基于3G/4G网络的配网主设备监测平台设计

张重远，张林康，范伟捷

（1.华北电力大学 电气与电子学院，河北保定071003；2.北京送变电公司，北京102401）

0 引 言

2009年5月，国家电网公司正式对外界公布了“坚强智能电网”计划［1-2］。将移动通信技术应用到智能电网的建设中，可以节省初期建网的巨额投资，无需承担维护费用，数据管理也会更为方便。目前，基于移动通信的远程监测技术已成为研究热点。国外远程终端监测系统主要是基于嵌入式微处理器，利用GPRS、3G等移动通讯网络［3］，协助管理系统发布采集的数据，例如美国某电气公司研发的PowerConirol远程电力监测系统。国内各大公司也在研发此类产品，例如某科技有限公司开发的GPRS电力配电监测系统，冀网某供电公司建设的“3G视频传输系统”。

在电力设备在线监测中，将电力设备的运行数据引入到信息管理系统（management information system，MIS）［4］，为工作人员提供了极大的方便，只是该系统存在只能在计算机上显示数据的局限性，若能将移动终端接入到MIS系统，工作人员就能够在任何地点、任何时间掌握电力设备的工作状态和运行数据，并且依据运维数据及时、迅速地做出反应。

随着3G网络的日益成熟和4G网络的来临，我国已经进入移动互联网的时代，各种新型的智能移动终端呈现几何式的增长，其中Android系统是基于Linux平台的手机操作系统，对第三方软件完全开放，代码全部开源免费［5］，打破了其他系统封闭开发的模式，而且该系统提供了大量的实用库和开发工具，使得开发人员可以很容易地搭建自己的应用。

为此，开发一种基于3G/4G网络的配网主设备监测平台，该平台可以有效整合配网在线监测的总体数据。工作人员利用手机、平板等智能终端就可以登陆系统，实时有效的监测配网主设备的工作状态和负荷信息，并对相关数据做出及时的处理［6］，运维人员也可以随时随地地查看问题和解决问题，这将是在线监测领域的一大发展趋势。

1 系统结构

在WAMP集成环境下，使用PHP语言完成应用服务器对数据库的数据访问以及应用服务器与客户端之间的数据交互［7］；在 Eclipse开发环境下，利用JAVA语言对监测平台客户端进行整体的设计和软件功能的实现。监测平台分为数据库服务器模块，应用服务器模块，监测平台客户端模块，网络拓扑结构如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

1.1 数据库服务器

数据库服务器通过系统接口实现监测平台与配电网监控系统的数据共享，将相关数据读取到数据库，结合设备参数等信息，进行统一的规约处理、存储、集成与融合，建立高效、全面的设备状态信息库。

1.2 应用服务器

应用服务器是连接数据库和移动客户端的中间环节。依据客户端提交的数据对数据库进行数据库连接以及增删改查等具体操作。然后，将相关设备的运行、预警信息编码为适合无线传输的JSON格式，通过3G/4G网络同步地发送到相关部门和管理人员的Andrioid智能手机、平板等移动终端，实现配网主设备的运行数据、离线数据、带电检测数据的融合与共享。

1.3 平台客户端部分

Android客户端是配网主设备监测平台设计的核心内容。在Eclipse开发环境下，使用JAVA语言实现客户端内部的逻辑功能，利用XML语言实现页面设计，选定3G/4G网络作为通信方式，实现客户端与服务器的数据交互，确保监测平台运行的稳定性和流畅性。

2 系统设计

2.1 服务器端设计

监测平台服务器端包括数据库服务器、应用服务器两部分的内容。

2.1.1 MySQL数据库

MySQL是一种关系型数据库管理系统［8］，凭借体积小、速度快、成本低，以及开源性等优点，成为中小型网站的首选。监测平台以MySQL作为数据库服务器，采用phpMyAdmin做为MySQL的数据库管理工具，建立“jcpt”数据库。依据监测平台的功能需求，新建用户信息表—jcpt＿infor、预警信息表—jcpt＿warning和设备运行表—jcpt＿online等。本文以基于频率响应分析（frequency response analysis，FRA）的10kV配电变压器绕组变形带电检测数据为例，将变压器绕组变形检测结果实时传输到监测平台的数据库服务器。

2.1.2 Apache服务器

Apache是一个开放源码的网页服务器，凭借操作简单、速度快、性能稳定等优势，已经成为世界使用排名第一的服务器软件。监测平台采用Apache作为应用服务器，使用PHP语言来处理客户端的发来的HTTP请求，并把读取的数据库内容以及对客户端的响应封装成JSON格式，通过HTTP协议回传给Android终端，从而实现客户端与MySQL数据库的通信。

2.2 Android客户端设计

Android作为一个完整、开源的开发平台，具有编程简单、可移植性强、扩展性好及易于维护等特点。因此，选择Android作为配网主设备监测客户端的开发平台。在Eclipse开发环境中，引入Android SDK插件，使用XML语言设计客户端的显示页面，采用JAVA语言完成客户端的内部逻辑。在平台功能方面，经过对监测平台的需求分析，客户端可实现用户登录、信息预警、数据实时显示、历史数据查询等功能，客户端整体工作流程如图2所示。

