李繼東，李斌，劉宇，何瀟，劉拓英良

（國網(wǎng)北京豐臺(tái)供電公司北京100073）

在電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)負(fù)責(zé)從降壓配電站到用戶端的電力傳輸，多種配電設(shè)備如架空線路、塔桿、電纜、配電變壓器、無功補(bǔ)償電容等設(shè)備組成了配電網(wǎng)絡(luò)[1-3]。配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中，扮演著電能分配的重要角色。在電網(wǎng)建設(shè)初期，發(fā)電和輸電過程更受重視。近年來隨著電網(wǎng)建設(shè)的成熟，配電和用電的安全性、穩(wěn)定性得到了更多的關(guān)注。隨著國家在配網(wǎng)建設(shè)中的大力投入，傳輸線路、開關(guān)和變電設(shè)備等得到了長足的改進(jìn)，電網(wǎng)運(yùn)行條件也取得了較大程度的改善[4-6]。但配電網(wǎng)中仍存在著亟待解決的難題：1）配電網(wǎng)運(yùn)行狀況無法實(shí)時(shí)監(jiān)控：配電網(wǎng)輸電線路是一個(gè)由主干和多條分支相互糾結(jié)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。在運(yùn)營中，需要及時(shí)檢測各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。這依賴于各種監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，而目前監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量遠(yuǎn)無法達(dá)到有效監(jiān)控的最低需求[7]。此外，監(jiān)控設(shè)備采集的現(xiàn)有數(shù)據(jù)也沒有得到有效的利用。2）線路故障定位困難：配電網(wǎng)中的架空線路由于自身特性使然是電網(wǎng)系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的位置。目前的故障定位還依賴于人工排查，該過程消耗了大量的人力和時(shí)間成本[8]。因此，配電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測與故障定位勢在必行。

基于以上分析，本課題研究并設(shè)計(jì)了面向配電網(wǎng)中架空線的監(jiān)控和故障定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了監(jiān)控設(shè)備、故障指示器和系統(tǒng)主站，本文主要介紹系統(tǒng)主站信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。其中，包括系統(tǒng)的前臺(tái)界面設(shè)計(jì)、后臺(tái)數(shù)據(jù)使用和處理方法、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。整個(gè)故障監(jiān)測和定位信息系統(tǒng)包括配置管理、告警處理、故障監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)管理五大模塊。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中采用基于B/S的架構(gòu)，涉及到了JSP、Spring等技術(shù)框架，數(shù)據(jù)庫使用Oracle。

1 系統(tǒng)分析與模塊構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)概述

信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于軟件工程的思想。在軟件工程中，需求分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。需求分析將系統(tǒng)面臨的使用場景、不同場景下需要達(dá)到的效果加以概括、拆解、歸類、抽象成可實(shí)現(xiàn)的功能[9-11]。在需求分析中，既要考慮到系統(tǒng)的功能需求也要考慮到系統(tǒng)的非功能性需求。

整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)目的是為了解決10 kV線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而保證在故障發(fā)生時(shí)快速定位，以確保配電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性。根據(jù)此需求，本系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)劃分成兩類，即軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)[12]。其具體組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

硬件部分由故障檢監(jiān)終端、傳輸系統(tǒng)、系統(tǒng)主站組成。故障監(jiān)測終端負(fù)責(zé)檢測短路、接地故障、負(fù)荷電流和電壓；傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸檢測終端獲取的各種數(shù)據(jù)；系統(tǒng)主站上實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的接口，并存儲(chǔ)傳輸系統(tǒng)傳遞來的數(shù)據(jù)[13]。

軟件部分是本文介紹的重點(diǎn)。在技術(shù)架構(gòu)上采用B/S結(jié)構(gòu)，由監(jiān)控中心、客戶端和數(shù)據(jù)庫3個(gè)部分組成。軟件系統(tǒng)的功能架構(gòu)，如圖2所示。包括五大功能模塊：配置管理、告警處理、系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)管理。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1.2.1 配置管理

配置管理是對報(bào)警信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。由于本軟件系統(tǒng)面向的是多個(gè)省市的配電網(wǎng)系統(tǒng)，每個(gè)區(qū)域?qū)τ趫?bào)警信息的定義是不同的，具體體現(xiàn)在變電站名稱、線路、位置等信息的不同。用戶可以在本模塊中配置不同的位置、站點(diǎn)信息，同時(shí)配置自身所在監(jiān)控中心的監(jiān)控范圍。本模塊保證了用戶對于有用信息的篩選和報(bào)警信息的可讀性。該模塊既是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，又提高了監(jiān)控過程的用戶體驗(yàn)。

