張重遠，張林康，范偉捷

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

0 引 言

2009年5月，國家電網公司正式對外界公布了“堅強智能電網”計劃［1-2］。將移動通信技術應用到智能電網的建設中，可以節(jié)省初期建網的巨額投資，無需承擔維護費用，數(shù)據(jù)管理也會更為方便。目前，基于移動通信的遠程監(jiān)測技術已成為研究熱點。國外遠程終端監(jiān)測系統(tǒng)主要是基于嵌入式微處理器，利用GPRS、3G等移動通訊網絡［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遠程電力監(jiān)測系統(tǒng)。國內各大公司也在研發(fā)此類產品，例如某科技有限公司開發(fā)的GPRS電力配電監(jiān)測系統(tǒng)，冀網某供電公司建設的“3G視頻傳輸系統(tǒng)”。

在電力設備在線監(jiān)測中，將電力設備的運行數(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)存在只能在計算機上顯示數(shù)據(jù)的局限性，若能將移動終端接入到MIS系統(tǒng)，工作人員就能夠在任何地點、任何時間掌握電力設備的工作狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，并且依據(jù)運維數(shù)據(jù)及時、迅速地做出反應。

隨著3G網絡的日益成熟和4G網絡的來臨，我國已經進入移動互聯(lián)網的時代，各種新型的智能移動終端呈現(xiàn)幾何式的增長，其中Android系統(tǒng)是基于Linux平臺的手機操作系統(tǒng)，對第三方軟件完全開放，代碼全部開源免費［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用。

為此，開發(fā)一種基于3G/4G網絡的配網主設備監(jiān)測平臺，該平臺可以有效整合配網在線監(jiān)測的總體數(shù)據(jù)。工作人員利用手機、平板等智能終端就可以登陸系統(tǒng)，實時有效的監(jiān)測配網主設備的工作狀態(tài)和負荷信息，并對相關數(shù)據(jù)做出及時的處理［6］，運維人員也可以隨時隨地地查看問題和解決問題，這將是在線監(jiān)測領域的一大發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)結構

在WAMP集成環(huán)境下，使用PHP語言完成應用服務器對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問以及應用服務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)測平臺客戶端進行整體的設計和軟件功能的實現(xiàn)。監(jiān)測平臺分為數(shù)據(jù)庫服務器模塊，應用服務器模塊，監(jiān)測平臺客戶端模塊，網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure block diagram

1.1 數(shù)據(jù)庫服務器

數(shù)據(jù)庫服務器通過系統(tǒng)接口實現(xiàn)監(jiān)測平臺與配電網監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，將相關數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)庫，結合設備參數(shù)等信息，進行統(tǒng)一的規(guī)約處理、存儲、集成與融合，建立高效、全面的設備狀態(tài)信息庫。

1.2 應用服務器

應用服務器是連接數(shù)據(jù)庫和移動客戶端的中間環(huán)節(jié)。依據(jù)客戶端提交的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)庫連接以及增刪改查等具體操作。然后，將相關設備的運行、預警信息編碼為適合無線傳輸?shù)腏SON格式，通過3G/4G網絡同步地發(fā)送到相關部門和管理人員的Andrioid智能手機、平板等移動終端，實現(xiàn)配網主設備的運行數(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 平臺客戶端部分

Android客戶端是配網主設備監(jiān)測平臺設計的核心內容。在Eclipse開發(fā)環(huán)境下，使用JAVA語言實現(xiàn)客戶端內部的邏輯功能，利用XML語言實現(xiàn)頁面設計，選定3G/4G網絡作為通信方式，實現(xiàn)客戶端與服務器的數(shù)據(jù)交互，確保監(jiān)測平臺運行的穩(wěn)定性和流暢性。

2 系統(tǒng)設計

2.1 服務器端設計

監(jiān)測平臺服務器端包括數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器兩部分的內容。

2.1.1 MySQL數(shù)據(jù)庫

MySQL是一種關系型數(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，成為中小型網站的首選。監(jiān)測平臺以MySQL作為數(shù)據(jù)庫服務器，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)測平臺的功能需求，新建用戶信息表—jcpt＿infor、預警信息表—jcpt＿warning和設備運行表—jcpt＿online等。本文以基于頻率響應分析（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果實時傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)庫服務器。

2.1.2 Apache服務器

Apache是一個開放源碼的網頁服務器，憑借操作簡單、速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，已經成為世界使用排名第一的服務器軟件。監(jiān)測平臺采用Apache作為應用服務器，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)庫內容以及對客戶端的響應封裝成JSON格式，通過HTTP協(xié)議回傳給Android終端，從而實現(xiàn)客戶端與MySQL數(shù)據(jù)庫的通信。

2.2 Android客戶端設計

Android作為一個完整、開源的開發(fā)平臺，具有編程簡單、可移植性強、擴展性好及易于維護等特點。因此，選擇Android作為配網主設備監(jiān)測客戶端的開發(fā)平臺。在Eclipse開發(fā)環(huán)境中，引入Android SDK插件，使用XML語言設計客戶端的顯示頁面，采用JAVA語言完成客戶端的內部邏輯。在平臺功能方面，經過對監(jiān)測平臺的需求分析，客戶端可實現(xiàn)用戶登錄、信息預警、數(shù)據(jù)實時顯示、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)測平臺的數(shù)據(jù)庫服務器中，包含著用戶信息表，該數(shù)據(jù)表已經設置了用戶登錄組。用戶在客戶端登錄頁面輸入指定的用戶名和登錄密碼，點擊登錄按鈕可實現(xiàn)遠程調用相應的登錄函數(shù)，與數(shù)據(jù)庫中的用戶信息進行比對，若比對成功，則通過Toast控件提示“登錄成功”并自動轉到客戶端主頁面，否則會提示“帳號或密碼錯誤”如圖3所示。

