智慧電網管理系統的設計與實現

2022-02-27 03:27:04劉鋰

電子設計工程 2022年4期

劉鋰

（成都理工大學工程技術學院，四川樂山 614000）

各行業的發展都離不開電力的支持，電網的建設和高效管理已成為國家建設發展的主要任務之一，智能電網的建成被認為是實現可持續發展的重要條件[1]。及時響應用戶需求、更加穩定安全地供電、實現新能源安全并網，是建設智能電網的主要目的[2]。

新技術的發展日新月異，比如人工智能、區塊鏈等技術越來越受關注，區塊鏈的共識算法[3]、加密算法和智能合約[4]有望應用于電網的高效運行管理；現在我國已進入5G 時代，5G 具有超高速、超大連接、超低時延三大特性。這些新技術的應用必將推動和影響能源互聯網的建設，使得電網的智慧調度功能[5]有更加廣闊的創新發展空間。

該系統的設計與實現是以ArcGIS 作為地圖數據處理平臺，最終以Web形式發布，使用Visual Studio 2012 作為開發平臺，借助ArcGIS API for JavaScript工具包，使用CSS、HTML、JavaScript 進行前臺設計，使用C#語言進行后臺設計，系統的后臺數據管理還使用了SQL Server 2012 數據庫。系統定位于空間數據庫和屬性數據庫之上，根據現實世界里的電網和物聯網[6-7]的特點、性質和功能，將電網傳感器等實體綁定到空間位置，以此提供了一種更為高效的智慧電網管理方式。

1 系統概述

該智慧電網管理系統提供了所在區域的電網運行信息、停電信息、使用情況、故障信息以及電網運行壓力狀態信息。通過對實體電網地理信息的查詢，在地圖上標注出實體電網的地理位置，并可以對該電網信息進行瀏覽。在每個實體電網的區域都有相對應的名稱和地址，可根據站點名稱和地址實現快速定位。實現電網管理的網絡化，既能及時解決故障，同時也能避免監察盲區。縮短了發現、解決問題的時間，降低了風險損失。電力供應是制造、醫療、建筑、運輸等系統的重要組成部分，因此任何電力中斷都可能對住宅或商業生態系統的整體運行產生不良影響。

能源互聯網是未來電力系統的新概念，其在不同系統的能源輸送和能源資源之間可高層互連[8]。智能電網系統將基于互聯網的多種數據傳輸方式應用于能源管理、分配、定價和需求服務。該電網系統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、二三維聯動可視化查詢，系統架構如圖1所示。該系統以GIS技術和數據庫技術為基礎[9]，突出個性化。查詢操作簡單快捷，響應迅速。各項功能都依靠成熟的技術來實現，無任何條件限制，無潛伏的安全隱患。

圖1 系統架構圖

系統可行性分析：

1）從經濟效益方面來說，智慧電網管理系統擁有兩套體系：一是管理員能夠進行電網管理并對各種信息進行查詢；二是用戶能夠在電網系統上查詢自身用電情況，提前了解一些斷電信息。可使用戶提前做好防備措施，減少不必要的損失，在經濟上是可行的。

2）從硬件要求方面來說，該系統對硬件性能的要求不高，但為了更加快速準確地發現信息，需要數量較多的傳感器。

3）從技術應用方面來說，該系統所使用的GIS技術、網絡技術和傳感器技術現在均已經相當成熟。

2 地理數據處理

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都有著直接或者間接的關聯，這就是地理數據，也就是通常所說的要素文件。這些要素文件是實現一個智慧電網系統所不可或缺的。隨著社會的快速發展，城市規模逐步擴大，電網路線不斷增多，環境也越來越錯綜復雜，因此要設計一個智慧電網系統，就必須事先構建電網路線圖。要根據地理信息數據進行地點查詢，就需要在收集地理要素信息和地點信息的前提下進行地理要素處理[10]。

