基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)主設(shè)備監(jiān)測平臺(tái)設(shè)計(jì)

張重遠(yuǎn)，張林康，范偉捷

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子學(xué)院，河北保定071003；2.北京送變電公司，北京102401）

0 引 言

2009年5月，國家電網(wǎng)公司正式對外界公布了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”計(jì)劃［1-2］。將移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用到智能電網(wǎng)的建設(shè)中，可以節(jié)省初期建網(wǎng)的巨額投資，無需承擔(dān)維護(hù)費(fèi)用，數(shù)據(jù)管理也會(huì)更為方便。目前，基于移動(dòng)通信的遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。國外遠(yuǎn)程終端監(jiān)測系統(tǒng)主要是基于嵌入式微處理器，利用GPRS、3G等移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)［3］，協(xié)助管理系統(tǒng)發(fā)布采集的數(shù)據(jù)，例如美國某電氣公司研發(fā)的PowerConirol遠(yuǎn)程電力監(jiān)測系統(tǒng)。國內(nèi)各大公司也在研發(fā)此類產(chǎn)品，例如某科技有限公司開發(fā)的GPRS電力配電監(jiān)測系統(tǒng)，冀網(wǎng)某供電公司建設(shè)的“3G視頻傳輸系統(tǒng)”。

在電力設(shè)備在線監(jiān)測中，將電力設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)引入到信息管理系統(tǒng)（management information system，MIS）［4］，為工作人員提供了極大的方便，只是該系統(tǒng)存在只能在計(jì)算機(jī)上顯示數(shù)據(jù)的局限性，若能將移動(dòng)終端接入到MIS系統(tǒng)，工作人員就能夠在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間掌握電力設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且依據(jù)運(yùn)維數(shù)據(jù)及時(shí)、迅速地做出反應(yīng)。

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的日益成熟和4G網(wǎng)絡(luò)的來臨，我國已經(jīng)進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，各種新型的智能移動(dòng)終端呈現(xiàn)幾何式的增長，其中Android系統(tǒng)是基于Linux平臺(tái)的手機(jī)操作系統(tǒng)，對第三方軟件完全開放，代碼全部開源免費(fèi)［5］，打破了其他系統(tǒng)封閉開發(fā)的模式，而且該系統(tǒng)提供了大量的實(shí)用庫和開發(fā)工具，使得開發(fā)人員可以很容易地搭建自己的應(yīng)用。

為此，開發(fā)一種基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)主設(shè)備監(jiān)測平臺(tái)，該平臺(tái)可以有效整合配網(wǎng)在線監(jiān)測的總體數(shù)據(jù)。工作人員利用手機(jī)、平板等智能終端就可以登陸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測配網(wǎng)主設(shè)備的工作狀態(tài)和負(fù)荷信息，并對相關(guān)數(shù)據(jù)做出及時(shí)的處理［6］，運(yùn)維人員也可以隨時(shí)隨地地查看問題和解決問題，這將是在線監(jiān)測領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在WAMP集成環(huán)境下，使用PHP語言完成應(yīng)用服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問以及應(yīng)用服務(wù)器與客戶端之間的數(shù)據(jù)交互［7］；在 Eclipse開發(fā)環(huán)境下，利用JAVA語言對監(jiān)測平臺(tái)客戶端進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)和軟件功能的實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測平臺(tái)分為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器模塊，應(yīng)用服務(wù)器模塊，監(jiān)測平臺(tái)客戶端模塊，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

1.1 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)監(jiān)測平臺(tái)與配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，將相關(guān)數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)庫，結(jié)合設(shè)備參數(shù)等信息，進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)約處理、存儲(chǔ)、集成與融合，建立高效、全面的設(shè)備狀態(tài)信息庫。

1.2 應(yīng)用服務(wù)器

應(yīng)用服務(wù)器是連接數(shù)據(jù)庫和移動(dòng)客戶端的中間環(huán)節(jié)。依據(jù)客戶端提交的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接以及增刪改查等具體操作。然后，將相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行、預(yù)警信息編碼為適合無線傳輸?shù)腏SON格式，通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)同步地發(fā)送到相關(guān)部門和管理人員的Andrioid智能手機(jī)、平板等移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)主設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)、帶電檢測數(shù)據(jù)的融合與共享。

1.3 平臺(tái)客戶端部分

Android客戶端是配網(wǎng)主設(shè)備監(jiān)測平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。在Eclipse開發(fā)環(huán)境下，使用JAVA語言實(shí)現(xiàn)客戶端內(nèi)部的邏輯功能，利用XML語言實(shí)現(xiàn)頁面設(shè)計(jì)，選定3G/4G網(wǎng)絡(luò)作為通信方式，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，確保監(jiān)測平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性和流暢性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

監(jiān)測平臺(tái)服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器兩部分的內(nèi)容。

