、各种开关、断路器、主变接点、穿墙套管接头、高压电缆的接头等，由于气候冷热变化、电磨损、机械操作和短路电动力引起的机械振动、材料老化、锈蚀、松动等原因造成接触不良，接触电阻增大，引起接触处发热，加剧接触表面的氧化，导致局部熔焊或接触松动处产生火花甚至放电，从而引起一次设备的起火爆炸，导致事故的发生。
近几年，已在发电厂、变电站发生多起由开关、接线触点等过热引起的火灾和大面积停电事故。因此，对开关、接线触点温度等运行状态进行实时跟踪监测，为电网维护和电力生产调度提供决策依据，才能保证高压电力系统的安全稳定运行和科学调度。
1.2 课题研究意义
目前国内对电气设备高压联接点的温升测量普遍使用示温蜡片法或红外测温仪定期逐点测温法。示温蜡片法明显过时，而红外测温仪定期逐点测温法又容易受到太阳光的背景干扰，一般需要在夜间或阴雨天到现场实测，测量误差较大，同时耗费大量人力物力，而且只能定期检测，周期较长，因漏检而发生故障的机率非常大。随着手车开关柜的更新换代，其内部的动静触头、断路器和刀闸等设备的位置越来越隐蔽，红外测温仪已很难进行人工巡查测温。又考虑到故障从发热到发生事故需要经过一段时间，完全能做到及早发现异常进行预防，减少或杜绝电力事故的发生。因此对运行高压电气设备温度实时在线监测势在必行。
1.3 课题研究成果
本系统中，将传感器安装在高压设备接点处，传感器通过485总线或无线方式连接至网关，实现工业网络与以太网之间的数据传输。上位机运行数据采集子系统，通过网络实时获取温度数据并存入数据库，再通过网页形式显示实时温度，从而实现对高压电力设备接点运行温度的在线监测。
本课题中，主要结合Modbus协议、TCP协议、socket通信、多线程等技术，运用C/C++、Qt实现高压电力设备接点温度在线监测系统中的数据采集子系统，主要包括4个模块：数据库存取模块、传感器通信模块、流程控制与数据处理模块、人机交互模块。
1.4 论文结构
本文重点介绍了高压电力设备接点温度在线检测系统中数据采集子系统的设计与实现，主要章节安排如下：
第1章首先介绍了本课题的研究背景与意义，然后概括了本课题的研究成果，最后给出了文章的组织结构。
第2章介绍了本课题的相关工作，包括Modbus协议、TCP协议、Socket通信、多线程、Qt、MySQL。
第3章首先介绍了本系统的设计方案，然后分别介绍了系统中各个部件的功能，最后给出了系统各个功能模块的实现原理及详细的实现步骤。
第4章主要对本系统的性能进行了测试。首先给出了测试方案及测试环境，然后根据不同的测试指标对系统进行了详细的测试实验，并对测试结果进行了分析与比较。
第5章对毕业设计所做的工作进行了总结，并对下一步的研究进行了展望。
2. 相关工作
2.1 Modbus协议
2.1.1 Modbus协议简介
Modbus是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，由Modicon于1979年发明，施耐德公司收购Modicon后，为了更好地推动和普及Modbus基于以太网的分布式应用，将Modbus协议所有权移交给IDA组织，并成立Modbus-IDA组织，为Modbus的发展奠定了基础。
Modbus协议定义了一个控制器能够识别和使用的消息结构，即消息域格局和内容的公共格式，而不管消息是通过何种网络进行通信的。协议还描述了一个控制器请求访问其他设备的过程，回应其他设备请求的方式，以及如何检测错误并记录。当在一个Modbus网络上通信时，每个控制器必须知道自己的设备地址，按地址识别收到的消息，如果是发送给自己的消息，设备则按Modbus协议发出相应消息。在其他网络上，包含Modbus协议的消息被转换成在此网络上使用的帧或数据包。
Modbus协议已经成为一种通用工业标准，许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。通过Modbus协议，控制器之间可经由网络相互通信，来自不同厂商的控制设备可以组成工业网络，方便集中监控。
2.1.2 Modbus上的数据传输
标准Modbus端口使用RS-232-C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。
控制器通信采用主—从方式，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。
主设备可单独与某一从设备通信，也可以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果以广播方式查询，则所有从设备不返回任何消息。Modbus协议定义了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、寄存器字节个数、寄存器起始地址、错误校验域。
从设备响应消息也遵循Modbus协议，包括设备地址、功能代码、寄存器字节个数、每个寄存器内的数据、错误检测域。如果接收消息过程中发生任何错误，或从设备无法执行特定命令，从设备将产生错误消息并作为回应。
2.1.3 查询响应周期
图2-1 主从查询响应周期
