基于云平臺(tái)的配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文/陳劍 牛艷華 梁業(yè)佳

配網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)遍布電網(wǎng)和用戶間，配網(wǎng)設(shè)備投運(yùn)前及日常運(yùn)行過程中的狀態(tài)測試、維護(hù)是保障配網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的基本手段。常規(guī)的配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)項(xiàng)目主要有直流電阻測試、絕緣電阻測試、交流耐壓測試、回路電阻測試、變比測試等。確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效管控，是保證配網(wǎng)安全運(yùn)行、提高供電可靠性、提升用戶滿意度的技術(shù)保障。

目前配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)需要多名技術(shù)人員到場，存在人力資源的浪費(fèi)；測試項(xiàng)目繁多，測試設(shè)備多樣，給現(xiàn)場接線、測試設(shè)備使用等方面增加困難；數(shù)據(jù)記錄及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理不僅需要消耗大量的時(shí)間，而且也很難完全杜絕數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤，最終影響試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判；另外，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理一般是撤離現(xiàn)場后才完成，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，難以保證是人為操作出現(xiàn)問題還是設(shè)備本身存在問題，按照科學(xué)試驗(yàn)的一般原則，需要進(jìn)行二次試驗(yàn)驗(yàn)證，但再次進(jìn)行試驗(yàn)則浪費(fèi)人力物力；此外，設(shè)備的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)是設(shè)備狀態(tài)趨勢分析的重要數(shù)據(jù)來源，而該模式下的配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅能作為本次設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的依據(jù)，無法做到在不同時(shí)限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)間建立起該設(shè)備工作狀態(tài)、狀態(tài)發(fā)展趨勢關(guān)聯(lián)的關(guān)系，對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代而言，亦是一種資源浪費(fèi)。

針對(duì)配網(wǎng)設(shè)備實(shí)驗(yàn)存在的問題，設(shè)計(jì)一套基于云平臺(tái)的配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步提高電網(wǎng)的管理信息化和精細(xì)化，從而加快智能電網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程。

1 系統(tǒng)的總體方案

圖1：基于云平臺(tái)的配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖2：多功能一體化檢測設(shè)備硬件框圖

基于云平臺(tái)的配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括多功能一體化檢測設(shè)備、Surface和后臺(tái)服務(wù)中心三部分。多功能一體化檢測設(shè)備通過Wi-Fi與Surface相連，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算等功能，并將數(shù)據(jù)傳至Surface；Surface完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功能選擇、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)告生成與查看、報(bào)警、遠(yuǎn)程通訊、Web發(fā)布的功能；后臺(tái)服務(wù)中心包括云平臺(tái)和上位機(jī)兩部分，主要完成對(duì)Surface傳來的數(shù)據(jù)及試驗(yàn)報(bào)告的接收，數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)據(jù)與報(bào)告查看、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程通訊、Web發(fā)布等功能。

2 多功能一體化檢測設(shè)備設(shè)計(jì)

多功能一體化檢測設(shè)備由多功能檢測模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、運(yùn)算控制模塊、通信模塊構(gòu)成，功能模塊又包括直流電阻模塊、交流耐壓模塊、回路電阻模塊、絕緣電阻模塊、變比模塊等。如圖2所示，功能模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)采樣模塊主要負(fù)責(zé)AD轉(zhuǎn)換，運(yùn)算控制模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，通信模塊主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳至Surface。

多功能檢測模塊之間相互獨(dú)立，可按照實(shí)際需求增加或減少，每個(gè)模塊都設(shè)計(jì)一套專門的檢測電路，可實(shí)現(xiàn)高精度的參數(shù)檢測和信號(hào)放大作用。

在數(shù)據(jù)的采集過程中，采樣邏輯控制芯片XC3S200AN定時(shí)向采樣芯片發(fā)送采樣信號(hào)，采樣芯片PCM1804-Q1 和AD7606 檢測到采樣信號(hào)后開始數(shù)據(jù)采集。采樣芯片完成采集后向XC3S200AN芯片發(fā)送ready信號(hào)，然后通過SPI向XC3S200AN芯片發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸完成后，XC3S200AN芯片向CPU發(fā)送DMA請(qǐng)求中斷，DMA中斷處理程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)以DMA方式高速傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩存區(qū)緩存。

圖3：Surface開發(fā)軟件總體功能架構(gòu)圖

圖4：B/S系統(tǒng)架構(gòu)圖

運(yùn)算與控制模塊選用基于ARM架構(gòu)的處理器LPC4357，LPC4357是恩智浦（NXP）公司制造的Cortex-M4微控制器，帶有Cortex-M0協(xié)處理器，為32位雙核處理器，處理器的內(nèi)核工作頻率高達(dá)204MHz，能夠快速、高效完成運(yùn)算與控制工作。