1.2.2 告警處理

告警處理是系統(tǒng)的核心模塊，具體包括警報(bào)提示、警報(bào)記錄、警報(bào)消除、警報(bào)記錄管理等子功能模塊。警報(bào)提示是根據(jù)終端采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)根據(jù)配置管理模塊的配置信息，對可能發(fā)生故障的線路進(jìn)行提示。告警算法融合了當(dāng)下流行的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，告警提示后，若警告有人處理，警報(bào)可以消除。同時(shí)，處理方法和處理人員將記錄在系統(tǒng)中。警報(bào)記錄管理提供了查詢功能，相關(guān)工作人員可以根據(jù)發(fā)生過故障的線路、站點(diǎn)及原因進(jìn)行查詢，以方便配電網(wǎng)的后續(xù)建設(shè)。

1.2.3 故障監(jiān)控

故障監(jiān)控是軟件系統(tǒng)的另一個(gè)核心功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)了故障監(jiān)控指示圖、數(shù)據(jù)定時(shí)記錄和監(jiān)控終端自我檢測等監(jiān)控功能。其中，故障監(jiān)控指示圖是指當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，軟件系統(tǒng)可通過矢量圖的方式記錄故障類型和故障位置[14-16]。同時(shí)，按照用戶的配置信息顯示在系統(tǒng)中。故障監(jiān)控過程融合了地理信息系統(tǒng)，監(jiān)控效果可以以地圖的方式進(jìn)行可視化展示，該功能保證了配網(wǎng)工作人員的辦事效率。數(shù)據(jù)定時(shí)記錄是指終端監(jiān)測設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)抓取頻率讀取監(jiān)測點(diǎn)的電流、電壓、溫度等表征配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息，之所以定時(shí)抓取考慮到了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的吞吐量限制，需要在系統(tǒng)的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性上做出取舍。監(jiān)控終端自我檢測是指終端定時(shí)將自身的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行日志反饋到信息系統(tǒng)中，后臺(tái)通過評(píng)估模型評(píng)估終端的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)判別終端采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊接收數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)信息[17]，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。然后再根據(jù)后臺(tái)配置的數(shù)據(jù)模型，來判別配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。此外，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊還有一部分的數(shù)據(jù)可視化功能，即描繪各個(gè)監(jiān)控站點(diǎn)的各種電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息，方便及時(shí)監(jiān)測。

1.2.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理包含了用戶管理、變電站管理、線路管理、終端管理。用戶管理主要是對用戶信息和權(quán)限的管理，包含用戶在數(shù)據(jù)庫中的訪問權(quán)限、新用戶的增加、信息的編輯、用戶的刪除等功能[18]。其余的硬件設(shè)備管理功能模塊主要實(shí)現(xiàn)對各種設(shè)備，在數(shù)據(jù)庫中信息的增加、刪除、修改、查詢。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 技術(shù)架構(gòu)

故障監(jiān)測與定位系統(tǒng)的軟件部分采用的是B/S架構(gòu)，該架構(gòu)的原理如圖3所示。B/S架構(gòu)是時(shí)下被廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，是典型的三層應(yīng)用架構(gòu)，分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層?？蛻舳撕头?wù)器之間的通信依靠中間件完成，中間件是三層應(yīng)用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)平臺(tái)，Web應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫之間的連接也是由中間件完成的。在應(yīng)用的部署上，以Web瀏覽器作為客戶端，將核心功能部署在服務(wù)器上。用戶在瀏覽器上，借助服務(wù)器和瀏覽器的通信完成所需的功能。即對于B/S架構(gòu)，客戶機(jī)上只需一個(gè)瀏覽器即可。因此，B/S架構(gòu)相較于傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)，更適合于本系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

圖3 B/S架構(gòu)示意圖

在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，涉及了 Spring、ibatis、DWR、ExtJS等多個(gè)編程框架，系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫是Oracle。

Spring框架：Spring框架實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯層業(yè)務(wù)對象的管控。該框架簡化了編碼過程中的“對象管理”工作，明確定義了對象生命周期、對象之間的交聯(lián)關(guān)系。在本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，借助了Spring框架中的控制反轉(zhuǎn)（IOC），將原本的“對象之間自身掌控關(guān)系”轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠咳萜鲗ο筮M(jìn)行控制，從而大幅降低了系統(tǒng)中代碼的耦合性，保證了代碼運(yùn)行的穩(wěn)定性和后期的可維護(hù)性。

ibatis：ibatis是一種用于“半自動(dòng)化”對象映射的框架，完成業(yè)務(wù)邏輯到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的映射，其相對于Hibernate的“一站式”對象關(guān)系映射。對于Hibernate這種封裝了完整的POJO到數(shù)據(jù)庫映射的框架，開發(fā)過程中只需關(guān)注映射關(guān)系的完整性即可。但對于本監(jiān)控系統(tǒng)而言，系統(tǒng)中存在著大量數(shù)據(jù)亟待處理。因此，必須要對對象映射過程中的SQL代碼進(jìn)行優(yōu)化。此時(shí)，便需要使用ibatis該種“半自動(dòng)化”的映射框架。所以，ibatis相較于Hibernate更適合本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