2.1 地理數據來源

地理數據是指存儲在地圖中的空間數據，該系統中采用了較為主流的ArcGIS 地理數據。獲得地理數據的方法很多，當前主要是通過網絡柵格數據訪問地理位置，以此獲取坐標數據。該系統設計所需的地理要素數據是簡化模擬某城市的地理數據[11]。將影像圖導入ArcGIS Desktopde 3 個用戶桌面組件中的ArcGIS 進行數據矢量化，建立地理數據庫、要素數據集和要素類。

2.2 地理數據庫的選擇

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

2.3 要素數據集建立存在的必要性

要素數據集是將多個要素放到同一個空間參考系統下組成一個集合，也就是說這些要素共享同一個坐標系。當出現以下情況時，必須考慮多個要素組成一個參考數據集。

1）當不同的要素屬于同一范疇。

2）多個要素都要參與到網絡分析之中充當信息點和連接邊時，必須放到同一要素數據集中。

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系。移動其中一個要素，其他要素會受到影響時，為保持關系不變，應當將這些要素放在同一要素數據集中。

4）電網分析是該次系統設計的功能之一，對于涉及到網絡分析的點要素或者線要素必須放到同一要素數據集。

3 信息數據庫設計

數據庫是用來存儲系統所需的信息以及系統操作產生的一些記錄信息的數據倉庫。數據的準確性和安全性是系統設計中要解決的關鍵性問題，對系統管理和維護有著至關重要的作用。系統數據庫的結構設計不僅關系到系統的性能，還會影響系統的質量以及生命周期。數據庫設計中應達到的最基本要求就是能夠更高效準確地維護更新數據，一個結構合理規范的數據庫對所支持系統的更新和改進有很大的幫助。

數據庫結構設計中還需要考慮使數據庫有更好的可讀性和可操作性，與系統更兼容。該系統需要對信息表進行添加、查詢、修改、刪除等操作。通過對系統功能需求和設計以及數據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、準確的數據字典，為后面的數據庫設計打下了堅實的基礎。

該系統需要根據地理要素矢量化[13-14]對字段進行賦值，建立的數據庫信息表要與地理數據相對應，并要求對系統進行管理和監測。因此該系統構建了下列信息表：

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。

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）電網信息表。包括自增ID、電網編號、電網名稱、電網類型、電網等級。

4）調度管理信息表。包括自增ID、用戶名、流量閾值、電網狀態。

4 系統設計與實現

智慧電網系統本著實用性、可靠性、標準化、安全性、高效性、可維護性六大原則，將系統主要分為后臺數據管理模塊和客戶端應用模塊。

系統采用數據層、服務層、業務層、表現層4 層架構模式。數據層按數據的類型分為非空間數據和空間數據，服務層按服務的功能分為Web 服務和GIS 服務[15]，業務層根據系統各個需求分為不同的業務流程，從而實現用戶需求的功能，最終系統所展現的就是表現層，表現層是使用者與軟件進行交互的窗口。

4.1 系統設計原則

實用性原則：系統界面美觀，操作便捷，用戶主要通過PC 端作為入口，提出需求信息，服務響應快捷，符合市場需求，在實際應用領域達到專業性要求。

可靠性原則：系統在執行功能和操作分析方面，能長久實現并且有效，數據庫的安全性和完整性在任何時候都能夠得到保障。

標準化原則：系統采用的地理數據、地圖坐標和分析方法都符合國家有關部門的標準和規定。

安全性原則：系統對用戶信息、電網信息、維護記錄、日志文件等都要嚴格的保密，確保數據的安全以及系統安全、正常地運行；用戶登錄密碼有嚴格的加密措施處理。

高效性原則：界面設計簡潔明了，操作簡便。系統有快速的服務響應，減少了分析處理的時間，以達到良好的用戶體驗。

可維護性原則：系統預留擴展模塊[16]，以待后續新功能和系統升級更新。

4.2 客戶端設計

客戶端是系統呈現給用戶的操作界面，客戶端界面的設計直接關系到用戶的體驗是否優良。客戶端設計要求界面上要簡潔、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。設計中需要揣摩用戶的使用心理，了解用戶的使用習慣，在實現系統功能的基礎上簡化操作步驟。融入向導性操作，減少新用戶熟悉系統的時間。將系統客戶端的主界面劃分為電網服務區域和信息查詢區域。