查询：查询消息中的功能代码指定了被寻址从设备要执行的动作类型。数据字节包含了从设备要执行功能的必要信息。例如功能代码03告诉从设备读保持寄存器并用寄存器的内容作为返回响应。数据段含有要告之从设备的信息：起始寄存器地址及要读取的寄存器个数。错误检测域使从设备能够验证消息内容的正确性。
响应： 从设备产生正常响应时，响应中的功能代码是对查询消息中功能代码的应答。数据段包含从设备相应寄存器中的数据：状态、寄存器值等。如果发生错误，功能代码将被修改，用于表示回应消息为出错消息，数据段则对应地包含描述此错误信息的代码。错误检测域使主设备能够验证消息内容的正确性。
2.1.4 两种串行传输模式
Modbus具有两种传输模式：ASCII和RTU，控制器可选择使用其中一种在标准Modbus网络上通信。使用了特定的模式，则必须设定相关通信参数：波特率、校验方式等，同一Modbus网络上的所有设备都必须被设置为具有相同的传输模式和通信参数。
(1)ASCII 模式
当控制器被设置为采用ASCII模式通信时，消息中每个8Bit字节作为一个ASCII码（两个十六进制字符）发送。采用这种方式可使字符发送的时间间隔达到1秒而不产生错误。
代码系统
· 十六进制，ASCII字符0...9,A...F
· 消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成
每个字节的位
· 1个起始位
· 7个数据位，最小的有效位先发送
· 1个奇偶校验位，无校验则无
1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）
错误检测域
· LRC(纵向冗长检测)
(2)RTU模式
当控制器被设置为以RTU模式通信时，消息中每个8Bit字节包含两个4Bit 十六进制字符。采用这种方式可实现在同样的波特率下，比ASCII方式传送更多的数据。
代码系统
8位二进制，十六进制数0...9，A...F
消息中的每个8位域都是一或两个十六进制字符组成
每个字节的位
1个起始位
8个数据位，最小的有效位先发送
1个奇偶校验位，无校验则无
1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）
错误检测域
CRC(循环冗长检测)
2.2 TCP协议
2.2.1 TCP协议简介
TCP是一个端到端（Peer-to-Peer）的传输层协议，处于应用层和网络层之间。在数据传输之前，由TCP模块在运行于不同主机上的两个应用程序之间建立直接连接，通常称为虚拟连接，其后的TCP报文在此连接的基础上进行传输。TCP协议在IP协议提供的服务基础上，提供面向连接的、可靠的、全双工的数据流传输服务。
2.2.2 TCP协议工作原理
1、建立连接协议
（1） 请求端发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口，隐疾初始序号(ISN)，这个SYN报文段为报文段1。
（2） 服务器端发回包含服务器的初始序号的SYN报文段（报文段2）作为应答。同时将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。
（3） 客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认（报文段3）。
这3个报文段完成连接的建立，称为三次握手。发送第一个SYN的一端将执行主动打开，接收这个SYN并发回下一个SYN的另一端执行被动打开。
2、连接终止协议
由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送（报文段4）。
（2） 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
摘要
近几年，已在发电厂、变电站发生多起由开关、接线触点等过热引起的火灾和大面积停电事故。因此，对开关、接线触点温度等运行状态进行实时跟踪监测，为电网维护和电力生产调度提供决策依据，才能保证高压电力系统的安全稳定运行和科学调度。
本系统中，将传感器安装在高压设备接点处，传感器通过485总线或无线方式连接至网关，实现工业网络与以太网之间的数据传输。上位机运行数据采集子系统，通过网络实时获取温度数据并存入数据库，再通过网页形式显示实时温度，从而实现对高压电力设备接点运行温度的在线监测。
本课题中，主要结合Modbus协议、TCP协议、socket通信、多线程等技术，运用C/C++、Qt实现高压电力设备接点温度在线监测系统中的数据采集子系统，主要包括4个模块：数据库存取模块、传感器通信模块、流程控制与数据处理模块、人机交互模块。
关键字:高压电力温度监测
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 1
1.3 课题研究成果 1
1.4 论文结构 2
2. 相关工作 3
2.1 Modbus协议 3
2.1.1 Modbus协议简介 3
2.1.2 Modbus上的数据传输 3
2.1.3 查询响应周期 4
2.1.4 两种串行传输模式 4
2.2 TCP协议 5
2.2.1 TCP协议简介 5
2.2.2 TCP协议工作原理 5
2.3 Socket通信 6
2.3.1 Socket通信简介 6
2.3.2 Socket通信流程 6
2.4 多线程 7
2.4.1 线程简介 7
