智慧電網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉鋰

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000）

各行業(yè)的發(fā)展都離不開電力的支持，電網(wǎng)的建設(shè)和高效管理已成為國家建設(shè)發(fā)展的主要任務(wù)之一，智能電網(wǎng)的建成被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要條件[1]。及時響應(yīng)用戶需求、更加穩(wěn)定安全地供電、實(shí)現(xiàn)新能源安全并網(wǎng)，是建設(shè)智能電網(wǎng)的主要目的[2]。

新技術(shù)的發(fā)展日新月異，比如人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)越來越受關(guān)注，區(qū)塊鏈的共識算法[3]、加密算法和智能合約[4]有望應(yīng)用于電網(wǎng)的高效運(yùn)行管理；現(xiàn)在我國已進(jìn)入5G 時代，5G 具有超高速、超大連接、超低時延三大特性。這些新技術(shù)的應(yīng)用必將推動和影響能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，使得電網(wǎng)的智慧調(diào)度功能[5]有更加廣闊的創(chuàng)新發(fā)展空間。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是以ArcGIS 作為地圖數(shù)據(jù)處理平臺，最終以Web形式發(fā)布，使用Visual Studio 2012 作為開發(fā)平臺，借助ArcGIS API for JavaScript工具包，使用CSS、HTML、JavaScript 進(jìn)行前臺設(shè)計(jì)，使用C#語言進(jìn)行后臺設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)管理還使用了SQL Server 2012 數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)定位于空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫之上，根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界里的電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)[6-7]的特點(diǎn)、性質(zhì)和功能，將電網(wǎng)傳感器等實(shí)體綁定到空間位置，以此提供了一種更為高效的智慧電網(wǎng)管理方式。

1 系統(tǒng)概述

該智慧電網(wǎng)管理系統(tǒng)提供了所在區(qū)域的電網(wǎng)運(yùn)行信息、停電信息、使用情況、故障信息以及電網(wǎng)運(yùn)行壓力狀態(tài)信息。通過對實(shí)體電網(wǎng)地理信息的查詢，在地圖上標(biāo)注出實(shí)體電網(wǎng)的地理位置，并可以對該電網(wǎng)信息進(jìn)行瀏覽。在每個實(shí)體電網(wǎng)的區(qū)域都有相對應(yīng)的名稱和地址，可根據(jù)站點(diǎn)名稱和地址實(shí)現(xiàn)快速定位。實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)管理的網(wǎng)絡(luò)化，既能及時解決故障，同時也能避免監(jiān)察盲區(qū)?？s短了發(fā)現(xiàn)、解決問題的時間，降低了風(fēng)險損失。電力供應(yīng)是制造、醫(yī)療、建筑、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)的重要組成部分，因此任何電力中斷都可能對住宅或商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的整體運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來電力系統(tǒng)的新概念，其在不同系統(tǒng)的能源輸送和能源資源之間可高層互連[8]。智能電網(wǎng)系統(tǒng)將基于互聯(lián)網(wǎng)的多種數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)用于能源管理、分配、定價和需求服務(wù)。該電網(wǎng)系統(tǒng)基本功能包含普通用戶登錄、用戶注冊、地圖瀏覽、查詢用戶信息、二三維聯(lián)動可視化查詢，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)[9]，突出個性化。查詢操作簡單快捷，響應(yīng)迅速。各項(xiàng)功能都依靠成熟的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，無任何條件限制，無潛伏的安全隱患。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)可行性分析：

1）從經(jīng)濟(jì)效益方面來說，智慧電網(wǎng)管理系統(tǒng)擁有兩套體系：一是管理員能夠進(jìn)行電網(wǎng)管理并對各種信息進(jìn)行查詢；二是用戶能夠在電網(wǎng)系統(tǒng)上查詢自身用電情況，提前了解一些斷電信息?？墒褂脩籼崆白龊梅纻浯胧?，減少不必要的損失，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

2）從硬件要求方面來說，該系統(tǒng)對硬件性能的要求不高，但為了更加快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)信息，需要數(shù)量較多的傳感器。

3）從技術(shù)應(yīng)用方面來說，該系統(tǒng)所使用的GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)現(xiàn)在均已經(jīng)相當(dāng)成熟。

2 地理數(shù)據(jù)處理

在地球表面存在著諸多地物要素，這些要素與地球上的某一個點(diǎn)都有著直接或者間接的關(guān)聯(lián)，這就是地理數(shù)據(jù)，也就是通常所說的要素文件。這些要素文件是實(shí)現(xiàn)一個智慧電網(wǎng)系統(tǒng)所不可或缺的。隨著社會的快速發(fā)展，城市規(guī)模逐步擴(kuò)大，電網(wǎng)路線不斷增多，環(huán)境也越來越錯綜復(fù)雜，因此要設(shè)計(jì)一個智慧電網(wǎng)系統(tǒng)，就必須事先構(gòu)建電網(wǎng)路線圖。要根據(jù)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行地點(diǎn)查詢，就需要在收集地理要素信息和地點(diǎn)信息的前提下進(jìn)行地理要素處理[10]。

