基于C/S 架構(gòu)的分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

孔祥玥，吳志鋒，舒 杰?，宋香榮

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 暨南大學(xué)韶關(guān)研究院，廣東 韶關(guān) 512000）

0 引 言

近年來以光伏發(fā)電為代表的分布式發(fā)電技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)可靠、環(huán)境友好的特點(diǎn)，得到歐美多個發(fā)達(dá)國家的重視，政府紛紛出臺相關(guān)利好政策去扶持該技術(shù)，分布式發(fā)電技術(shù)及其實(shí)施得到良好的發(fā)展與普及[1-3]。我國地域面積遼闊，太陽能資源豐富，為光伏的利用提供了有利的條件，據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2017年我國分布式光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到2 966萬kW，其中，新增裝機(jī)1 944萬kW，同比增長 3.7倍?？梢姺植际桨l(fā)電技術(shù)的應(yīng)用在我國發(fā)展迅猛、前景可觀；隨著光伏發(fā)電設(shè)備成本以及安裝成本的進(jìn)一步下降，諸如屋頂光伏之類的分布式光伏電站將會在工業(yè)園區(qū)、商業(yè)建筑、大學(xué)園區(qū)乃至居民住宅中進(jìn)一步普及。

光伏發(fā)電存在隨機(jī)性以及間歇性的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)大部分時間處于無人值守運(yùn)行狀態(tài)，為充分有效地協(xié)調(diào)發(fā)電、儲能以及負(fù)荷的功率平衡關(guān)系，對系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析顯得極為重要。國內(nèi)外學(xué)者對光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行了研究。ALUISIO等[4]提出一種基于1日預(yù)測調(diào)度功能的熱電聯(lián)供微電網(wǎng)監(jiān)控架構(gòu)；MANUR等[5]提出一種基于多個獨(dú)立用戶和多個分布式電源的微電網(wǎng)并網(wǎng)監(jiān)控、通信、計算的通用平臺；姚玨菂等[6]針對惡劣的氣候環(huán)境提出了詳細(xì)的解決方案，設(shè)計了一套完整的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)；王輝等[7]針對家庭式分布式電源（distributed energy resource, DER）設(shè)計了一套基于瀏覽器/服務(wù)器（browser/server, B/S）架構(gòu)的分布式電源并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)；CHIEN等[8]深入探討了微電網(wǎng)監(jiān)控人機(jī)交互系統(tǒng)中的用戶需求以及接口模型。相關(guān)文獻(xiàn)及研究成果指出，已有的監(jiān)控系統(tǒng)大多基于上位機(jī)監(jiān)控軟件技術(shù)，或者基于網(wǎng)頁（Web）瀏覽器，甚少采用手機(jī)APP形式。只要存在無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)客戶端就能隨時隨處接入系統(tǒng)，便于用戶及時了解現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。結(jié)合已有的實(shí)施案例及經(jīng)驗(yàn)，本文提出一種基于客戶機(jī)/服務(wù)器（client/server, C/S）架構(gòu)的分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可通過安卓（Android）移動終端對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并實(shí)時接收系統(tǒng)關(guān)注事件的消息推送。文中介紹了該監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)，并著重對 Android客戶端及其后臺服務(wù)器軟件的功能和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

分布式電源具有設(shè)備多、數(shù)據(jù)量大、分布區(qū)域廣、地理位置偏遠(yuǎn)等特點(diǎn)，分布式發(fā)電單元之間的信息共享和交互要求較高。本文提出的分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)采用分散采集、區(qū)域匯聚、集中處理的體系結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場服務(wù)器對站點(diǎn)的發(fā)電單元數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，由云端服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理；數(shù)據(jù)傳輸層面采用C/S結(jié)構(gòu)，由云端服務(wù)器提供高性能的超文本傳輸協(xié)議（hyper text transfer protocol, HTTP）服務(wù)以及消息推送服務(wù)，以安卓應(yīng)用程序（Android application, Android APP）作為人機(jī)交互接口供電站用戶使用，確保系統(tǒng)的可靠性、安全性、實(shí)用性以及擴(kuò)展性。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the system

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從功能上劃分為4層，如圖1所示，由下至上分別為設(shè)備及數(shù)據(jù)采集層、現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理層、用戶層以及服務(wù)層。