2.4.2 多线程的优点 7
2.5 Qt 7
2.5.1 Qt简介 7
2.5.2 Qt优势 8
2.6 MySQL 8
2.6.1 MySQL简介 8
2.6.2 MySQL特点 8
3. 数据采集子系统设计与实现 10
3.1 系统方案设计 10
3.1.1 开发环境 10
3.1.2 系统框架结构 10
3.1.3 系统模块设计 10
3.1.4 系统工作流程 11
3.2 人机交互模块设计与实现 12
3.2.1 人机交互模块设计 12
3.2.2 人机交互模块实现 12
3.3 数据库存取模块设计与实现 13
3.3.1 数据库存取模块设计 13
3.3.2 数据库存取模块实现 14
3.4 传感器通信模块设计与实现 15
3.4.1 传感器通信模块设计 15
3.4.2 传感器通信模块实现 16
3.5 流程控制与数据处理模块设计与实现 17
3.5.1 流程控制与数据处理模块设计 17
3.5.2 流程控制与数据处理模块实现 18
3.6 本章总结 20
4. 数据采集子系统测试 21
4.1 测试环境 21
4.1.1 硬件环境 21
4.1.2 软件环境 21
4.2 测试方案 21
4.3 测试过程与结果 22
4.3.1 图形界面测试 22
4.3.2 数据采集线程测试 23
4.4 测试总结 25
5. 总结与展望 26
参考文献 27
致谢 28
1. 绪论
1.1 课题研究背景
发电厂、变电站的电力设备的连接部位，如：母线连接点、各种开关、断路器、主变接点、穿墙套管接头、高压电缆的接头等，由于气候冷热变化、电磨损、机械操作和短路电动力引起的机械振动、材料老化、锈蚀、松动等原因造成接触不良，接触电阻增大，引起接触处发热，加剧接触表面的氧化，导致局部熔焊或接触松动处产生火花甚至放电，从而引起一次设备的起火爆炸，导致事故的发生。
近几年，已在发电厂、变电站发生多起由开关、接线触点等过热引起的火灾和大面积停电事故。因此，对开关、接线触点温度等运行状态进行实时跟踪监测，为电网维护和电力生产调度提供决策依据，才能保证高压电力系统的安全稳定运行和科学调度。
1.2 课题研究意义
目前国内对电气设备高压联接点的温升测量普遍使用示温蜡片法或红外测温仪定期逐点测温法。示温蜡片法明显过时，而红外测温仪定期逐点测温法又容易受到太阳光的背景干扰，一般需要在夜间或阴雨天到现场实测，测量误差较大，同时耗费大量人力物力，而且只能定期检测，周期较长，因漏检而发生故障的机率非常大。随着手车开关柜的更新换代，其内部的动静触头、断路器和刀闸等设备的位置越来越隐蔽，红外测温仪已很难进行人工巡查测温。又考虑到故障从发热到发生事故需要经过一段时间，完全能做到及早发现异常进行预防，减少或杜绝电力事故的发生。因此对运行高压电气设备温度实时在线监测势在必行。
1.3 课题研究成果
本系统中，将传感器安装在高压设备接点处，传感器通过485总线或无线方式连接至网关，实现工业网络与以太网之间的数据传输。上位机运行数据采集子系统，通过网络实时获取温度数据并存入数据库，再通过网页形式显示实时温度，从而实现对高压电力设备接点运行温度的在线监测。
本课题中，主要结合Modbus协议、TCP协议、socket通信、多线程等技术，运用C/C++、Qt实现高压电力设备接点温度在线监测系统中的数据采集子系统，主要包括4个模块：数据库存取模块、传感器通信模块、流程控制与数据处理模块、人机交互模块。
1.4 论文结构
本文重点介绍了高压电力设备接点温度在线检测系统中数据采集子系统的设计与实现，主要章节安排如下：
第1章首先介绍了本课题的研究背景与意义，然后概括了本课题的研究成果，最后给出了文章的组织结构。
第2章介绍了本课题的相关工作，包括Modbus协议、TCP协议、Socket通信、多线程、Qt、MySQL。
第3章首先介绍了本系统的设计方案，然后分别介绍了系统中各个部件的功能，最后给出了系统各个功能模块的实现原理及详细的实现步骤。
第4章主要对本系统的性能进行了测试。首先给出了测试方案及测试环境，然后根据不同的测试指标对系统进行了详细的测试实验，并对测试结果进行了分析与比较。
第5章对毕业设计所做的工作进行了总结，并对下一步的研究进行了展望。
2. 相关工作
2.1 Modbus协议
2.1.1 Modbus协议简介
Modbus是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，由Modicon于1979年发明，施耐德公司收购Modicon后，为了更好地推动和普及Modbus基于以太网的分布式应用，将Modbus协议所有权移交给IDA组织，并成立Modbus-IDA组织，为Modbus的发展奠定了基础。
Modbus协议定义了一个控制器能够识别和使用的消息结构，即消息域格局和内容的公共格式，而不管消息是通过何种网络进行通信的。协议还描述了一个控制器请求访问其他设备的过程，回应其他设备请求的方式，以及如何检测错误并记录。当在一个Modbus网络上通信时，每个控制器必须知道自己的设备地址，按地址识别收到的消息，如果是发送给自己的消息，设备则按Modbus协议发出相应消息。在其他网络上，包含Modbus协议的消息被转换成在此网络上使用的帧或数据包。
