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【摘要】针对变电站隔离开关智能I/O装置项目故障录波信息后台分析的需求，对智能I/O装置的通信协议和数据信息对象模型、信息分析处理算法和波形操作显示方法进行了分析研究，采用VC++集成开发环境设计实现了与智能I/O装置的通信协议包设计、面向对象的波形信息管理和访问、波形信息分析处理。基于虚拟仪表的理念和方法，参照Fluke示波表波形操作显示的方法完成了软件人机交互界面的设计。所设计的软件符合用户技术规范书的要求，并投入工程应用。
【关键词】智能I/O装置；虚拟仪表；故障录波；信息对象模型
1.引言
隔离开关智能I/O装置是智能变电站的一种一次设备的智能组件，主要用于隔离开关工作状态的监控，并接收间隔层设备下达的命令控制隔离开关分合，监控操作机构储能电机的工作状态，一旦电机运行出现异常，立即切断电机操作电源，防止电机损坏，并记录电机异常时电机工作电压、电流等工作参数的波形数据。电机故障后，还要利用装置记录的电机启动波形和故障波形数据定量分析故障原因，用于改进电机设计或为电机选型提供依据。根据与协作企业签订的技术规范书[1]，课题组在完成装置本体设计的同时，还要完成储能电机故障波形分析软件设计，用于装置记录波形的后台分析显示。
根据教育部推行的大学生创新创业训练计划，本创新训练团队选取上述项目中波形分析软件设计作为研究课题，完成软件需求分析、概要设计、编码调试、应用推广等方面的创新过程训练，并设计与实现了该软件项目的。
2.需求分析
根据本创新训练项目申报表提出的实施方案[1]，本项目主要完成一种操作机构储能电机启动和故障波形分析软件的设计与实现，其启动和故障波形由智能I/O装置实时运行过程中记录，并保存在装置的非易失性存储器中。为了实现对故障波形的分析显示，首先需要实现智能I/O装置的通信协议包，获取其采集和记录的波形数据；根据装置记录的波形信息的特点，需要设计相应的信息对象模型，对采集的数据信息进行管理、存储和访问操作；按照技术规范书的要求，选取傅里叶变换算法计算基波分量的有效值，并选用均方根算法计算交流信号的有效值；设计友好的人机交互界面，实现对所获取波形的显示、平移、放大/缩小等操作，为电机专业工程师分析故障原因提供直观的分析工具。
3.概要设计
根据上述分析，本软件主要由人机交互界面、底层串行通信线程、Modbus协议软件包和数据对象访问操作等四部分组成，各部分的信息交互关系如图1所示。图1中各组成模块主要的访问操作和数据流向关系如下：操作人员通过用户界面发出通信请求后，相应的界面操作函数立即向通信线程发送指定的请求消息；通信线程收到消息后，调用Modbus协议包中的相应函数组织请求报文，并调用串口通信对象中的发送函数将请求命令发送给智能I/O装置；之后等待接收装置的响应报文，并调用解帧函数提取装置上报的信息，并将提取的数据保存到相应的数据对象之中。
4.软件设计
4.1 数据处理方法
5.验证测试
软件开发阶段工作完成之后，对所实现的软件功能进行了验证测试。测试的项目主要包括如下两个方面。
5.1 与智能I/O装置通信功能
通信功能检测方法为：采用软件设计的报文监视对话框监视报文通信流程和报文的内容，观测显示的报文信息与预设的通信流程是否一致，对比智能I/O装置与本软件显示的内容，检查两边显示的内容是否完全一致。测试过程如下：将后台主机与智能I/O装置通信线连接好，配置好通信参数，启动数据召唤，软件自动与装置建立通信连接，并自动召唤装置记录的波形数据。报文信息窗口显示的报文内容如图4所示，通过分析从报文信息窗口捕获的报文帧信息分析软件通信的流程，报文信息的内容，可以判断报文通信过程流畅无中断现象，报文内容正确。两侧设备显示的数据信息内容相同，说明软件与装置的通信功能正确，数据处理结果正确。
5.2 图形的绘制与操作
