基于Android的户用微网EMS客户端软件
2013-05-09黄秀琼朱坤赵凤展
黄秀琼，朱坤，赵凤展
（1.广西电网公司，广西南宁 530023；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）
Android是谷歌公司开发的开放源代码的操作系统。它是以嵌入式Linux操作系统作为基础的手机软件平台，主要用来满足便携式移动设备需求，包括操作系统、用户界面和应用程序三大部分。Android内核是由标准的Linux内核修改而来，所以它集成了Linux内核的各种优点[1-3]。在保留了标准Linux内核的主体架构的同时，Android又按照移动设备的需要，在内存管理、文件系统、进程间通信和电源管理等各方面进行了修改，添加了相应的驱动程序和一些必要的功能。
微电网是电力系统、可再生能源发电技术发展的产物，是由分布式电源、负载、储能单元、控制与管理系统等组成的微型或小型发用电系统[4-5]。户用微网是针对单一用户组建的微电网，包括小型光伏发电单元、风力发电单元、储能系统单元和控制与管理系统的小型的微电网[6-11]。
EMS提供了一个B/S结构的系统，用于对分布式电源、负载、储能单元进行数据实时监控、发用电数据分析、综合协调控制，同时可以对可再生能源进行综合分析预报。对于使用PC机的用户而言，他们可以使用浏览器远程访问该系统；对于使用Android手机的用户而言，可以选择安装Android客户端程序，这样就可以通过手机来远程访问该系统。
通过在智能手机设备上基于Java语言开发应用程序，能够充分展示移动设备的特点和优势，使业务人员可以直接在手机上访问远程服务器的数据，提高了业务人员的工作效率，改变了过去EMS必须使用PC机的情况，并给业务人员提供更加友好的操作界面，便于业务人员及时了解现场设备的运转情况，降低了运行风险，提高了管理水平[7-8]。以下是作者的设计方案，并提出了软件的实现方法和软件提供的主要功能。
1 系统平台设计
1）硬件开发平台。由于业务操作人员的工作环境复杂、屏幕显示内容和手机待机时间长短等各种条件限制，本客户端软件选用摩托罗拉公司生产的三防智能手机ME525+作为硬件平台进行开发。它是一款采用德州仪器OMAP3620处理器的3.7寸屏幕的基于Android系统的智能手机，主频率为1 024 MHz。通过它可以使操作人员在各种工作环境下都能顺利访问远程服务器的数据，同时也避免了重复的硬件开发，提高开发效率，节约开发成本。
2）软件开发平台。除了要选好硬件开发平台，设计和开发户用微网EMS客户端软件应用程序，还要在此硬件开发平台基础上搭建好软件开发环境[9-13]。应用程序软件开发环境的搭建是基于Windows XP操作系统，具体方法如下：
①首先需要安装JDK（Java Development Kit)6.0，安装成功后，需要配置系统环境变量；
②接下来下载并安装Eclipse IDE；
③然后安装ADT（Android Development Tools）插件；
④最后下载Google Android SDK，并进行必要的安装与设置，此过程可能需要等待很长的时间。
2 Android应用与JavaEE整合
Android系统发展的大趋势是与传统的服务器端应用系统相互整合。因为手机的硬件资源毕竟是有限的，首先体现在计算处理能力有限，同时手机存储数据的能力也是有限的，所以Android应用更适合作为整个应用的客户端。由于手机方便携带，可以随时随地开机运行应用程序，而且可以随时访问网络，并通过网络与服务器端应用进行交互，获取服务器端的数据信息。所以在未来的时间里，运行在手机上的各种管理系统客户端软件将会大量出现。
远方的服务器端EMS（能量管理系统）是采用标准的JavaEE架构进行开发的，系统利用商用关系数据库进行数据存储和管理。Android客户端通过网络与服务器端程序的控制器组件进行交互。
户用微网EMS客户端软件不是简单的基于手机或者服务器的单机小应用，而是一个将Android与传统服务器应用整合的应用，在这个应用中，服务器端程序依然保持了良好的应用架构，而客户端则使用Android应用程序充当。整个应用具有很好的示范性，整个项目具有极好的可扩展性和可维护性。整个系统的框架结构图如图1所示。
图1 户用微网EMS客户端软件的系统框架结构图Fig.1 System framework of household micro-grid EMS client software
整个应用的服务器端是一个完整的JavaEE项目，服务器端采用了控制层、业务逻辑层、数据访问层的分层架构。Android客户端应用负责与服务器的控制层组件进行交互，Android应用采用Apache HttpClient向服务器端的控制层发送请求，远程EMS应用的服务器通常具有独立的IP地址，客户端应用根据此IP地址和服务器提供的端口号访问并获得服务器的响应，服务器响应采用JSON数据格式，可以更加有效地进行数据交互，部分代码如下：
这样即可实现Android系统与户用微网EMS系统之间的通信，如图2所示。
图2 Android应用与JavaEE整合的原理图Fig.2 The schematic diagram for integration of Android applications and JavaEE
图3 户用微网典型模型Fig.3 Typical household micro-grid model
3 户用微网EMS
微电网是由负荷和分布式电源共同组成的系统，各种电力电子器件负责内部的能量转换，相对于外部电网表现为单独的受控单元，可满足用户对电能质量和用电安全的需要。
户用微网是微电网中针对单一的用户组建的小型微网。通常由双向逆变器及其控制器、多功能智能双向计量电表、小型风力发电机、光伏发电单元以及储能单元和用户负荷组成，如图3所示。