2.1 地理數(shù)據(jù)來源

地理數(shù)據(jù)是指存儲在地圖中的空間數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)中采用了較為主流的ArcGIS 地理數(shù)據(jù)。獲得地理數(shù)據(jù)的方法很多，當(dāng)前主要是通過網(wǎng)絡(luò)柵格數(shù)據(jù)訪問地理位置，以此獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的地理要素?cái)?shù)據(jù)是簡化模擬某城市的地理數(shù)據(jù)[11]。將影像圖導(dǎo)入ArcGIS Desktopde 3 個用戶桌面組件中的ArcGIS 進(jìn)行數(shù)據(jù)矢量化，建立地理數(shù)據(jù)庫、要素?cái)?shù)據(jù)集和要素類。

2.2 地理數(shù)據(jù)庫的選擇

地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase）是按照層次型的數(shù)據(jù)對象來組織地理數(shù)據(jù)[12]。文件地理數(shù)據(jù)庫(File Geodatabase)和個人地理數(shù)據(jù)庫（Personal Geodatabase）都屬于地理數(shù)據(jù)庫，這兩種數(shù)據(jù)庫存在一定的區(qū)別。個人地理數(shù)據(jù)庫與文件地理數(shù)據(jù)庫在文件的數(shù)據(jù)大小方面有所不同，前者文件大小受到限制，后者文件大小不受限制。個人地理數(shù)據(jù)庫是在Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫文件中存儲和管理ArcGIS 地理數(shù)據(jù)的，而且是原始數(shù)據(jù)格式，僅適用于Windows 操作系統(tǒng)。文件地理數(shù)據(jù)庫將各種GIS 數(shù)據(jù)集中存放到一個文件夾中，其中的每個數(shù)據(jù)都是一個單獨(dú)的文件。由于文件地理數(shù)據(jù)庫不受2G 文件大小的限制?？紤]到以后數(shù)據(jù)庫會不斷地?cái)U(kuò)大，所以文件地理數(shù)據(jù)庫是最合適的選擇。

2.3 要素?cái)?shù)據(jù)集建立存在的必要性

要素?cái)?shù)據(jù)集是將多個要素放到同一個空間參考系統(tǒng)下組成一個集合，也就是說這些要素共享同一個坐標(biāo)系。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，必須考慮多個要素組成一個參考數(shù)據(jù)集。

1）當(dāng)不同的要素屬于同一范疇。

2）多個要素都要參與到網(wǎng)絡(luò)分析之中充當(dāng)信息點(diǎn)和連接邊時，必須放到同一要素?cái)?shù)據(jù)集中。

3）具有公共特征的幾何要素類，同時在空間位置上有一定的關(guān)系。移動其中一個要素，其他要素會受到影響時，為保持關(guān)系不變，應(yīng)當(dāng)將這些要素放在同一要素?cái)?shù)據(jù)集中。

4）電網(wǎng)分析是該次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能之一，對于涉及到網(wǎng)絡(luò)分析的點(diǎn)要素或者線要素必須放到同一要素?cái)?shù)據(jù)集。

3 信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是用來存儲系統(tǒng)所需的信息以及系統(tǒng)操作產(chǎn)生的一些記錄信息的數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要解決的關(guān)鍵性問題，對系統(tǒng)管理和維護(hù)有著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到系統(tǒng)的性能，還會影響系統(tǒng)的質(zhì)量以及生命周期。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中應(yīng)達(dá)到的最基本要求就是能夠更高效準(zhǔn)確地維護(hù)更新數(shù)據(jù)，一個結(jié)構(gòu)合理規(guī)范的數(shù)據(jù)庫對所支持系統(tǒng)的更新和改進(jìn)有很大的幫助。

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還需要考慮使數(shù)據(jù)庫有更好的可讀性和可操作性，與系統(tǒng)更兼容。該系統(tǒng)需要對信息表進(jìn)行添加、查詢、修改、刪除等操作。通過對系統(tǒng)功能需求和設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)庫所支持存儲信息的格式等綜合因素的分析，制作了一份詳細(xì)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)字典，為后面的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)需要根據(jù)地理要素矢量化[13-14]對字段進(jìn)行賦值，建立的數(shù)據(jù)庫信息表要與地理數(shù)據(jù)相對應(yīng)，并要求對系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)測。因此該系統(tǒng)構(gòu)建了下列信息表：

1）用戶信息表。包括自增ID、用戶登錄名、用戶登錄密碼、用戶類型、用戶賬號狀態(tài)。

2）建筑物信息表。包括自增ID、建筑物名稱、建筑物編號、建筑物面積。

3）電網(wǎng)信息表。包括自增ID、電網(wǎng)編號、電網(wǎng)名稱、電網(wǎng)類型、電網(wǎng)等級。

4）調(diào)度管理信息表。包括自增ID、用戶名、流量閾值、電網(wǎng)狀態(tài)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智慧電網(wǎng)系統(tǒng)本著實(shí)用性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化、安全性、高效性、可維護(hù)性六大原則，將系統(tǒng)主要分為后臺數(shù)據(jù)管理模塊和客戶端應(yīng)用模塊。