通过鼠标点击图5右侧中间启动和故障概貌信息列表框中的事件，选择当前分析显示的录波曲线；每个录波曲线记录有三相电压、三相电流和操纵杆角度7条曲线，通过设定曲线显示选项按钮，可以选择当前显示的曲线及曲线的颜色等参数，图5选择显示了第二条启动波形中Ua和Ia两条曲线。通过减小/增大量程操作可以对曲线纵向放大/缩小，通过减小/增大间隔操作可以对曲线横向缩小/放大操作，通过曲线左/右移操作可以平移曲线。每次进行曲线操作之后，都核查所绘制曲线与数据源的一致性，表明图形绘制与操作都符合要求。
6.结论
针对智能变电站隔离开关智能I/O装置项目故障录波信息后台分析的需求，本文对软件需求进行了分析，并提出了概要设计方案，着重阐述了软件的具体设计思想和方法，最后对所设计软件的通信功能和图形绘制操作进行验证测试。测试结果表明，所设计的储能电机故障波形分析软件的符合规范要求。项目设计完成之后，交付用户在工程现场应用。
参考文献
[1]康鲜.国家级大学生创新创业训练计划项目申报表-操作机构储能电机故障波形分析软件设计[R].西安：西安工程大学，2012.
[2]黄国兵，穆国强，郑剑敏等.基于LPC2138的智能遥测板设计与实现[J].西安工程大学学报，2013，27（3）：230-234.
[3]Modbus Protocol Reference Guide[EB/OL].MODICON Inc，1996.
[4]Andy Swales.OPEN MODBUS/TCP SPECIFIC-ATION[R].Schneider Electric.2002.
[5]熊永华，吴敏，曹卫华.基于网络测量系统的虚拟仪表的设计与实现[J].计算机测量与控制，2006，14（4）：435-436.
[6]王韬，郭玲，史迎春.基于OpenGVS虚拟仪表实现[J].计算机仿真，2006，23（3）：257-258.
项目支持：西安工程大学大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201210709054）。
作者简介：
康鲜（1991—），女，陕西西安人，大学本科，现就读于西安工程大学，研究方向：电子信息科学。
通讯作者：黄国兵（1965—），男，湖北天门人，西安工程大学高级工程师。
【关键词】智能I/O装置；虚拟仪表；故障录波；信息对象模型
1.引言
隔离开关智能I/O装置是智能变电站的一种一次设备的智能组件，主要用于隔离开关工作状态的监控，并接收间隔层设备下达的命令控制隔离开关分合，监控操作机构储能电机的工作状态，一旦电机运行出现异常，立即切断电机操作电源，防止电机损坏，并记录电机异常时电机工作电压、电流等工作参数的波形数据。电机故障后，还要利用装置记录的电机启动波形和故障波形数据定量分析故障原因，用于改进电机设计或为电机选型提供依据。根据与协作企业签订的技术规范书[1]，课题组在完成装置本体设计的同时，还要完成储能电机故障波形分析软件设计，用于装置记录波形的后台分析显示。
根据教育部推行的大学生创新创业训练计划，本创新训练团队选取上述项目中波形分析软件设计作为研究课题，完成软件需求分析、概要设计、编码调试、应用推广等方面的创新过程训练，并设计与实现了该软件项目的。
2.需求分析
根据本创新训练项目申报表提出的实施方案[1]，本项目主要完成一种操作机构储能电机启动和故障波形分析软件的设计与实现，其启动和故障波形由智能I/O装置实时运行过程中记录，并保存在装置的非易失性存储器中。为了实现对故障波形的分析显示，首先需要实现智能I/O装置的通信协议包，获取其采集和记录的波形数据；根据装置记录的波形信息的特点，需要设计相应的信息对象模型，对采集的数据信息进行管理、存储和访问操作；按照技术规范书的要求，选取傅里叶变换算法计算基波分量的有效值，并选用均方根算法计算交流信号的有效值；设计友好的人机交互界面，实现对所获取波形的显示、平移、放大/缩小等操作，为电机专业工程师分析故障原因提供直观的分析工具。