Modbus协议已经成为一种通用工业标准，许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。通过Modbus协议，控制器之间可经由网络相互通信，来自不同厂商的控制设备可以组成工业网络，方便集中监控。
2.1.2 Modbus上的数据传输
标准Modbus端口使用RS-232-C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。
控制器通信采用主—从方式，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。
主设备可单独与某一从设备通信，也可以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果以广播方式查询，则所有从设备不返回任何消息。Modbus协议定义了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、寄存器字节个数、寄存器起始地址、错误校验域。
从设备响应消息也遵循Modbus协议，包括设备地址、功能代码、寄存器字节个数、每个寄存器内的数据、错误检测域。如果接收消息过程中发生任何错误，或从设备无法执行特定命令，从设备将产生错误消息并作为回应。
2.1.3 查询响应周期
图2-1 主从查询响应周期
查询：查询消息中的功能代码指定了被寻址从设备要执行的动作类型。数据字节包含了从设备要执行功能的必要信息。例如功能代码03告诉从设备读保持寄存器并用寄存器的内容作为返回响应。数据段含有要告之从设备的信息：起始寄存器地址及要读取的寄存器个数。错误检测域使从设备能够验证消息内容的正确性。
响应： 从设备产生正常响应时，响应中的功能代码是对查询消息中功能代码的应答。数据段包含从设备相应寄存器中的数据：状态、寄存器值等。如果发生错误，功能代码将被修改，用于表示回应消息为出错消息，数据段则对应地包含描述此错误信息的代码。错误检测域使主设备能够验证消息内容的正确性。
2.1.4 两种串行传输模式
Modbus具有两种传输模式：ASCII和RTU，控制器可选择使用其中一种在标准Modbus网络上通信。使用了特定的模式，则必须设定相关通信参数：波特率、校验方式等，同一Modbus网络上的所有设备都必须被设置为具有相同的传输模式和通信参数。
(1)ASCII 模式
当控制器被设置为采用ASCII模式通信时，消息中每个8Bit字节作为一个ASCII码（两个十六进制字符）发送。采用这种方式可使字符发送的时间间隔达到1秒而不产生错误。
代码系统
· 十六进制，ASCII字符0...9,A...F
· 消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成
每个字节的位
· 1个起始位
· 7个数据位，最小的有效位先发送
· 1个奇偶校验位，无校验则无
1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）
错误检测域
· LRC(纵向冗长检测)
(2)RTU模式
当控制器被设置为以RTU模式通信时，消息中每个8Bit字节包含两个4Bit 十六进制字符。采用这种方式可实现在同样的波特率下，比ASCII方式传送更多的数据。
代码系统
8位二进制，十六进制数0...9，A...F
消息中的每个8位域都是一或两个十六进制字符组成
每个字节的位
1个起始位
8个数据位，最小的有效位先发送
1个奇偶校验位，无校验则无
1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）
错误检测域
CRC(循环冗长检测)
2.2 TCP协议
2.2.1 TCP协议简介
TCP是一个端到端（Peer-to-Peer）的传输层协议，处于应用层和网络层之间。在数据传输之前，由TCP模块在运行于不同主机上的两个应用程序之间建立直接连接，通常称为虚拟连接，其后的TCP报文在此连接的基础上进行传输。TCP协议在IP协议提供的服务基础上，提供面向连接的、可靠的、全双工的数据流传输服务。
2.2.2 TCP协议工作原理
1、建立连接协议
（1） 请求端发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口，隐疾初始序号(ISN)，这个SYN报文段为报文段1。
（2） 服务器端发回包含服务器的初始序号的SYN报文段（报文段2）作为应答。同时将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。
（3） 客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认（报文段3）。
这3个报文段完成连接的建立，称为三次握手。发送第一个SYN的一端将执行主动打开，接收这个SYN并发回下一个SYN的另一端执行被动打开。
2、连接终止协议
由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送（报文段4）。
（2） 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
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