基于3G/4G網絡的配網主設備監測平臺設計

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，可以節省初期建網的巨額投資，無需承擔維護費用，數據管理也會更為方便。目前，基于移動通信的遠程監測技術已成為研究熱點。國外遠程終端監測系統主要是基于嵌入式微處理器，利用GPRS、3G等移動通訊網絡［3］，協助管理系統發布采集的數據，例如美國某電氣公司研發的PowerConirol遠程電力監測系統。國內各大公司也在研發此類產品，例如某科技有限公司開發的GPRS電力配電監測系統，冀網某供電公司建設的“3G視頻傳輸系統”。

在電力設備在線監測中，將電力設備的運行數據引入到信息管理系統（management information system，MIS）［4］，為工作人員提供了極大的方便，只是該系統存在只能在計算機上顯示數據的局限性，若能將移動終端接入到MIS系統，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和運行數據，并且依據運維數據及時、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網的時代，各種新型的智能移動終端呈現幾何式的增長，其中Android系統是基于Linux平臺的手機操作系統，對第三方軟件完全開放，代碼全部開源免費［5］，打破了其他系統封閉開發的模式，而且該系統提供了大量的實用庫和開發工具，使得開發人員可以很容易地搭建自己的應用。

為此，開發一種基于3G/4G網絡的配網主設備監測平臺，該平臺可以有效整合配網在線監測的總體數據。工作人員利用手機、平板等智能終端就可以登陸系統，實時有效的監測配網主設備的工作狀態和負荷信息，并對相關數據做出及時的處理［6］，運維人員也可以隨時隨地地查看問題和解決問題，這將是在線監測領域的一大發展趨勢。

1 系統結構

在WAMP集成環境下，使用PHP語言完成應用服務器對數據庫的數據訪問以及應用服務器與客戶端之間的數據交互［7］；在 Eclipse開發環境下，利用JAVA語言對監測平臺客戶端進行整體的設計和軟件功能的實現。監測平臺分為數據庫服務器模塊，應用服務器模塊，監測平臺客戶端模塊，網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure block diagram

1.1 數據庫服務器

數據庫服務器通過系統接口實現監測平臺與配電網監控系統的數據共享，將相關數據讀取到數據庫，結合設備參數等信息，進行統一的規約處理、存儲、集成與融合，建立高效、全面的設備狀態信息庫。

1.2 應用服務器

應用服務器是連接數據庫和移動客戶端的中間環節。依據客戶端提交的數據對數據庫進行數據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的JSON格式，通過3G/4G網絡同步地發送到相關部門和管理人員的Andrioid智能手機、平板等移動終端，實現配網主設備的運行數據、離線數據、帶電檢測數據的融合與共享。

1.3 平臺客戶端部分

Android客戶端是配網主設備監測平臺設計的核心內容。在Eclipse開發環境下，使用JAVA語言實現客戶端內部的邏輯功能，利用XML語言實現頁面設計，選定3G/4G網絡作為通信方式，實現客戶端與服務器的數據交互，確保監測平臺運行的穩定性和流暢性。

2 系統設計

2.1 服務器端設計

監測平臺服務器端包括數據庫服務器、應用服務器兩部分的內容。

2.1.1 MySQL數據庫

MySQL是一種關系型數據庫管理系統［8］，憑借體積小、速度快、成本低，以及開源性等優點，成為中小型網站的首選。監測平臺以MySQL作為數據庫服務器，采用phpMyAdmin做為MySQL的數據庫管理工具，建立“jcpt”數據庫。依據監測平臺的功能需求，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，FRA）的10kV配電變壓器繞組變形帶電檢測數據為例，將變壓器繞組變形檢測結果實時傳輸到監測平臺的數據庫服務器。

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、性能穩定等優勢，已經成為世界使用排名第一的服務器軟件。監測平臺采用Apache作為應用服務器，使用PHP語言來處理客戶端的發來的HTTP請求，并把讀取的數據庫內容以及對客戶端的響應封裝成JSON格式，通過HTTP協議回傳給Android終端，從而實現客戶端與MySQL數據庫的通信。

2.2 Android客戶端設計

Android作為一個完整、開源的開發平臺，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作為配網主設備監測客戶端的開發平臺。在Eclipse開發環境中，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，經過對監測平臺的需求分析，客戶端可實現用戶登錄、信息預警、數據實時顯示、歷史數據查詢等功能，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

在監測平臺的數據庫服務器中，包含著用戶信息表，該數據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遠程調用相應的登錄函數，與數據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

預警信息功能根據配網主設備的運行數據，通過特定的程序算法判斷設備的運行狀態，一旦超出設定的范圍，就會向數據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，監測平臺的數據庫預警信息表—jcpt＿warning出現“康樂街變壓器T3繞組輕微變形”預警數據，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 數據實時顯示功能

實時數據功能可以顯示配網主設備實時運行數據，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。實時數據頁面設計了變壓器數據、斷路器數據、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，就會出現相關設備的實時運行數據如圖5所示。

2.2.4 歷史數據查詢功能

歷史數據查詢功能引入 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據，為配網主設備的在線監測與故障診斷提供數據支持如圖6所示。

圖5 實時數據顯示頁面Fig.5 Real-time data display page

圖6 歷史數據查詢頁面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據查詢等操作時，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“系統假死”的現象。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，同時創建子線程實現對網絡訪問等耗時操作。針對子線程不能直接傳遞數據到主線程的問題，利用消息傳遞機制［9］，使用 Looper、Handler和 Message等方法實現子線程與主線程的數據傳遞，最后采用定時輪詢的方式，實現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開發環境中實現信號采集、實時調理、數據分析等功能［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 檢測數據導入平臺

TD-SCDMA無線數據終端，內部集成了調制解調器，可以實現WEB瀏覽和數據傳輸等業務。將該終端與帶電檢測裝置的USB接口相連，利用PHP語言編寫數據采集頁面，通過遠程連接監測平臺數據庫服務器的技術，可以將檢測結果實時插入到設備運行表中，從而實現檢測數據向監測平臺的數據導入，數據采集頁面如圖8所示。

3.2 客戶端實時數據顯示

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、數據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據交互。該頁面采用AChartEngine框架，這是一個在安卓系統上制作圖表的框架，可實現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 客戶端歷史數據查詢

在監測平臺主頁面上，點擊歷史數據查詢按鈕，見圖10所示，選擇要查選的配網設備—“配變”和要查詢的具體數據—“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，出現歷史數據顯示頁面。

圖10 歷史數據查詢功能測試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測平臺是從傳統的計算機網、局域網向互聯網、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測平臺服務器和客戶端的設計與實現的具體方案，可以實現配網主設備運行數據實時共享，并將預警信息實時地發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據，驗證了監測平臺的可行性和有效性。基于3G/4G網絡的配網主設備監測平臺對于提高電力設備在線監測水平具有一定的工程應用價值。