可在线编辑电网地理接线信息的电能质量监测系统设计与实现

曲广龙，杨洪耕，熊晓祎

（四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

0 引言

随着科学技术和国民经济的快速发展，电能质量问题已经引起人们的广泛关注。特别是冲击性、非线性负荷的大量应用，使得电网中电压波形畸变、电压波动及闪变等问题日益严重，从而导致电网电能质量严重下降，并诱发各种电力系统事故，对电力用户的正常用电造成不良影响[1]。同时，电能质量的恶化也给电网及用户带来巨大的经济损失。因此建立一套完备的电能质量监测系统对电网的电能质量状况进行在线监测是十分必要的[2]。

电能质量监测系统利用安装在不同站点、不同电压等级以及不同出线端的监测装置采集电能质量数据，通过网络传回数据中心站，实现同时对电网多个位置进行监测，提供全网电能质量状况的相关信息，为科学准确地评估电网的电能质量水平，进行电网事故或异常情况分析及电能质量污染的控制和治理等方面提供重要的数据支撑。

目前国内已研究开发出许多电能质量监测系统[3-14]，但是数据表现形式都比较单一，不能直观展现出电网整体电能质量水平，用户体验效果较差。文献[15]提出了一种基于互联网地理信息系统（Web-GIS）的电能质量监测系统，将电网地理接线信息和电能质量数据结合，使电能质量数据表现形式更加直观和多样化，但是没有提供电网地理接线信息的编辑和扩展功能，如果有新建变电站或线路需要进行电能质量监测则无法做到在线同步，不适合电能质量监测工作的长远发展。本文在文献[15]所做工作的基础上，采用ArcGIS Server技术设计并实现了可在线编辑扩展电网地理接线信息的电能质量监测系统。如果遇到电网新建设变电站及输电线路，可通过地理接线图在线编辑功能实现相应的编辑或新增，使得电能质量监测工作能同步于电网建设发展，从而更好地监测电网电能质量的整体情况。

1 ArcGIS Server简介

ArcGIS Server是一个基于网络（Web）技术的企业级 GIS（Geographic Information System）解决方案[16-17]，为创建和管理基于服务器的GIS应用提供了一个高效的框架平台，并且提供基于工业标准的WebGIS服务。ArcGIS Server基于核心组件库ArcObjects搭建，不仅具备发布地图服务的功能，还能提供灵活的编辑和强大的分析能力，具有以下特点。

a.集中式管理使成本降低。数据维护管理和系统升级只需要在服务器端进行集中式的处理，节约了投入的时间成本和人力资源，并且有利于提高数据的一致性。

b.瘦客户端也可以使用高级GIS服务。以往实现高级GIS功能只能基于庞大的桌面软件，现在通过ArcGIS Server搭建GIS服务使得客户端通过浏览器即可实现高级GIS功能。

c.支持大量并发访问。ArcGIS Server采用分布式组件技术，可大幅降低响应时间，提高并发访问量。

d.可以与其他应用系统无缝整合，为其提供地理信息支持。

2 监测系统设计架构和功能模块

2.1 监测系统设计架构

系统采用 ASP.NET技术。ASP（Active Server Pages）是一种使嵌入网页中的脚本可由因特网服务器执行的服务器端脚本技术，它使运行一些很平常的任务如表单的提交、客户端的身份验证、分布系统和网站配置变得非常简单[18]。监测系统逻辑结构由用户界面层、Web服务层、数据库服务层组成，物理结构可以具体分为电能质量监测设备、数据库服务器、Web服务器、客户端4个部分。系统结构及工作示意图如图1所示。

图1 电能质量监测系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of power quality monitoring system

电能质量监测设备是整个系统的数据采集及预处理装置。其负责采集电压、电流数据，并计算各电能质量指标，整理成电能质量标准数据格式PQDIF（Power Quality Data Interchange Format）文件，通过文件传输协议（FTP）由管理信息区网络发送到服务器端；当有暂态事件发生时，电能质量监测仪将暂态数据交换通用格式COMTRADE（COMmon format for TRAnsient Data Exchange）文件通过FTP协议发送到服务器端。电能质量监测仪工作原理如图2所示。

