智能電能表全性能試驗管理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

王慧武，趙明，張闖，鄭安剛，鄒和平，莊磊

(1. 哈爾濱電工儀表研究所有限公司，哈爾濱 150027； 2. 中國電力科學研究院有限公司，北京 100192； 3. 國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥 230000)

0 引 言

隨著國家堅強型智能電網建設，智能電能表等電能計量設備的可靠性和穩(wěn)定性變得越發(fā)重要。智能電能表的的自動化程度很高，更容易受到外界干擾[1-2]。智能電能表的計量準確性與電力公司和用戶的切身利益密切相關，所以針對智能電能表的全性能試驗更加重要。

隨著大量新技術、先進自動化檢測設備在智能電能表全性能試驗中的應用，系統(tǒng)的常態(tài)化運營維護工作面臨更多、更新的挑戰(zhàn)，全性能試驗的自動化和信息化程度還不夠高，比如一些全性能試驗仍然采取人工方式，缺乏統(tǒng)一的信息化管控模式，工作流程、檢測方案、試驗方法差異較大[3-5]。因此，有必要針對性開展智能電能表全性能試驗系統(tǒng)性能優(yōu)化和應用評價等技術研究，全面提升其自動化、智能化和信息化水平。通過研發(fā)智能電能表全性能試驗管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動采錄、業(yè)務流程的自動流轉、檢驗報告的自動生成，進一步提高智能計量體系建設的自動化水平。

1 系統(tǒng)的需求分析

智能電能表全性能試驗管理信息系統(tǒng)主要實現(xiàn)對試驗委托、工作令、檢測任務、檢測過程、樣品流轉、報告出具等全過程閉環(huán)管理，以及用戶對試驗數(shù)據(jù)和試驗結果的在線查詢。

具體來說，本系統(tǒng)要實現(xiàn)智能電能表全性能試驗業(yè)務流程、檢測方案、試驗項目與內容、原始記錄與試驗報告格式、試驗設備數(shù)據(jù)接口的標準化；固化智能電能表全性能試驗業(yè)務流程，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動采集和分析處理，實現(xiàn)原始記錄及檢驗報告的自動生成，提升數(shù)據(jù)采集自動化程度和數(shù)據(jù)錄入準確度，提升檢測工作效率；實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)上下全貫通和全性能試驗數(shù)據(jù)高度共享。

2 系統(tǒng)的設計

智能電能表全性能試驗管理信息系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)傳輸、圖像識別、過程錄像等多元方式，將全性能試驗業(yè)務、流程、數(shù)據(jù)、管理等固化到信息系統(tǒng)中。系統(tǒng)分為兩部分，一部分是系統(tǒng)主站和試驗設備之間的連接，另一部分是系統(tǒng)主站與外部用戶之間的連接。

2.1 通訊結構的選擇

目前，信息系統(tǒng)的通信結構主要有C/S結構和B/S結構。

C/S結構即客戶端/服務器結構，它建立在專用的網絡上，充分利用客戶端和服務器端的配置環(huán)境，合理分配工作任務，優(yōu)化系統(tǒng)開銷?？蛻舳撕头掌鞫酥g沒有中間環(huán)節(jié)，具有較強的事務處理能力和較快的響應速度[6-7]。B/S結構即瀏覽器/服務器結構，它建立在廣域網上，不需要安裝專門的桌面應用軟件，外部用戶擁有一個瀏覽器即可訪問。軟件的維護和軟件的升級非常方便，且成本較低；業(yè)務擴展容易、共享性強，可以隨時進行數(shù)據(jù)查詢和業(yè)務瀏覽等操作[8-9]。

系統(tǒng)主站和試驗設備之間的連接部分包括主站服務器、數(shù)據(jù)庫和檢測設備。主站服務器與所有的檢測設備連接，主站服務器負責與檢測設備交互、將試驗設備發(fā)送的試驗數(shù)據(jù)和試驗結果存入數(shù)據(jù)庫、以及根據(jù)試驗結果打印試驗報告；數(shù)據(jù)庫負責存儲上傳的試驗記錄；試驗設備根據(jù)主站服務器的指令，按照標準要求進行智能電能表全性能試驗，并將試驗數(shù)據(jù)和試驗結果上傳至主站服務器。這部分實時數(shù)據(jù)處理量大、安全性能要求高、交互性能要求強、且使用群體不大，根據(jù)以上特性，選擇C/S結構進行系統(tǒng)設計。