1.1 設(shè)備及數(shù)據(jù)采集層

設(shè)備及數(shù)據(jù)采集層由分布式發(fā)電設(shè)備及相應(yīng)的測量設(shè)備、控制設(shè)備組成。其中，分布式發(fā)電設(shè)備如光伏組件、逆變器、匯流以及蓄電池等，實(shí)現(xiàn)太陽能等可再生能源的發(fā)電及電流電壓的轉(zhuǎn)換、平衡；測量設(shè)備包括模擬量測量及開關(guān)量檢測，對各種電流、電壓、頻率等電氣屬性以及開關(guān)的通斷進(jìn)行測量、匯報；控制設(shè)備根據(jù)上層下達(dá)的指令對各種保護(hù)開關(guān)進(jìn)行開合控制并對蓄電池進(jìn)行充放電控制等。

1.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理層

本地數(shù)據(jù)管理層通常由一臺性能稍好的計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)兩個基本功能：一是對下層收集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、整理，并按照一定的協(xié)議、格式將此數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)與本地數(shù)據(jù)的同步；二是提取由云端應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)的控制指令，并轉(zhuǎn)發(fā)至下層實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。對于具備預(yù)測調(diào)度功能的分布式發(fā)電系統(tǒng)，該層根據(jù)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)以及預(yù)測算法運(yùn)行計算，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)度操作。

1.3 用戶層

用戶層主要為終端用戶提供客戶端應(yīng)用，通過該客戶端應(yīng)用，用戶可以方便地瀏覽設(shè)備狀態(tài)信息，對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并接收系統(tǒng)的實(shí)時推送消息?？蛻舳藨?yīng)用可以是WEB客戶端，也可以是APP客戶端。WEB客戶端以B/S的方式進(jìn)行運(yùn)作，用戶主要通過計算機(jī)的瀏覽器對服務(wù)器進(jìn)行訪問；APP客戶端以C/S的方式進(jìn)行運(yùn)作，用戶通過手機(jī)APP對服務(wù)器進(jìn)行訪問。相對于WEB應(yīng)用，手機(jī)APP在接收服務(wù)器的推送消息方面顯得更勝一籌，對設(shè)備的突發(fā)事件掌握得更為及時，有利于對分布式電源系統(tǒng)的整體監(jiān)控。

1.4 服務(wù)層

服務(wù)層包括應(yīng)用服務(wù)以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)，該層在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)四大功能：一是接收本地數(shù)據(jù)庫上傳的運(yùn)行數(shù)據(jù)，與本地服務(wù)器維持?jǐn)?shù)據(jù)同步；二是響應(yīng)客戶端的請求，包括數(shù)據(jù)查詢修改以及對控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)；三是與本地服務(wù)器及移動客戶端維持長連接，對消息進(jìn)行及時推送；四是對海量的發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及備份。

2 服務(wù)器的設(shè)計

云端服務(wù)器的框架采取 Apache+PHP+MySQL的形式，其中，Apache是一個開源的、模塊化的Web服務(wù)器；MySQL是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理軟件，具有輕巧、高效以及部分開源等特性；PHP是一種通用的腳本語言，主要適用于 Web開發(fā)，對MySQL具有良好的支持。如此，Apache、PHP和MySQL成為一個開源、跨平臺的服務(wù)器組合，可以輕松構(gòu)建于Windows或Unix操作系統(tǒng)之上。服務(wù)器的主要功能模塊及工作流程如圖2所示。

圖2 服務(wù)器工作流程Fig. 2 Flowchart of the server

如圖2所示，Android客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互有兩種形式。一種是請求-響應(yīng)的形式，由Android客戶端向服務(wù)器提交HTTP請求，服務(wù)器對此請求進(jìn)行解析從而獲取請求參數(shù)，通過PHP庫函數(shù)中的mysqli接口對MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)操作，最后將操作結(jié)果經(jīng)過JS對象標(biāo)記（JavaScript object notation, JSON）封裝后形成一個HTTP響應(yīng)返回給Android客戶端；一種是服務(wù)器的主動推送形式，服務(wù)器與Android客戶端通過WebSocket協(xié)議維持一個長連接，當(dāng)有新消息過來的時候，服務(wù)端查出該消息對應(yīng)的目標(biāo)地址，并找到相應(yīng)的WebSocket通道進(jìn)行消息下發(fā)。

3 Android客戶端的程序設(shè)計

3.1 功能模塊說明

根據(jù)分布式電源監(jiān)控的具體需求，把 Android客戶端（以下簡稱APP）的用戶功能梳理成5部分，具體如圖3所示。

圖3 Android客戶端結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure of the App