图2 电能质量监测仪工作原理图Fig.2 Schematic diagram of power quality monitor

数据库服务器负责收集电能质量监测设备传输来的数据，进行解析和存储[4]，并响应Web服务器的数据检索请求。系统包含电能质量监测数据库和地理空间数据库2个数据库。

监测系统采用浏览器/服务器（B/S）结构。Web服务器为客户端提供各种Web服务，响应客户端浏览器发送的请求，并根据用户请求，从数据库中检索相应数据，通过HTTP协议将数据发送到客户端浏览器进行展示。

客户端通过浏览器向Web服务器发送请求，并把返回的数据结果展示给用户。

2.2 监测系统主要功能模块

监测系统主要包含以下7个模块。

a.趋势图查询模块。变电站单监测点单指标（包括电压、电流、有功、无功、频率、谐波、电压波动与闪变、三相不平衡度）数据查询，提供所选择监测点在选择时间段内和选择电能质量指标下的每分钟数据值，以曲线图和表格的形式展示，并在图上标出国标限值以供参照。

b.统计值查询模块。统计值查询模块提供变电站单监测点单指标日统计数据查询及所选择监测点在选择时间段内和选择电能质量指标下的日统计值（包含最大值、最小值、CP95值和平均值），以蜡烛图和表格的形式展示。

c.专家诊断模块。专家诊断模块对单监测点数据进行高层分析，包含谐波源定位、闪变源定位、电压暂降评估等。

d.报表模块。报表类型分为日报表、月报表、季报表和年报表。报表模块提供一种组合式报表，对任选监测点和任选指标按报表类型得到相应时间段内的指标统计值（最大值、最小值、CP95值和平均值），并提供EXCEL报表文件下载。

e.用户管理模块。用户管理模块提供用户的新增、删除，用户密码及信息修改，用户权限管理，审计日志等功能。

f.系统管理模块。系统管理模块提供变电站及线路属性录入、修改、删除功能，统一管理系统配置参数。

g.地理导航模块。地理导航模块提供电网地理接线及电能质量整体监测一览图。可以直接在地理接线图上选择变电站或者线路来查看历史或实时电能质量监测数据，并提供实时数据越限告警功能（以文字和线路闪烁方式提示用户），将越限信息记录在日志中。同时具备电网地理接线信息在线编辑扩展功能，根据电网最新建设情况，可以在地理接线图上做出相应修改，实现电能质量监测工作与电网建设同步发展。

3 监测系统实现

3.1 监测系统搭建

（1）系统开发及运行环境。

系统基于微软.NET平台，采用Visual Studio 2008开发环境开发。服务器操作系统为Windows Server 2008，数据库服务器软件为Sql Server 2008，Web服务器软件为IIS6.0。

（2）数据库服务层。

数据库服务器中设有2个数据库：电能质量数据库，存储各监测点电能质量监测数据及高层分析结果数据；地理空间数据库，存储地理信息空间数据。

数据库服务层中包含数据文件（PQDIF文件和COMTRADE文件）解析服务、GIS空间数据引擎[17]（ArcSDE）、数据管理维护服务，分别具有以下功能。

a.PQDIF文件解析服务。解析电能质量监测设备传输上来的数据文件，将电能质量原始数据存入电能质量数据库。

b.GIS空间数据引擎（ArcSDE）。提供地理信息数据检索、编辑和管理功能，是GIS与数据库管理系统（DBMS）之间的桥梁，支持海量数据和所有GIS数据（矢量、栅格、测量、元数据等）。

c.数据管理维护服务。对电能质量数据库进行维护管理，如数据库备份、系统运行失败时的数据库恢复[4]、占用空间监视等。

（3）Web 服务层。

系统采用B/S架构，以网站形式通过互联网信息服务（IIS）发布在Web服务器上。Web服务层包括电能质量监测系统功能服务、ArcGIS服务以及电能质量数据服务，分别具有以下功能。

a.电能质量监测系统功能服务。系统核心模块，完成系统最主要功能。包含各种电能质量高层应用算法模块及报表模块、用户管理模块等。

b.ArcGIS服务[16-17]。实现GIS功能，如在地图上查找、编辑和新增要素（变电站或线路），查询要素信息等。ArcGIS服务包含Map服务、Geocode服务、Geoprocessing服务和Geodata服务4种服务。Map服务是使用最多的一种ArcGIS服务，该服务可以支持发布二维地图、建模、网络地图服务（OGC WMS）和在线编辑空间数据等。Geocode服务是地址编码服务，该服务可以把一个文本描述的地址转化为一个地理坐标。Geoprocessing服务是一个基于Web的地理处理工具，客户端提交处理请求，服务器执行空间分析和建模，然后把执行结果展现在客户端。Geodata服务提供访问地理空间数据库内容的功能，支持在线数据查询、数据提取、数据更新等。