2.1.1 MySQL數(shù)據(jù)庫

MySQL是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)［8］，憑借體積小、速度快、成本低，以及開源性等優(yōu)點(diǎn)，成為中小型網(wǎng)站的首選。監(jiān)測平臺(tái)以MySQL作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，采用phpMyAdmin做為MySQL的數(shù)據(jù)庫管理工具，建立“jcpt”數(shù)據(jù)庫。依據(jù)監(jiān)測平臺(tái)的功能需求，新建用戶信息表—jcpt＿infor、預(yù)警信息表—jcpt＿warning和設(shè)備運(yùn)行表—jcpt＿online等。本文以基于頻率響應(yīng)分析（frequency response analysis，F(xiàn)RA）的10kV配電變壓器繞組變形帶電檢測數(shù)據(jù)為例，將變壓器繞組變形檢測結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

2.1.2 Apache服務(wù)器

Apache是一個(gè)開放源碼的網(wǎng)頁服務(wù)器，憑借操作簡單、速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，已經(jīng)成為世界使用排名第一的服務(wù)器軟件。監(jiān)測平臺(tái)采用Apache作為應(yīng)用服務(wù)器，使用PHP語言來處理客戶端的發(fā)來的HTTP請求，并把讀取的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容以及對客戶端的響應(yīng)封裝成JSON格式，通過HTTP協(xié)議回傳給Android終端，從而實(shí)現(xiàn)客戶端與MySQL數(shù)據(jù)庫的通信。

2.2 Android客戶端設(shè)計(jì)

Android作為一個(gè)完整、開源的開發(fā)平臺(tái)，具有編程簡單、可移植性強(qiáng)、擴(kuò)展性好及易于維護(hù)等特點(diǎn)。因此，選擇Android作為配網(wǎng)主設(shè)備監(jiān)測客戶端的開發(fā)平臺(tái)。在Eclipse開發(fā)環(huán)境中，引入Android SDK插件，使用XML語言設(shè)計(jì)客戶端的顯示頁面，采用JAVA語言完成客戶端的內(nèi)部邏輯。在平臺(tái)功能方面，經(jīng)過對監(jiān)測平臺(tái)的需求分析，客戶端可實(shí)現(xiàn)用戶登錄、信息預(yù)警、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，客戶端整體工作流程如圖2所示。

圖2 客戶端整體工作流程圖Fig.2 Overall working flow chart of client terminal

2.2.1 登陸功能

在監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，包含著用戶信息表，該數(shù)據(jù)表已經(jīng)設(shè)置了用戶登錄組。用戶在客戶端登錄頁面輸入指定的用戶名和登錄密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用相應(yīng)的登錄函數(shù)，與數(shù)據(jù)庫中的用戶信息進(jìn)行比對，若比對成功，則通過Toast控件提示“登錄成功”并自動(dòng)轉(zhuǎn)到客戶端主頁面，否則會(huì)提示“帳號或密碼錯(cuò)誤”如圖3所示。

2.2.2 信息預(yù)警功能

預(yù)警信息功能根據(jù)配網(wǎng)主設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過特定的程序算法判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，一旦超出設(shè)定的范圍，就會(huì)向數(shù)據(jù)庫預(yù)警表中插入預(yù)警信息，Android客戶端會(huì)每隔3秒輪詢預(yù)警信息表。例如，監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫預(yù)警信息表—jcpt＿warning出現(xiàn)“康樂街變壓器T3繞組輕微變形”預(yù)警數(shù)據(jù)，則客戶端預(yù)警信息頁面的變壓器欄馬上由“正?！弊兂伞翱禈方肿儔浩鱐3繞組輕微變形”，預(yù)警信息如圖4所示。

圖3 登錄功能頁面Fig.3 Log-in function page

圖4 預(yù)警信息功能頁面Fig.4 Warning information function page

2.2.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能可以顯示配網(wǎng)主設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行人員通過點(diǎn)擊不同的按鈕，可以分別查看相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁面設(shè)計(jì)了變壓器數(shù)據(jù)、斷路器數(shù)據(jù)、避雷器、輸電線路、隔離開關(guān)等設(shè)備按鈕，分別點(diǎn)擊不同的按鈕，就會(huì)出現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖5所示。

2.2.4 歷史數(shù)據(jù)查詢功能

歷史數(shù)據(jù)查詢功能引入 Spinner（下拉列表控件），該控件相當(dāng)于一個(gè)彈出式菜單欄供用戶選擇要查詢的設(shè)備；通過DatePicke（日歷選擇控件）和Time-Picker（模擬時(shí)鐘控件）來選擇要查詢設(shè)備的具體日期和時(shí)間段。最后，通過服務(wù)器查詢設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，為配網(wǎng)主設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷提供數(shù)據(jù)支持如圖6所示。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示頁面Fig.5 Real-time data display page

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢頁面Fig.6 Historical data query page