系統(tǒng)主站與外部用戶之間的連接部分包括瀏覽器、Web服務器和數(shù)據(jù)庫，外部用戶使用瀏覽器通過Web服務器獲取數(shù)據(jù)庫的試驗數(shù)據(jù)和試驗結果。這部分用戶使用面廣、數(shù)據(jù)實時性要求較低、安全性能要求不高、且操作簡單，根據(jù)以上特性，選擇B/S結構進行系統(tǒng)設計。

綜上所述，本系統(tǒng)基于C/S和B/S混合結構進行系統(tǒng)設計。C/S結構模式下主要由電能表檢測工程師進行操作，B/S結構模式下主要由外部用戶通過瀏覽器來獲取試驗數(shù)據(jù)和試驗結果，系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結構

2.2 數(shù)據(jù)庫的選擇

本系統(tǒng)的所有功能都是建立在數(shù)據(jù)庫的基礎上來實現(xiàn)的，采用SQL Server關系型數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫功能全面、效率高、界面友好，可以與Windows操作系統(tǒng)緊密集成，提升應用程序開發(fā)速度和系統(tǒng)事物處理運行速度[10-11]。

數(shù)據(jù)庫采用結構分析方法, 在兼顧子模塊之間數(shù)據(jù)共享的基礎上建立不同的數(shù)據(jù)庫文件。數(shù)據(jù)庫按照功能進行分類，包括試驗設備部分、試驗數(shù)據(jù)部分、用戶權限部分、修正記錄部分。為了避免數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，建立了對應的視圖，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫視圖結構

數(shù)據(jù)庫有幾個關鍵的數(shù)據(jù)表：試驗設備表、試驗數(shù)據(jù)表、用戶權限表、修正記錄表。試驗設備表用來存儲試驗設備的信息和對應的試驗標準，包括設備編號、用戶編號和試驗標準編號。試驗數(shù)據(jù)表用來存儲檢測的智能電能表的試驗數(shù)據(jù)和試驗結果，包括設備編號、用戶編號、電能表編號、試驗標準編號、試驗時間、試驗數(shù)據(jù)和試驗結果。用戶權限表用來存儲不同用戶的權限和重要記錄，包括用戶編號、權限等級、記錄時間與操作。修正記錄表用來記錄數(shù)據(jù)庫的修正記錄，包括用戶編號、設備編號、電能表編號、記錄時間與操作。

3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

按照系統(tǒng)的需求分析和設計，軟件開發(fā)部分主要包括主站服務器模塊、Web服務器模塊和數(shù)據(jù)庫維護模塊三部分。系統(tǒng)開發(fā)中采用的關鍵技術，包括C#編程語言、基于Visual Studio的WinForm開發(fā)環(huán)境和SQL Server數(shù)據(jù)庫等。

3.1 主站服務器

主站服務器如圖3所示，服務器的IP地址默認為192.168.0.10，端口號默認為502，可以根據(jù)實際情況進行修改?，F(xiàn)有試驗設備包括單項智能電能表校驗裝置、三相智能電能表校驗裝置、交流磁場影響試驗裝置、恒定磁場試驗裝置、沖擊電流試驗裝置、過電流試驗裝置、灼熱絲試驗裝置和脈沖電壓試驗裝置，當試驗設備成功連接主站服務器之后，試驗設備對應的checkbox選項會自動被選中。試驗完成后，主站服務器會自動生成試驗報告的電子版，并顯示待打印的份數(shù)，等待工程師進行操作。同時，工程師可以按照試驗時間或者檢測編號對歷史試驗記錄進行查詢。主站服務器和試驗設備的交互過程以及打印和查詢等其他操作都會顯示在主站服務器日志中，并和試驗報告一起自動存儲在數(shù)據(jù)庫中。

圖3 主站服務器

主站服務器軟件由應用層、程序控制層、數(shù)據(jù)存儲層、操作系統(tǒng)層和網絡層五部分組成。軟件基于桌面應用程序集成思想，采用OLE(對象連接與嵌入)技術和DCOM(分布式組件對象模型)技術，通過數(shù)據(jù)集合和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)連接機制，實現(xiàn)多個應用程序間互操作的可重用即插即用對象；OPC(過程控制對象連接與嵌入)技術作為針對各個試驗設備應用程序的通信標準，所有試驗設備采用統(tǒng)一的DLL(動態(tài)鏈路數(shù)據(jù)庫)和DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信協(xié)議和驅動接口的統(tǒng)一。