通信模塊包括RS232串口通信模塊和Wi-Fi通信模塊，RS232串口通信距離有限、傳輸速度快，主要用于程序下載和調(diào)試，Wi-Fi模塊可實(shí)現(xiàn)與檢測設(shè)備的無線連接，完成檢測設(shè)備與Surface間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 Surface開發(fā)

Surface是微軟系列下的一款平板電腦，經(jīng)過開發(fā)，在特定的場合下，除了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量會(huì)受到內(nèi)存大小的限定而比傳統(tǒng)上位機(jī)小外，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)上位機(jī)的全部功能。它比傳統(tǒng)上位機(jī)輕便靈活，方便結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境操作，并且在數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娓斜Ｕ希话愕倪h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在無GPRS信號(hào)或后臺(tái)服務(wù)中心停電等特殊情況下，設(shè)備無法將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成失敗、無法通過Web訪問等問題，另外，Surface更容易進(jìn)行功能模塊的擴(kuò)展。綜上可知，它有效克服了目前較為流行的手機(jī)APP和上位機(jī)協(xié)同工作模式下的應(yīng)用缺點(diǎn)，無論是從目前的實(shí)現(xiàn)效果還是長遠(yuǎn)的發(fā)展角度看，都是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。

Surface主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功能選擇、實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程通訊、報(bào)告查看、Web發(fā)布等功能。顯示模塊主要包括功能選擇界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面、報(bào)告查看界面、報(bào)警提示等，其它功能模塊主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程通訊和Web發(fā)布。軟件總體功能架構(gòu)圖如圖3所示。

4 后臺(tái)服務(wù)中心設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)，如圖4所示，設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)和報(bào)告存儲(chǔ)在云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，首先客戶端通過Web瀏覽器向web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，Web服務(wù)器收到客戶端請(qǐng)求后再向云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，數(shù)據(jù)服務(wù)器收到請(qǐng)求后向Web服務(wù)器應(yīng)答，然后Web服務(wù)器向客戶端應(yīng)答，就形成一次完整的工作過程。

Web端頁面實(shí)現(xiàn)主要涉及的技術(shù)為ASP.NET技術(shù)。當(dāng)客戶端通過瀏覽器請(qǐng)求(Request)頁面時(shí)，服務(wù)端首先由頁面分析器(Parser)分析其對(duì)被請(qǐng)求的頁面進(jìn)行分析；再將通過分析的頁面內(nèi)容傳遞給編譯器(Compiler)；經(jīng)過編譯器編譯的頁面內(nèi)容被傳輸給組裝緩存(Assembly Cache)，同時(shí)，一些需要較高資源代價(jià)的元素可以存入內(nèi)存(Memory)。將組裝緩存和內(nèi)存中的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合形成一個(gè)完成的頁面，完整的頁面最后被送往輸出緩存(Output Cache)。輸出緩存中的內(nèi)容將作為客戶端的頁面請(qǐng)求結(jié)果被送回至瀏覽器，當(dāng)同一頁面被再次請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)端將直接從輸出緩存中輸送出頁面請(qǐng)求結(jié)果。

5 結(jié)語

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將多個(gè)檢測設(shè)備功能合而為一，簡化了試驗(yàn)過程，并且試驗(yàn)過程方便、安全、高效，減少了人力資源的浪費(fèi)；智能化的數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)報(bào)告的自動(dòng)生成為試驗(yàn)的后續(xù)處理節(jié)省了大量時(shí)間，最大化避免工作人員的操作失誤與計(jì)算錯(cuò)誤，增加了試驗(yàn)的可靠性；試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接傳送至云平臺(tái)，避免試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)造假，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性；實(shí)現(xiàn)分區(qū)管理和歷史查詢功能，加強(qiáng)了對(duì)配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)工作的規(guī)范管理；采用微軟的Surface進(jìn)行開發(fā)，與傳統(tǒng)的SCADA監(jiān)控系統(tǒng)相比，不需要網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)等硬件設(shè)備，降低了成本；并且克服了手機(jī)APP與上位機(jī)協(xié)同模式下容錯(cuò)率低、不易進(jìn)行功能擴(kuò)展等缺點(diǎn)；云平臺(tái)的建立，實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)場試驗(yàn)工作的規(guī)范管理及試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)管理，為資產(chǎn)設(shè)備全生命周期管理、設(shè)備運(yùn)維等提供高效、可信的數(shù)據(jù)管控和分析平臺(tái)；為在相應(yīng)的數(shù)據(jù)深度、寬度、邊界及約束條件的基礎(chǔ)上，建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性自動(dòng)識(shí)別模型，為最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的試驗(yàn)、試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判和報(bào)告的自動(dòng)生成提供一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。