2.2.2 信息預警功能

預警信息功能根據(jù)配網主設備的運行數(shù)據(jù)，通過特定的程序算法判斷設備的運行狀態(tài)，一旦超出設定的范圍，就會向數(shù)據(jù)庫預警表中插入預警信息，Android客戶端會每隔3秒輪詢預警信息表。例如，監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)庫預警信息表—jcpt＿warning出現(xiàn)“康樂街變壓器T3繞組輕微變形”預警數(shù)據(jù)，則客戶端預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 預警信息功能頁面Fig.4 Warning information function page

2.2.3 數(shù)據(jù)實時顯示功能

實時數(shù)據(jù)功能可以顯示配網主設備實時運行數(shù)據(jù)，運行人員通過點擊不同的按鈕，可以分別查看相應設備的運行狀態(tài)。實時數(shù)據(jù)頁面設計了變壓器數(shù)據(jù)、斷路器數(shù)據(jù)、避雷器、輸電線路、隔離開關等設備按鈕，分別點擊不同的按鈕，就會出現(xiàn)相關設備的實時運行數(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），該控件相當于一個彈出式菜單欄供用戶選擇要查詢的設備；通過DatePicke（日歷選擇控件）和Time-Picker（模擬時鐘控件）來選擇要查詢設備的具體日期和時間段。最后，通過服務器查詢設備的歷史運行數(shù)據(jù)，為配網主設備的在線監(jiān)測與故障診斷提供數(shù)據(jù)支持如圖6所示。

圖5 實時數(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 客戶端與服務器通信方式

客戶端與服務器采用Http Client通信方式，分為Get和Post方法。Get方法是面向服務器讀取信息，而Post方法是帶參數(shù)獲取服務器的內容。因此，客戶端實時訪問服務器頁面時可以采用Get方法；在客戶端進行歷史數(shù)據(jù)查詢等操作時，需要調用Post方法。通過流程圖7進行HttpClient網絡訪問。

在Android開發(fā)中，如果在主線程中進行耗時操作，比如網絡訪問，可能會造成“系統(tǒng)假死”的現(xiàn)象。在Android4.0以后，已經禁止在主線程中進行網絡訪問等耗時操作。在本文中，主線程主要負責管理與用戶界面（User Interface，UI）組件相關的事件，同時創(chuàng)建子線程實現(xiàn)對網絡訪問等耗時操作。針對子線程不能直接傳遞數(shù)據(jù)到主線程的問題，利用消息傳遞機制［9］，使用 Looper、Handler和 Message等方法實現(xiàn)子線程與主線程的數(shù)據(jù)傳遞，最后采用定時輪詢的方式，實現(xiàn)UI界面的實時更新功能。

3 實例應用

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)的一項科研項目，應用頻率響應分析的方法，通過注入特定的脈沖信號，并在LABVIEW開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)信號采集、實時調理、數(shù)據(jù)分析等功能［10］，可以快速、準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)導入平臺

TD-SCDMA無線數(shù)據(jù)終端，內部集成了調制解調器，可以實現(xiàn)WEB瀏覽和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務。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，通過遠程連接監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)庫服務器的技術，可以將檢測結果實時插入到設備運行表中，從而實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)向監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)導入，數(shù)據(jù)采集頁面如圖8所示。

3.2 客戶端實時數(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。通過點擊“FRA繞組變形檢測”按鈕可跳轉到“繞組變形檢測頁面”，該頁面包括檢測時間、變壓器位置、銘牌、檢測人員、監(jiān)測結果以及三相圖等內容。該頁面與應用服務器之間采用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，很適合移動客戶端與服務器的數(shù)據(jù)交互。該頁面采用AChartEngine框架，這是一個在安卓系統(tǒng)上制作圖表的框架，可實現(xiàn)變壓器繞組變形檢測的三相折線圖。

圖8 檢測結果采集頁面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)測平臺主頁面上，點擊歷史數(shù)據(jù)查詢按鈕，見圖10所示，選擇要查選的配網設備—“配變”和要查詢的具體數(shù)據(jù)—“FRA繞組變形”，同時選擇要查詢的開始時間和結束時間，點擊查詢按鈕，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 結束語

基于3G/4G網絡的配網主設備監(jiān)測平臺是從傳統(tǒng)的計算機網、局域網向互聯(lián)網、移動終端的一次拓展。本文給出了基于3G/4G網絡的配網主設備監(jiān)測平臺服務器和客戶端的設計與實現(xiàn)的具體方案，可以實現(xiàn)配網主設備運行數(shù)據(jù)實時共享，并將預警信息實時地發(fā)送到相關管理部門和運行人員的安卓智能手機上。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)，驗證了監(jiān)測平臺的可行性和有效性?；?G/4G網絡的配網主設備監(jiān)測平臺對于提高電力設備在線監(jiān)測水平具有一定的工程應用價值。