軟件的主要功能如下：

村干部來源于鄉(xiāng)村，對本地風(fēng)土人情文化、各家各戶的情況了如指掌，了解村民思想、顧慮、訴求、目的，熟悉村民思想工作的方法，因此，更容易將國家的政策精神傳達(dá)到戶，便于分散的農(nóng)戶統(tǒng)一思想、統(tǒng)一認(rèn)識、統(tǒng)一進(jìn)行旅游開發(fā)。

①登錄/注冊模塊。系統(tǒng)內(nèi)用戶劃分為多個類別，包括超級管理員、管理員、操作員、游客等，對應(yīng)不同的操作權(quán)限。用戶登錄后，App從服務(wù)器獲取其權(quán)限類別，用戶僅能進(jìn)行權(quán)限規(guī)定范圍之內(nèi)的操作。

②站點(diǎn)管理模塊、設(shè)備管理模塊。管理員級別以上的用戶可以對此項(xiàng)進(jìn)行管理，包括新增、刪除、信息修改等。其中，設(shè)備管理模塊還具有對設(shè)備的控制功能，主要體現(xiàn)在對設(shè)備通、斷的控制。

③數(shù)據(jù)查看模塊。數(shù)據(jù)查看模塊包括遙測、遙信實(shí)時數(shù)據(jù)的查看、告警事件的查看以及遙測歷史數(shù)據(jù)的查看。遙測歷史數(shù)據(jù)可選擇以1 min、5 min、1 h或1 d為步進(jìn)量來進(jìn)行查看，具有曲線圖以及數(shù)據(jù)表格的展現(xiàn)形式。

④設(shè)置模塊。設(shè)置模塊包括用戶設(shè)置以及系統(tǒng)設(shè)置，用戶設(shè)置用于用戶的個人信息設(shè)置、密碼修改；系統(tǒng)設(shè)置用于公司信息設(shè)置、數(shù)據(jù)字典管理以及用戶權(quán)限管理，系統(tǒng)設(shè)置權(quán)限僅對超級管理員開發(fā)。

3.2 開發(fā)平臺及語言

APP的開發(fā)平臺采用安卓工作室（Android Studio），開發(fā)語言采用Java及HTML、JSP等。Android Studio是基于IntelliJ IDEA的官方Android應(yīng)用開發(fā)集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment,IDE），除了IntelliJ本身所具有的強(qiáng)大的代碼編輯器和開發(fā)者工具，Android Studio還提供了多個可提高Android應(yīng)用構(gòu)建效率的功能，如開發(fā)中協(xié)助調(diào)試的Android設(shè)備模擬器等。

3.3 軟件設(shè)計流程

Android客戶端軟件的開發(fā)遵循模型-視圖-控制器（model-view-controller, MVC）模式，這是一種軟件設(shè)計典范，在當(dāng)前的網(wǎng)頁、Android以及iOS的應(yīng)用開發(fā)中廣泛流行，該技術(shù)采用業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法來組織代碼，有助于管理復(fù)雜的應(yīng)用程序，簡化了分組開發(fā)，同時也讓應(yīng)用程序的測試更加容易。在該模式下，系統(tǒng)框架的分類有3種：模型（model）、視圖（view）、控制器（controller），控制器對象負(fù)責(zé)獲取用戶的按鍵和屏幕觸摸等事件，協(xié)調(diào)模型及視圖對象。

圖4 推送事件軟件流程圖Fig. 4 Flowchart of Notification

該軟件的主要控制邏輯包含兩部分，一是對服務(wù)器的主動推送事件的處理，二是App對用戶按鍵屏幕觸摸等事件的響應(yīng)處理。推送事件軟件流程如圖4所示，用戶登錄成功后，APP創(chuàng)建到服務(wù)器的WebSocket連接，并通過心跳機(jī)制與其保持連接，同時對指定端口進(jìn)行阻塞偵聽，一旦收到推送消息，則向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)消息，同時根據(jù)消息內(nèi)容對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，并在用戶界面（user interface, UI）作相應(yīng)的頁面更新。