2.3 客戶端與服務(wù)器通信方式

客戶端與服務(wù)器采用Http Client通信方式，分為Get和Post方法。Get方法是面向服務(wù)器讀取信息，而Post方法是帶參數(shù)獲取服務(wù)器的內(nèi)容。因此，客戶端實(shí)時(shí)訪問服務(wù)器頁面時(shí)可以采用Get方法；在客戶端進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢等操作時(shí)，需要調(diào)用Post方法。通過流程圖7進(jìn)行HttpClient網(wǎng)絡(luò)訪問。

在Android開發(fā)中，如果在主線程中進(jìn)行耗時(shí)操作，比如網(wǎng)絡(luò)訪問，可能會(huì)造成“系統(tǒng)假死”的現(xiàn)象。在Android4.0以后，已經(jīng)禁止在主線程中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問等耗時(shí)操作。在本文中，主線程主要負(fù)責(zé)管理與用戶界面（User Interface，UI）組件相關(guān)的事件，同時(shí)創(chuàng)建子線程實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)訪問等耗時(shí)操作。針對子線程不能直接傳遞數(shù)據(jù)到主線程的問題，利用消息傳遞機(jī)制［9］，使用 Looper、Handler和 Message等方法實(shí)現(xiàn)子線程與主線程的數(shù)據(jù)傳遞，最后采用定時(shí)輪詢的方式，實(shí)現(xiàn)UI界面的實(shí)時(shí)更新功能。

3 實(shí)例應(yīng)用

基于FRA的10 kV配電變壓器繞組變形帶電檢測裝置是與某電力公司合作研發(fā)的一項(xiàng)科研項(xiàng)目，應(yīng)用頻率響應(yīng)分析的方法，通過注入特定的脈沖信號，并在LABVIEW開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信號采集、實(shí)時(shí)調(diào)理、數(shù)據(jù)分析等功能［10］，可以快速、準(zhǔn)確地獲取變壓器繞組的頻響曲線，有效檢測10 kV配電變壓器的繞組變形情況。

圖7 客戶端通信流程圖Fig.7 Flowchart of client terminal communication

3.1 檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺(tái)

TD-SCDMA無線數(shù)據(jù)終端，內(nèi)部集成了調(diào)制解調(diào)器，可以實(shí)現(xiàn)WEB瀏覽和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。將該終端與帶電檢測裝置的USB接口相連，利用PHP語言編寫數(shù)據(jù)采集頁面，通過遠(yuǎn)程連接監(jiān)測平臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的技術(shù)，可以將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)插入到設(shè)備運(yùn)行表中，從而實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)向監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，數(shù)據(jù)采集頁面如圖8所示。

3.2 客戶端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

變壓器帶電檢測頁面包括基于FRA變壓器繞組變形檢測、紅外成像檢測、局部放電監(jiān)測和變壓器油色譜分析四部分如圖9所示。通過點(diǎn)擊“FRA繞組變形檢測”按鈕可跳轉(zhuǎn)到“繞組變形檢測頁面”，該頁面包括檢測時(shí)間、變壓器位置、銘牌、檢測人員、監(jiān)測結(jié)果以及三相圖等內(nèi)容。該頁面與應(yīng)用服務(wù)器之間采用JSON通信格式，由于JSON比XML具有安全、通用、數(shù)據(jù)量小和通信效率高等特點(diǎn)，很適合移動(dòng)客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。該頁面采用AChartEngine框架，這是一個(gè)在安卓系統(tǒng)上制作圖表的框架，可實(shí)現(xiàn)變壓器繞組變形檢測的三相折線圖。

圖8 檢測結(jié)果采集頁面Fig.8 Test results collection page

圖9 繞組變形顯示頁面Fig.9 Winding deformation display page

3.3 客戶端歷史數(shù)據(jù)查詢

在監(jiān)測平臺(tái)主頁面上，點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)查詢按鈕，見圖10所示，選擇要查選的配網(wǎng)設(shè)備—“配變”和要查詢的具體數(shù)據(jù)—“FRA繞組變形”，同時(shí)選擇要查詢的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，點(diǎn)擊查詢按鈕，出現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)顯示頁面。

圖10 歷史數(shù)據(jù)查詢功能測試Fig.10 Test of historical data query function

4 結(jié)束語

基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)主設(shè)備監(jiān)測平臺(tái)是從傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)、局域網(wǎng)向互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端的一次拓展。本文給出了基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)主設(shè)備監(jiān)測平臺(tái)服務(wù)器和客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的具體方案，可以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，并將預(yù)警信息實(shí)時(shí)地發(fā)送到相關(guān)管理部門和運(yùn)行人員的安卓智能手機(jī)上。通過引入基于FRA的10 kV配電變壓器繞組變形帶電檢測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了監(jiān)測平臺(tái)的可行性和有效性?；?G/4G網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)主設(shè)備監(jiān)測平臺(tái)對于提高電力設(shè)備在線監(jiān)測水平具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。