基于Web的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

葉云龍，常青

(1.河北北方學(xué)院，河北張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口 075000)

基于Web的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

葉云龍1，常青2

(1.河北北方學(xué)院，河北張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口 075000)

為了加強(qiáng)電力企業(yè)對電能質(zhì)量管理的水平，提高電力企業(yè)的市場競爭力，對電力設(shè)備及電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測已經(jīng)成為重要的環(huán)節(jié)。將Web技術(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)相結(jié)合，開發(fā)出基于B/S結(jié)構(gòu)的電能質(zhì)量監(jiān)控信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成電能質(zhì)量參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測、設(shè)備管理、歷史數(shù)據(jù)分析、報警信息管理以及電能質(zhì)量評估等功能，具有監(jiān)測精度高、易升級維護(hù)、使用靈活等基本特點(diǎn)。

B/S結(jié)構(gòu)；電能質(zhì)量；遠(yuǎn)程監(jiān)控

隨著國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步的發(fā)展，大量的電力電子設(shè)備被使用到了生產(chǎn)過程當(dāng)中。這些設(shè)備一方面可以帶來高的生產(chǎn)效能，對提高生產(chǎn)力水平有所幫助；但是另一方面，各種非線性負(fù)荷的加入，也造成了電能質(zhì)量日益低下，嚴(yán)重干擾安全生產(chǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的監(jiān)控就成為了保證電能質(zhì)量的必要手段。

電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是對現(xiàn)場電能設(shè)備和電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、管理、分析與評價的綜合應(yīng)用平臺，是提高電力企業(yè)整體信息化水平和綜合管理、決策效率的關(guān)鍵。它是一個融合了計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制理論、人工智能、管理科學(xué)與決策科學(xué)等多種學(xué)科的集成系統(tǒng)[1]。由于電力系統(tǒng)是一個發(fā)電、輸電、用電緊密結(jié)合、不可分離的環(huán)節(jié)。因此，對于電能質(zhì)量的監(jiān)控不僅僅出現(xiàn)在供電部門，電力用戶也應(yīng)當(dāng)能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量進(jìn)行及時了解，以便適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的需要。

隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化，利用功能單一的電力系統(tǒng)測量儀器對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化電能管理的要求。現(xiàn)代的電能管理應(yīng)當(dāng)是集系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化于一體的管理系統(tǒng)，其主要功能具備通過集成分散的供電系統(tǒng)電能數(shù)據(jù)，在實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警及診斷等基本功能的基礎(chǔ)上，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心中，設(shè)置有電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺，可以實(shí)現(xiàn)對多個監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)電能的質(zhì)量評估、電力負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度等綜合監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

隨著集成電路技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式技術(shù)的日益成熟和完善，電能質(zhì)量監(jiān)控裝置正朝著在線監(jiān)測、實(shí)時分析、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控方向發(fā)展。

電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是由計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)三者相結(jié)合的一種技術(shù)，是電網(wǎng)調(diào)度自動化的一個重要組成部分，可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的主動監(jiān)視、測量、自動控制和保護(hù)、調(diào)度通信等綜合性的自動化功能。監(jiān)控者可以對及時得到的設(shè)備運(yùn)行第一手?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而了解當(dāng)時的設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。因此，電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控具有強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景[2]。

對于一個完善的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)來說，要具備及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓波形畸變、電壓突降、電壓波動和閃變、過電壓、暫態(tài)干擾等電能質(zhì)量問題的能力，并在這些問題出現(xiàn)之后，發(fā)出報警信號及采取相應(yīng)的措施以防止危害的產(chǎn)生。近年來，我國相繼頒布了有關(guān)電能質(zhì)量的五項標(biāo)準(zhǔn)，即供電電壓偏差、電壓波動和閃變、公用電網(wǎng)諧波、三相不平衡以及電力系統(tǒng)頻率偏差等。只有在電力系統(tǒng)中對以上的五項標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了實(shí)時準(zhǔn)確的測量、觀察、分析、統(tǒng)計，才能形成一個完整有效的監(jiān)測體系。

綜上所述，一個完整的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由以下幾個部分組成：(1)數(shù)據(jù)采集部分；(2)數(shù)據(jù)傳輸部分；(3)遠(yuǎn)程控制中心。具體的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的第一部分為數(shù)據(jù)采集部分，主要由PQM(電能質(zhì)量監(jiān)測單元)組成。主要功能是實(shí)時采集各種電力設(shè)備的實(shí)時信息，將這些信息向上傳輸給各種監(jiān)控系統(tǒng)。同時這些裝置還要接受來自監(jiān)控系統(tǒng)的各種控制命令，以便實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效采集和控制命令的有效實(shí)施。