APP點(diǎn)擊事件軟件流程如圖5所示，APP對用戶按鍵、屏幕觸摸等事件進(jìn)行監(jiān)聽，對于涉及顯示具體數(shù)據(jù)的操作，APP從服務(wù)器請求數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)絡(luò)請求成功，則在UI顯示中作相應(yīng)的更新，同時把該數(shù)據(jù)同步到本地數(shù)據(jù)庫中；如果網(wǎng)絡(luò)請求失敗，則從本地數(shù)據(jù)庫中調(diào)取數(shù)據(jù)到UI中作相應(yīng)的更新，同時在UI中提示網(wǎng)絡(luò)請求失敗。

圖5 點(diǎn)擊事件軟件流程圖Fig. 5 Flowchart of Click Event

3.4 關(guān)鍵函數(shù)應(yīng)用

3.4.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)請求

APP的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)請求通過HTTP異步請求代理實(shí)現(xiàn)，具體采用GitHub上的開源庫Asynchttpclient[9]，該代理構(gòu)建于Apache的HttpClient庫，所有的網(wǎng)絡(luò)請求都在APP的UI主線程以外執(zhí)行，采用線程池來處理并發(fā)請求，回調(diào)函數(shù)則在原線程中執(zhí)行。

Asynchttpclient的應(yīng)用說明如圖 6所示，APP在主線程中通過 ProcessRequest.get()函數(shù)向服務(wù)器提交網(wǎng)絡(luò)請求，具體的網(wǎng)絡(luò)通信在后臺執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果以回調(diào)函數(shù)的形式在主線程中進(jìn)行。

圖6 Asynchttpclient應(yīng)用說明圖Fig. 6 Usage of Asynchttpclient

3.4.2 服務(wù)器推送消息的接收

服務(wù)器消息推送采用WebSocket協(xié)議，APP端采用 GitHub開源軟件包 WebSocketClient[10]，這是完全用Java編寫的WebSocket客戶端軟件包，該軟件中WebSocket協(xié)議的實(shí)現(xiàn)基于RFC6455[11]，能夠很好地工作于Android4.0及更高版本中。

圖7 WebSocket應(yīng)用說明圖Fig. 7 Usage of WebSocket

WebSocketClient的應(yīng)用說明如圖7所示，自定義一個類繼承自 WebSocketClient，重寫 onOpen()函數(shù)用以打開連接，重寫onMessage()函數(shù)用以處理接收到的新消息，重寫 onFragment()函數(shù)以處理收到的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)連接被關(guān)閉或發(fā)生錯誤時，則分別調(diào)用onClose()、onError()函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.4.3 本地數(shù)據(jù)庫

APP在本地的數(shù)據(jù)采用SQLite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲與管理。SQLite是一款輕量級、零配置、跨平臺的開源數(shù)據(jù)庫，支持標(biāo)準(zhǔn)的SQL語句操作，廣泛應(yīng)用于iOS以及Android的APP中。SQLite的基本應(yīng)用包括數(shù)據(jù)庫的建立（采用openOrCreateDatabase()函數(shù)）以及數(shù)據(jù)表格的建表、增刪改查等操作（采用execSQL()函數(shù)）。

4 運(yùn)行結(jié)果

為查看系統(tǒng)的運(yùn)行效果，做了以下準(zhǔn)備工作：把后臺PHP代碼以及Java代碼部署到服務(wù)器上，做好相關(guān)配置，并啟動Apache以及MySQL服務(wù)；在Android Studio3.0.1上完成APP代碼的編譯，并運(yùn)行于自帶的Android模擬器上。App順利運(yùn)行，其部分截屏如圖8所示。

圖8 App部分截屏Fig. 8 Screenshot of the App

經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明，本系統(tǒng)確實(shí)能夠準(zhǔn)確及時地展現(xiàn)分布式發(fā)電單元的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r接收系統(tǒng)推送，并能夠?qū)刂茊卧逻_(dá)設(shè)備通、斷等控制指令，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信以及遙控等功能，達(dá)到了設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

隨著以光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展以及國家政策的相關(guān)扶持，分布式發(fā)電的普及化和規(guī)?；俏磥淼陌l(fā)展趨勢。本文提出的基于Android應(yīng)用以及云端管控的分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)中各功能模塊進(jìn)行合理抽象的劃分，普遍適用于各種規(guī)模的分布式發(fā)電微電站，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時的實(shí)現(xiàn)對分布式發(fā)電單元的遙測、遙信、遙控以及歷史數(shù)據(jù)的查詢；隨著云服務(wù)器租賃成本的日漸下降以及 Android手機(jī)的良好普及，進(jìn)一步體現(xiàn)出該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性。

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