原始記錄及試驗報告自動生成的原理如圖4所示，由計算機根據(jù)標準、按照規(guī)定的格式和提供的數(shù)據(jù)編排處理得到符合要求的電子文檔。首先，通過模板文檔自定義技術，按試驗項目定制模板；然后，從數(shù)據(jù)庫中提取試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)預定義的判定規(guī)則或計算公式自動得出試驗結論，結合試驗委托信息、樣品信息、試驗設備、試驗條件等信息，生成格式化文檔；最后，按照預定義的生成規(guī)則，合并處理格式化文檔，生成原始記錄及檢驗報告。

圖4 原始記錄及報告自動生成原理

3.2 Web服務器

Web服務器由服務器初始化部分、接收用戶請求部分、解析客戶請求部分和發(fā)送響應信息部分組成，它的功能包括頁面請求響應、HTML文件解析和數(shù)據(jù)發(fā)送。Web服務器的核心是HTTP，它是一種網絡應用層的標準協(xié)議，瀏覽器和Web服務器之間的通信都是采用HTTP協(xié)議來實現(xiàn)的。用戶通過瀏覽器輸入網址來訪問Web服務器，而Web服務器就要求對其發(fā)送的請求進行相應的分析，Web服務器采用多線程技術接受外部客戶發(fā)送的請求。

3.3 數(shù)據(jù)庫維護

為了保障數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的安全性，本系統(tǒng)從日志備份入手，在設計備份頻率和設計命名規(guī)范方面進行數(shù)據(jù)庫維護。

(1)每周星期五的20：00執(zhí)行一次數(shù)據(jù)庫完整備份；

(2)每天(除星期五)的20：00執(zhí)行一次數(shù)據(jù)庫差異備份；

(3)工作日的8：00到17：00之間，每隔一個小時執(zhí)行一次日志備份；

(4)每個月最后一個星期五的18：00執(zhí)行一次數(shù)據(jù)庫完整備份。

根據(jù)上述備份文件的差異性、數(shù)據(jù)庫內容的安全級別、和電能表全性能試驗的業(yè)務特性，設計了四種文件夾。

(1)完整備份文件存放于SSQQLL_FULL文件夾，保存時間為4周；

(2)差異備份文件存放于SSQQLL_DIFF文件夾，保存時間為2周；

(3)日志備份文件存放于SQQLL_LOG文件夾，保存時間為1周；

(4)保留備份文件存放于SSQQLL_SAVE文件夾，保留時間為1年。

4 系統(tǒng)的測試

為了檢驗所開發(fā)的智能電能表全性能試驗管理信息系統(tǒng)，搭建了系統(tǒng)的測試環(huán)境。主站服務器通過交換機與內部局域網連接，與試驗設備進行交互；Web服務器與以太網連接，外部用戶通過瀏覽器獲取歷史試驗記錄，系統(tǒng)測試環(huán)境部署如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試環(huán)境

穩(wěn)定性和安全性是系統(tǒng)測試的兩個主要方面，穩(wěn)定性測試包括主站服務器與試驗設備的交互測試、主站服務器數(shù)據(jù)處理測試、試驗報告打印測試和用戶以太網訪問是否流暢測試，安全性測試包括外部用戶賬號、工程師賬號的操作權限是否對應模塊功能和數(shù)據(jù)庫的存儲過程是否安全。系統(tǒng)帳號登錄對各功能模塊的權限操作是否安全。本部分給出系統(tǒng)測試流程圖、系統(tǒng)關鍵部分測試項目表和以太網訪問流暢性測試表，分別如圖6、表1和表2所示。

通過測試，系統(tǒng)實際運行效果良好、安全、可靠、穩(wěn)定，各方面的性能完全達到了系統(tǒng)需求分析預計的要求。

系統(tǒng)可以極大的提高試驗人員的工作效率、降低人力成本；以50人編制的實驗室為例，可以節(jié)約至少10人，根據(jù)每人每年可以生產20萬元經濟效益來估算，每年間接產生經濟效益200萬元。

圖6 系統(tǒng)測試流程圖

序號測試內容測試次數(shù)成功次數(shù)成功率1連接/斷開服務器1 0001 000100%2打印報告100100100%3查詢記錄1 0001 000100%4讀取日志1 000 1000100%5賬號操作權限1 0001 000100%6數(shù)據(jù)庫存儲2 0002 000100%

表2 以太網訪問流暢性測試表

5 結束語

本文針對智能電能表全性能試驗的自動化和信息化程度不高的問題設計了智能電能表全性能試驗管理信息系統(tǒng)，將C/S結構和B/S結構綜合起來，合理利用SQL Server數(shù)據(jù)庫資源，給出了系統(tǒng)的設計方案和主要軟件操作界面。最后，對開發(fā)的系統(tǒng)搭建測試環(huán)境，進行穩(wěn)定性能和安全性能測試，測試結果滿足實際應用的需求。