3.概要设计
根据上述分析，本软件主要由人机交互界面、底层串行通信线程、Modbus协议软件包和数据对象访问操作等四部分组成，各部分的信息交互关系如图1所示。图1中各组成模块主要的访问操作和数据流向关系如下：操作人员通过用户界面发出通信请求后，相应的界面操作函数立即向通信线程发送指定的请求消息；通信线程收到消息后，调用Modbus协议包中的相应函数组织请求报文，并调用串口通信对象中的发送函数将请求命令发送给智能I/O装置；之后等待接收装置的响应报文，并调用解帧函数提取装置上报的信息，并将提取的数据保存到相应的数据对象之中。
4.软件设计
4.1 数据处理方法
5.验证测试
软件开发阶段工作完成之后，对所实现的软件功能进行了验证测试。测试的项目主要包括如下两个方面。
5.1 与智能I/O装置通信功能
通信功能检测方法为：采用软件设计的报文监视对话框监视报文通信流程和报文的内容，观测显示的报文信息与预设的通信流程是否一致，对比智能I/O装置与本软件显示的内容，检查两边显示的内容是否完全一致。测试过程如下：将后台主机与智能I/O装置通信线连接好，配置好通信参数，启动数据召唤，软件自动与装置建立通信连接，并自动召唤装置记录的波形数据。报文信息窗口显示的报文内容如图4所示，通过分析从报文信息窗口捕获的报文帧信息分析软件通信的流程，报文信息的内容，可以判断报文通信过程流畅无中断现象，报文内容正确。两侧设备显示的数据信息内容相同，说明软件与装置的通信功能正确，数据处理结果正确。
5.2 图形的绘制与操作
通过鼠标点击图5右侧中间启动和故障概貌信息列表框中的事件，选择当前分析显示的录波曲线；每个录波曲线记录有三相电压、三相电流和操纵杆角度7条曲线，通过设定曲线显示选项按钮，可以选择当前显示的曲线及曲线的颜色等参数，图5选择显示了第二条启动波形中Ua和Ia两条曲线。通过减小/增大量程操作可以对曲线纵向放大/缩小，通过减小/增大间隔操作可以对曲线横向缩小/放大操作，通过曲线左/右移操作可以平移曲线。每次进行曲线操作之后，都核查所绘制曲线与数据源的一致性，表明图形绘制与操作都符合要求。
6.结论
针对智能变电站隔离开关智能I/O装置项目故障录波信息后台分析的需求，本文对软件需求进行了分析，并提出了概要设计方案，着重阐述了软件的具体设计思想和方法，最后对所设计软件的通信功能和图形绘制操作进行验证测试。测试结果表明，所设计的储能电机故障波形分析软件的符合规范要求。项目设计完成之后，交付用户在工程现场应用。
参考文献
[1]康鲜.国家级大学生创新创业训练计划项目申报表-操作机构储能电机故障波形分析软件设计[R].西安：西安工程大学，2012.
[2]黄国兵，穆国强，郑剑敏等.基于LPC2138的智能遥测板设计与实现[J].西安工程大学学报，2013，27（3）：230-234.
[3]Modbus Protocol Reference Guide[EB/OL].MODICON Inc，1996.
[4]Andy Swales.OPEN MODBUS/TCP SPECIFIC-ATION[R].Schneider Electric.2002.
[5]熊永华，吴敏，曹卫华.基于网络测量系统的虚拟仪表的设计与实现[J].计算机测量与控制，2006，14（4）：435-436.
[6]王韬，郭玲，史迎春.基于OpenGVS虚拟仪表实现[J].计算机仿真，2006，23（3）：257-258.
项目支持：西安工程大学大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201210709054）。
作者简介：
康鲜（1991—），女，陕西西安人，大学本科，现就读于西安工程大学，研究方向：电子信息科学。
通讯作者：黄国兵（1965—），男，湖北天门人，西安工程大学高级工程师。