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、表現(xiàn)層4 層架構(gòu)模式。數(shù)據(jù)層按數(shù)據(jù)的類型分為非空間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，服務(wù)層按服務(wù)的功能分為Web 服務(wù)和GIS 服務(wù)[15]，業(yè)務(wù)層根據(jù)系統(tǒng)各個需求分為不同的業(yè)務(wù)流程，從而實(shí)現(xiàn)用戶需求的功能，最終系統(tǒng)所展現(xiàn)的就是表現(xiàn)層，表現(xiàn)層是使用者與軟件進(jìn)行交互的窗口。

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

實(shí)用性原則：系統(tǒng)界面美觀，操作便捷，用戶主要通過PC 端作為入口，提出需求信息，服務(wù)響應(yīng)快捷，符合市場需求，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到專業(yè)性要求。

可靠性原則：系統(tǒng)在執(zhí)行功能和操作分析方面，能長久實(shí)現(xiàn)并且有效，數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性在任何時候都能夠得到保障。

標(biāo)準(zhǔn)化原則：系統(tǒng)采用的地理數(shù)據(jù)、地圖坐標(biāo)和分析方法都符合國家有關(guān)部門的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

安全性原則：系統(tǒng)對用戶信息、電網(wǎng)信息、維護(hù)記錄、日志文件等都要嚴(yán)格的保密，確保數(shù)據(jù)的安全以及系統(tǒng)安全、正常地運(yùn)行；用戶登錄密碼有嚴(yán)格的加密措施處理。

高效性原則：界面設(shè)計(jì)簡潔明了，操作簡便。系統(tǒng)有快速的服務(wù)響應(yīng)，減少了分析處理的時間，以達(dá)到良好的用戶體驗(yàn)。

可維護(hù)性原則：系統(tǒng)預(yù)留擴(kuò)展模塊[16]，以待后續(xù)新功能和系統(tǒng)升級更新。

4.2 客戶端設(shè)計(jì)

客戶端是系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶的操作界面，客戶端界面的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到用戶的體驗(yàn)是否優(yōu)良。客戶端設(shè)計(jì)要求界面上要簡潔、大方，操作上要方便、快速，盡可能用最簡單、最直接、最容易理解、最形象的方式展示在用戶面前。設(shè)計(jì)中需要揣摩用戶的使用心理，了解用戶的使用習(xí)慣，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上簡化操作步驟。融入向?qū)圆僮?，減少新用戶熟悉系統(tǒng)的時間。將系統(tǒng)客戶端的主界面劃分為電網(wǎng)服務(wù)區(qū)域和信息查詢區(qū)域。

5 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)展示

1）系統(tǒng)主界面

主界面簡潔大方、色彩適中是帶給用戶視覺體驗(yàn)的重要因素，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)主界面

2）應(yīng)急供電站調(diào)度管理設(shè)計(jì)

在一定的區(qū)域內(nèi)設(shè)立應(yīng)急供電站，其作用是在空閑時間儲存電量，在達(dá)到飽和或高峰時期來臨時，就可以幫助電網(wǎng)分擔(dān)部分壓力，如果應(yīng)急供電站越多，電網(wǎng)壓力就會越小，甚至可以在普通家庭安裝小型應(yīng)急供電站，以保證自身的用電穩(wěn)定，系統(tǒng)調(diào)度管理界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)調(diào)度管理界面

3）故障維護(hù)管理設(shè)計(jì)

如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)故障，就會提示管理員。管理員會聯(lián)系維護(hù)人員前去維修。如遇到突發(fā)狀況，系統(tǒng)就能及時標(biāo)記出所受影響的區(qū)域，排查哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，及時開啟應(yīng)急供電站，緊急恢復(fù)受影響區(qū)域供電。系統(tǒng)故障維護(hù)界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)故障維護(hù)界面

4）鷹眼設(shè)計(jì)

可以使用戶在瀏覽地圖時，更加方便快捷地找到自身所在位置，更準(zhǔn)確地找到定位，系統(tǒng)鷹眼界面如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)鷹眼界面

5）其他功能設(shè)計(jì)

除了以上主要功能之外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了用戶登錄及身份驗(yàn)證、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)查詢、用戶信息查詢、故障模擬、用戶管理、停電信息發(fā)布查詢等功能。

6 結(jié)束語

該文主要闡述了智慧電網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)背景。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程，首先進(jìn)行系統(tǒng)背景調(diào)查、系統(tǒng)需求分析；其次明確功能需求；然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)庫；最后對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，搭建系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)調(diào)度管理、故障維護(hù)管理、鷹眼等功能。為智慧電網(wǎng)管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供了一定的理論和技術(shù)參考。