图2 客户端整体工作流程图Fig.2 Overall working flow chart of client terminal

2.2.1 登陆功能

在监测平台的数据库服务器中，包含着用户信息表，该数据表已经设置了用户登录组。用户在客户端登录页面输入指定的用户名和登录密码，点击登录按钮可实现远程调用相应的登录函数，与数据库中的用户信息进行比对，若比对成功，则通过Toast控件提示“登录成功”并自动转到客户端主页面，否则会提示“帐号或密码错误”如图3所示。

2.2.2 信息预警功能

预警信息功能根据配网主设备的运行数据，通过特定的程序算法判断设备的运行状态，一旦超出设定的范围，就会向数据库预警表中插入预警信息，Android客户端会每隔3秒轮询预警信息表。例如，监测平台的数据库预警信息表—jcpt＿warning出现“康乐街变压器T3绕组轻微变形”预警数据，则客户端预警信息页面的变压器栏马上由“正常”变成“康乐街变压器T3绕组轻微变形”，预警信息如图4所示。

图3 登录功能页面Fig.3 Log-in function page

图4 预警信息功能页面Fig.4 Warning information function page

2.2.3 数据实时显示功能

实时数据功能可以显示配网主设备实时运行数据，运行人员通过点击不同的按钮，可以分别查看相应设备的运行状态。实时数据页面设计了变压器数据、断路器数据、避雷器、输电线路、隔离开关等设备按钮，分别点击不同的按钮，就会出现相关设备的实时运行数据如图5所示。

2.2.4 历史数据查询功能

历史数据查询功能引入 Spinner（下拉列表控件），该控件相当于一个弹出式菜单栏供用户选择要查询的设备；通过DatePicke（日历选择控件）和Time-Picker（模拟时钟控件）来选择要查询设备的具体日期和时间段。最后，通过服务器查询设备的历史运行数据，为配网主设备的在线监测与故障诊断提供数据支持如图6所示。

图5 实时数据显示页面Fig.5 Real-time data display page

图6 历史数据查询页面Fig.6 Historical data query page

2.3 客户端与服务器通信方式

客户端与服务器采用Http Client通信方式，分为Get和Post方法。Get方法是面向服务器读取信息，而Post方法是带参数获取服务器的内容。因此，客户端实时访问服务器页面时可以采用Get方法；在客户端进行历史数据查询等操作时，需要调用Post方法。通过流程图7进行HttpClient网络访问。

在Android开发中，如果在主线程中进行耗时操作，比如网络访问，可能会造成“系统假死”的现象。在Android4.0以后，已经禁止在主线程中进行网络访问等耗时操作。在本文中，主线程主要负责管理与用户界面（User Interface，UI）组件相关的事件，同时创建子线程实现对网络访问等耗时操作。针对子线程不能直接传递数据到主线程的问题，利用消息传递机制［9］，使用 Looper、Handler和 Message等方法实现子线程与主线程的数据传递，最后采用定时轮询的方式，实现UI界面的实时更新功能。

3 实例应用

基于FRA的10 kV配电变压器绕组变形带电检测装置是与某电力公司合作研发的一项科研项目，应用频率响应分析的方法，通过注入特定的脉冲信号，并在LABVIEW开发环境中实现信号采集、实时调理、数据分析等功能［10］，可以快速、准确地获取变压器绕组的频响曲线，有效检测10 kV配电变压器的绕组变形情况。

图7 客户端通信流程图Fig.7 Flowchart of client terminal communication

3.1 检测数据导入平台

TD-SCDMA无线数据终端，内部集成了调制解调器，可以实现WEB浏览和数据传输等业务。将该终端与带电检测装置的USB接口相连，利用PHP语言编写数据采集页面，通过远程连接监测平台数据库服务器的技术，可以将检测结果实时插入到设备运行表中，从而实现检测数据向监测平台的数据导入，数据采集页面如图8所示。

3.2 客户端实时数据显示

变压器带电检测页面包括基于FRA变压器绕组变形检测、红外成像检测、局部放电监测和变压器油色谱分析四部分如图9所示。通过点击“FRA绕组变形检测”按钮可跳转到“绕组变形检测页面”，该页面包括检测时间、变压器位置、铭牌、检测人员、监测结果以及三相图等内容。该页面与应用服务器之间采用JSON通信格式，由于JSON比XML具有安全、通用、数据量小和通信效率高等特点，很适合移动客户端与服务器的数据交互。该页面采用AChartEngine框架，这是一个在安卓系统上制作图表的框架，可实现变压器绕组变形检测的三相折线图。

图8 检测结果采集页面Fig.8 Test results collection page

图9 绕组变形显示页面Fig.9 Winding deformation display page

3.3 客户端历史数据查询

在监测平台主页面上，点击历史数据查询按钮，见图10所示，选择要查选的配网设备—“配变”和要查询的具体数据—“FRA绕组变形”，同时选择要查询的开始时间和结束时间，点击查询按钮，出现历史数据显示页面。

图10 历史数据查询功能测试Fig.10 Test of historical data query function

4 结束语

基于3G/4G网络的配网主设备监测平台是从传统的计算机网、局域网向互联网、移动终端的一次拓展。本文给出了基于3G/4G网络的配网主设备监测平台服务器和客户端的设计与实现的具体方案，可以实现配网主设备运行数据实时共享，并将预警信息实时地发送到相关管理部门和运行人员的安卓智能手机上。通过引入基于FRA的10 kV配电变压器绕组变形带电检测数据，验证了监测平台的可行性和有效性。基于3G/4G网络的配网主设备监测平台对于提高电力设备在线监测水平具有一定的工程应用价值。