对用户来说，由于微电网分布式的特点，可以维持本地电压稳定，增加本地供电可靠性，降低馈线损耗。通过利用分布式电源发电，能够提高电能的利用效率；通过提供不间断电源，能够满足单一用户特定的需求。
户用微网本身又是一个可控单元，微网内部分布式电源的出力一方面受天气的影响，另一方面电网可以在一定程度上对其进行调度，这也为电网运行控制提供了灵活性。户用微网自身也有能量管理系统，需要根据用户的信息进行管理，需要与大电网进行协调。户用微网能量管理系统根据远方设备的数据信息和用户用电信息，为电网运行方式提供快速分析与决策方法、电能质量监测方法、综合控制方法。
4 主要功能
户用微网EMS客户端软件系统主要提供包括远程分布式电源和负载的实时数据查看、功率曲线分析、电量构成统计、数据综合分析和远程控制的功能，同时可以查看客户端软件的程序版本信息。
通过点击Android平台手机中软件的图标可以直接进入软件登陆界面，输入正确的用户账户、用户口令，通过向远程服务器发送请求，经过服务器端验证成功后即可进入功能选择主菜单，如图4所示。
图4 登陆界面和主菜单Fig.4 Landing interface and main menu
软件主要功能如下：
1）实时数据。实时数据显示模块实现的是对远程设备和用户的状态进行实时监视，包括风机、光伏单元和储能电池的电压、电流、功率数据；负荷电压、电流、功率情况。通过点击界面中的召唤实时数据按钮，客户端软件将指令发送到远方服务器端，服务器端EMS程序将写一条命令到系统数据库中，系统的前置机读出并解释该命令，然后根据指令来读取远方数据信息并返回到客户端软件中。Android平台通过配置XML文件，将返回的各个数据量按不同分类显示在Android提供的
2）功率曲线。客户端软件在Android平台下使用RChart来画曲线图，包括风机、光伏单元有功功率曲线、电网输入有功功率曲线、用户负荷消耗功率曲线、用户逆变并网功率曲线、储能电池发出功率曲线。
通过分析曲线数据，用户负荷消耗功率应满足以下功率平衡方程：
式中，P代表用户的用电功率；Pg代表电网输送功率；Pw代表风机输出功率；Ps代表光伏单元输出功率；Pb代表储能电池供电功率。
通过Android平台客户端软件，业务人员可以及时查看各种数据。根据光伏、风机发电单元的功率，同时结合气象数据条件，软件为光伏发电和风力发电的功率分布提供科学合理的预测。在风光充裕时，用户可以尽量选择新能源发电来供电，这样能够保证电网按比较保守的方案为风电留出足够的备用容量，以平衡风电功率的波动。
3）电量统计。电量统计能够显示电网输入总有功电量、逆变并网总有功电量、负荷消耗总有功电量、风机单元发电量和光伏单元发电量。
4）数据分析。用户的负荷类型可以分为重要负荷和一般负荷。根据客户端软件显示的各级用电负荷的功率情况及各时段用电情况，可以得出各级负荷分时段用电成本目标函数：
式中，F表示用户用电成本；i表示一天中尖峰平谷的用电时段从到T；Pi表示每个时段的用电电价；L1、L2分别表示重要负荷和一般负荷的功率情况；Ti表示负荷在时段i的用电时间长度。以此为用户合理用电、经济用电提供良好的分析策略。目标函数同时满足以下不等式约束条件：
5）远程控制。根据家电功率等参数，通过数学模型计算出家电的最佳用电时段，用户可以根据家电的最佳用电时段选择对家电的远程操作控制。通过Android平台客户端软件能够使用户只要一部手机，就能随时随地的掌握家中的用电情况，合理管理各类负荷的使用，如图5所示。
图5 远程负荷控制Fig.5 Remote load control
5 结语
本文介绍了基于Android平台的应用程序的开发环境搭建方法以及如何与远程服务器端通信，并简单分析和实现了户用微网EMS的实时数据查看、功率曲线分析、电量构成统计、数据分析和远程控制等主要功能。
由于Android平台的开放行和可移植性，软件具有很好的扩展空间，并且信息显示速度快，内容展示丰富，界面操作方便灵活；另外由于开发成本和能耗低，软件具有良好的经济性。业务人员通过该软件，能够及时发现远方风机、光伏单元、储能单元、逆变器等电力设备运行中存在的问题，降低电网的安全风险。
由于手机设备在某些偏僻地区可能出现信号差的问题，基于Android的客户端软件在访问远程服务器的时候可能会出现阻塞。随着国家对通信网络的大力投入，通信网络将会不断完善，可以预见基于Android平台开发的应用于手机的客户端软件一定会流行。
[1]曾新锋，徐飞龙．Android手机平台优酷客户端的设计[J]．煤炭技术，2012，31（4）：230-232．ZENG Xin-feng，XU Fei-long.Design of android mobile phone platform Youku client[J].Coal Technology，2012，31（4）：230-232（in Chinese）．
[2]陈浩，李本富．基于Android的移动警务系统开发 [J]．科学技术与工程，2012，12（4）：911-913．CHEN Hao，LI Ben-fu.The develop of a software system for police work based on Android[J].Science Technology and Engineering，2012，12（4）：911-913（in Chinese）．
[3]HUNG S H，SHIEH J P，LEE C P.Migrating Android applications to the cloud[J].International Journal of Grid and High Performance Computing，2011 3（2）:14-28.