DWR:Direct Web Remoting用于前端Web瀏覽器和后臺(tái)Java類之間的交互，是一個(gè)開源的Ajax框架，實(shí)現(xiàn)變現(xiàn)層和業(yè)務(wù)邏輯間的分離。通過該框架，在網(wǎng)頁中編寫的JS代碼可以轉(zhuǎn)換成直接在Web服務(wù)器上編寫的函數(shù)，這大幅縮短了開發(fā)所需的時(shí)間，而這在本系統(tǒng)交互頻繁的場景下尤為明顯。此外，該框架下Web瀏覽器無需刷新便可從服務(wù)器上讀取數(shù)據(jù)，對于網(wǎng)頁的響應(yīng)時(shí)間也是較大地優(yōu)化。

ExtJS：ExtJS是一個(gè)實(shí)用的 Ajax框架，由JavaScript所編寫，完全脫離于后端邏輯。該框架擁有豐富的UI組件，可以提高開發(fā)效率，使表現(xiàn)層更為美觀。此外，該框架對于不同的瀏覽器也有良好的兼容性，可以在任意的瀏覽器上使用。

Oracle:Oracle數(shù)據(jù)庫是目前應(yīng)用最廣泛的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫，是以關(guān)系數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具備完備的數(shù)據(jù)管理功能，且支持高并發(fā)、多用戶的使用場景。此外，對于配電網(wǎng)這種國家級(jí)項(xiàng)目，Oracle數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)安全性優(yōu)點(diǎn)也是被選用的重要原因之一。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

基于2.1的技術(shù)框架，系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。下面以故障定位模塊的實(shí)現(xiàn)為例，展示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

故障定位模塊通過讀取系統(tǒng)后臺(tái)線路圖的方法，實(shí)時(shí)顯示各條配網(wǎng)運(yùn)行線路中的運(yùn)行情況。具體實(shí)現(xiàn)過程包括：MonitorLineSevice負(fù)責(zé)對后臺(tái)各條線路的數(shù)據(jù)監(jiān)測，該服務(wù)可以讀取變電站的信息表、配電線線路的數(shù)據(jù)表、故障監(jiān)測的數(shù)據(jù)表等數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)計(jì)算，判斷是否判別為故障。該類當(dāng)中的getSubstationTreeList可以按照系統(tǒng)后臺(tái)寫好的數(shù)據(jù)樹讀到故障點(diǎn)的站點(diǎn)信息，getLineNameTreeList可以讀到該點(diǎn)的線路信息。用戶在瀏覽器中的行為，會(huì)觸發(fā)MonitorLineService實(shí)現(xiàn)對于固定區(qū)域的監(jiān)控。

此外，本信息系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)故障定位功能時(shí)，結(jié)合了GIS（地理信息）平臺(tái)。GIS平臺(tái)[19]的引入，可以幫助工作人員快速定位到故障點(diǎn)的地理位置。同時(shí)，工作人員可以提前通過配置模塊，配置好顯示的信息。如圖4所示，故障發(fā)生后系統(tǒng)立刻定位了故障位置。同時(shí)顯示了故障信息，包括了故障的設(shè)備、設(shè)備的維護(hù)部門、所屬的線路、設(shè)備型號(hào)等信息。從而減少了配電網(wǎng)運(yùn)維人員的工作壓力，保證了配電網(wǎng)工作人員的對于故障的快速響應(yīng)。

圖4 故障定位功能頁面

3 結(jié)束語

文中描述了配電網(wǎng)故障監(jiān)測和定位項(xiàng)目中信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前按照軟件工程的理論進(jìn)行了詳盡的需求分析，保證了系統(tǒng)功能上的完整性。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上基于B/S框架，采用了多種Spring、ibatis等多個(gè)軟件框架，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。此外，系統(tǒng)在故障定位功能的實(shí)現(xiàn)上融入了GIS信息系統(tǒng)，以可視化的方式展示監(jiān)控效果，大幅提高了配網(wǎng)人員的故障定位效率。