c.电能质量数据服务。与数据库服务器交换电能质量数据，响应客户端数据请求，向电能质量数据库检索或存储数据。

（4）用户界面层。

用户界面层直接与用户交互，利用HTTP协议通过客户端浏览器将图表数据展示给用户，并将用户的操作信息提交给Web服务器，是给予用户最直观体验的部分。

3.2 可编辑扩展功能实现

系统界面部分采用ASP.NET技术开发[18]，地理导航部分在ASP.NET基础上使用了Web ADF for.NET（Web Application Develop Framework for.NET ）框架，Web ADF for.NET是ArcGIS Server基于.NET专用的开发框架，具有很强的移植性，能集成在Visual Studio开发环境中[13]，从而简化开发过程。

Web ADF for.NET是实现电网地理接线信息可编辑和扩展功能的关键技术，具有强大的开发能力和灵活的编辑能力。它包含一系列的Web控件和应用程序编程接口（API），可以用于实现ArcGIS Server Manager Web Application所创建的应用。

系统使用的主要ArcGIS Server控件[14]包括以下几种。

a.MapResourceManager控件。MapResource-Manager地图资源管理器控件是开发ArcGIS Server Web ADF应用最重要的控件之一，它能同时管理多个资源，并且可以设置图层的顺序以及图像输出透明度。其他控件可以通过同一个地图资源管理控件去访问不同的资源。监测系统中不同地区的电网有不同的数据资源。

b.Map控件。Map控件是用来显示一个或多个不同类型数据资源的地图图形控件。它必须与MapResourceManager控件关联使用。Map控件可以把多个不同类型的地图服务融合为一个地图，并且有异步刷新功能，通过map.Refresh（）函数实现只刷新内容改变部分。

c.MapTips控件。MapTips可以显示与之相关联的Map控件图层中鼠标光标选择元素的属性，可以用来显示选择监测点的电能质量监测数据。

d.EditorTask控件。EditorTask控件是实现电网地理接线信息在线编辑扩展的核心控件。它为ArcGIS Server地图服务提供一套基于Web的编辑工具，可以修改、添加、删除元素以及修改元素属性。

电网地理接线图中用点元素表示变电站，线元素表示输电线路，面元素表示区域，因此可以通过EditorTask控件实现电网地理接线信息在线编辑扩展功能。并且ArcGIS Server已经封装好很多功能，开发时无需再编写大量代码。

当监测系统内变电站或输电线路数量较多时，如果通过人工搜寻会比较耗费时间。ArcGIS Server提供通过属性值定位对象功能[17]，即可以通过输入变电站或线路名称来定位其在地理接线图上具体位置。功能实现部分代码如下：

4 实际应用情况

近年来，随着四川省经济的快速发展，电网中电能质量干扰源用户的数量不断上升，对电网的安全经济运行造成一定的危害。针对这一情况，研制开发了一套全省电能质量数据平台，对全省各地区的电能质量进行监测。

在系统运行界面中，可以通过监测点负荷类型列表选择在图上显示的监测点。如果想观测某变电站内各线路的电能质量情况，可以在地图上点击该变电站，系统运行界面中就可以显示出该变电站各条线路的实时电能质量数据信息，当有指标越限时，会有告警提示。监测系统的最大特点在于可以根据电网的发展建设情况进行相应的编辑和扩展，如果电网中新建了变电站和输电线路，或者需要对现有变电站和输电线路进行电能质量监测，在安装了电能质量监测设备并且网络连接通畅的情况下，可以在系统中按照实际情况进行绘制，并录入相应变电站和线路信息，系统便会自动收取该变电站和线路的电能质量数据进行展示，由此实现电能质量监测工作与电网建设发展同步。

5 结论

在电能质量监测系统中引入WebGIS技术，将电网地理接线信息和电能质量监测数据有效结合，不仅丰富了电能质量监测数据的展示形式，而且做到了电网电能质量的全局监测。同时，利用ArcGIS Server实现了电网地理接线信息在线编辑扩展，使电能质量监测工作同步于电网的建设发展。ArcGIS Server能提供方便的地理信息服务，具有广阔的应用前景，本文可为ArcGIS Server在电力行业其他领域的应用提供一定的参考。