[4]孔淑琴，牛铭，付学谦，等.微网孤网经济运行研究[J].电网与清洁能源，2012，28（4）:57-62.KONG Shu-qin，NIU Ming，FU Xue-qian，et al.Research on economical operation of island microgrid[J].Power System and Clean Energy，2012，28（4）:57-62（in Chinese）.
[5]李晓春，费丽强，李鹏.微网并网容量分析[J].电网与清洁能源，2011，27（9）:21-25.LI Xiao-chun，FEI Li-qiang，LI Peng.Acceptable capacity of microgrid connected to the main power grid[J].Power Systemand Clean Energy，2011，27（9）:21-25（in Chinese）.
[6]王宁．微网系统能量管理技术研究[D]．北京：北京交通大学，2011．
[7]李国栋，严宇，皮俊波，等.基于区间数逼近的微网电压暂降风险评估[J].电网与清洁能源，2012，28（6）:13-18.LI Guo-dong，YAN Yu，PI Jun-bo，et al.Risk assessment of micro-grid voltage sag based on an approximation method of interval numbers[J].Power System and Clean Energy，2012，28（6）:13-18（in Chinese）.
[8]陈永淑，周雏维，杜雄．微电网控制研究综述[J]．中国电力，2009，42（7）：31-34．CHEN Yong-shu，ZHOU Chu-wei，DU Xiong.Overview of researches on microgrid control[J]．Electric Power，2009，42（7）：31-34（in Chinese）．
[9]欧阳翚，牛铭.基于不同控制策略的微网仿真[J].电网与清洁能源，2011，27（3）:19-24.OUYANG Hui，NIU Ming.Simulation of micro-grid system based on different control schemes[J].Power System and Clean Energy，2011，27（3）:19-24（in Chinese）.
[10]左文霞，李澎森，吴夕科，等．微电网技术及发展概况[J]．中国电力，2008，42（7）：26-28．ZUO Wen-xia，LI Shu-sen，WU Xi-ke，et al.A summarized survey on research of microgrid technology and its development[J].Electric Power，2008，42（7）：26-28（in Chinese）．
[11]习朋，李鹏，刘金鑫，等.孤岛运行模式下的微网经济负荷分配[J].电网与清洁能源，2011，27（8）:13-18.XI Peng，LI Peng，LIU Jin-xin，et al.Economical load dispatch of microgrids in isolated mode[J].Power System and Clean Energy，2011，27（8）:13-18（in Chinese）.
[12]钱毅．基于Android的电力通信无线巡视终端的方案设计[J]．电力学报，2011，26（1）：60-63．QIAN Yi.Design scheme of wireless perambulation terminal for power communication based on Android[J].Journal of Electric Power，2011，26（1）：60-63（in Chinese）．
[13]黄伟敏．Android平台的即时通信系统客户端设计方案[J]．现代电子技术，2011，34（16）：140-142．HUANG Wei-min.Design of client-side in instant communication system of Android platform[J].Modern Electronics Technique，2011，34（16）：140-142（in Chinese）．
[14]岳传真．Android系统移植和应用程序开发[D]．上海：复旦大学，2010．
[15]埃布尔森．Google Android揭秘[M]．北京：人民邮电出版社，2010：127-128．
[16]岳传真．Android系统移植和应用程序开发[D]．上海：复旦大学，2010．
[17]杨丰盛．Android应用开发揭秘[M]．北京：机械工业出版社，2008．
[18]阎毓杰．基于Android的电动汽车车载信息显示终端[M]．长春：吉林电子出版社，2005．