本設(shè)計中第一部分采用無線傳感網(wǎng)來完成。無線傳感網(wǎng)是一種具有信息采集能力的自組織網(wǎng)絡(luò)，它集合了傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、微電子及分布式信息處理技術(shù)，能夠?qū)崟r感知、監(jiān)測、采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對象的信息并傳送這些信息到需要它們的用戶。無線傳感網(wǎng)不受布線的限制，可以很好地協(xié)調(diào)系統(tǒng)通信及設(shè)備移動性、靈活性之間的關(guān)系，是一種良好的組網(wǎng)方式。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约皞鬏斝?，采用ZigBee技術(shù)來設(shè)計自組網(wǎng)絡(luò)路由策略及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽繖C(jī)制。

系統(tǒng)的第二部分為數(shù)據(jù)傳輸通訊層。主要采用GSM/GPRS無線移動通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)借助中繼衛(wèi)星和地面的移動基站網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，具有數(shù)據(jù)傳輸率高、信號覆蓋面廣、可靠性高、抗干擾性能高等特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集部分通過無線傳感網(wǎng)傳送上來的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS連接后，將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，而ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS的連接需要通過ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳送。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)通信整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的第三部分為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)置大型數(shù)據(jù)庫及相應(yīng)的控制程序。接收通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送來的ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，并通過控制程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計，以便隨時掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時采取措施，保證電能質(zhì)量。

2 軟件部分設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分采用J2EE構(gòu)架構(gòu)建Web體系來實(shí)現(xiàn)。J2EE是SUN公司推出的多層分布式企業(yè)級應(yīng)用模型。該模型一般分為四層：客戶層、表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層[1]。這四層分別對應(yīng)于硬件設(shè)計的一個方面，每一層均有基于Jave語言的JSP程序支持。通過瀏覽器客戶端和獨(dú)立應(yīng)用程序完成用戶交互。以Web組件實(shí)現(xiàn)表示層邏輯，以Enterprise JavaBeans(EJB)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯，以SQL Server2005來構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲層，以Jave語言來實(shí)現(xiàn)客戶層。軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，整個系統(tǒng)分為四層：(1)數(shù)據(jù)層：以SQL Server2005為基礎(chǔ)，對無線傳感網(wǎng)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并據(jù)此設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中建立設(shè)備運(yùn)行參數(shù)表、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)表、歷史數(shù)據(jù)表、統(tǒng)計表等，用以作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。(2)業(yè)務(wù)邏輯層：用于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程設(shè)計及實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)則的封裝。對于本電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)來說，業(yè)務(wù)規(guī)則包括設(shè)備狀態(tài)計算分析、故障預(yù)警及診斷、電力負(fù)荷分析預(yù)測、電能質(zhì)量評估等主要的業(yè)務(wù)邏輯和計算。這些功能依靠EJB組件設(shè)計來實(shí)現(xiàn)，同時設(shè)計相應(yīng)的Web組件的調(diào)用口。(3)表示層：利用JSP語言設(shè)計生成動態(tài)的網(wǎng)頁，網(wǎng)頁的具體內(nèi)容要根據(jù)用戶的請求，調(diào)用EJB組件進(jìn)行計算，并將結(jié)果反饋回相應(yīng)頁面。(4)客戶端：終端用戶通過在Internet上訪問Web站點(diǎn)的形式，查看并操作動態(tài)頁面上的各種來自于表示層、業(yè)務(wù)邏輯層計算結(jié)果，并且校驗(yàn)和提交用戶請求，將用戶請求提交給表示層，以便完成相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電能質(zhì)量問題越來越引起了大家的關(guān)注，電力系統(tǒng)及供電用戶雙方都需要對電能的質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測。同時，也對電能質(zhì)量的保證和治理擔(dān)負(fù)著重要的責(zé)任。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)無人值守的遠(yuǎn)程電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測提供了可能。本文闡述了基于Web技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了通過無線傳感網(wǎng)對被監(jiān)測電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及用戶電能質(zhì)量的在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)不僅可連續(xù)實(shí)時地實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的監(jiān)測，并且可在遠(yuǎn)方監(jiān)測中心對各電力設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使電能質(zhì)量監(jiān)測分析真正實(shí)現(xiàn)無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

[1]徐燕偉，杜樹新.J2EE構(gòu)架下電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].中國電力，2006(12)：72-73.

[2]汝雁飛.基于嵌入式的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2010：6-7.

Research and design of power quality monitoring system based on WEB

YE Yun-long1,CHANG Qing2

In order to improve the management of electric power enterprise of power quality and the market competitiveness of the electric power enterprise,the monitoring of power equipment and power quality of real-time were the important link.Based on the combination of the web technology and object-oriented technology,the power quality monitoring information system based on B/S structure was developed.The function such as remote real-time monitor power quality parameters,equipment management,history data analysis,alarm information management and power quality assessment and so on were achieved.The basic features such as high monitoring precision,easy upgrade and maintenance and flexibility were its advantages.

B/S structure;power quality;remote control

TM 63

A

1002-087 X(2014)02-0369-02

2013-11-19

張家口市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(0811012B-4)

葉云龍(1981—)，男，河北省人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)控制。