基于二維碼技術的智能電網保護設備管理方法研究

王治國，篤　峻，王肖立，于　哲

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

基于二維碼技術的智能電網保護設備管理方法研究

王治國，篤峻，王肖立，于哲

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

在智能電網保護設備研發或應用企業中，智能保護設備在使用的完整生命周期內，設備信息始終處于一個不斷變化的動態過程，管理層很難對設備信息有一個全方位的掌握，更談不上對設備的高效利用。針對智能電網保護設備的特點，探討了二維碼技術在智能電網保護設備管理中應用的可行性及先進性；根據應用需求，基于成熟的二維碼技術，利用現有設備設計開發了智能電網保護設備管理系統，實現了通過移動終端或電腦快速獲取設備相關信息和發起流程審批的途徑。實際應用表明，使用二維碼技術管理智能電網保護設備具有一定的優越性，該方案具有一定的推廣使用價值。

二維碼；信息編碼；電力設備；分布管理

在智能電網保護設備研發企業中，從產品立項到設備量產期間需要大量裝置用于程序開發、內部單元測試、系統測試、性能測試、試驗驗證等環節。在其全生命周期內，設備本身處于一個不斷變化的動態過程，而對設備的需求又是多方面的、不固定的、不可預期的。因此不可控需求不僅容易造成設備多次領用，降低設備使用效率；而且管理層對領用的設備無法管控。

智能保護設備一般具備以下特點：（1）產品種類型號多；（2）產品屬性多，如機箱條碼、產品型號、電壓等級等；（3）板卡構成信息多，如南瑞繼保的PCS-915約有26個功能插件板卡組成，每個功能插件又有相應的屬性，即裝置板卡的軟件版本，硬件版本等信息，裝置信息量大，不利于紙質信息介質保存；（4）除本身的固定信息外，設備還有很多的附加信息，如產品的領料日期、保管單位、保管部門、保管人、使用狀態等，這些附加信息通常都在不斷變化中。因此，需要探討一種有效的方法對智能保護設備信息進行高效管理與利用，而二維碼在大信息量儲存、與移動終端的良好互動等方面的性能優異，是智能設備高效便捷管理的重要技術支撐。

二維碼技術發展十分迅速，在社會各個領域應用十分廣泛［1-6］。如能針對智能保護設備的固定信息設計二維碼，用以表示裝置的完整性，即顯性信息；針對裝置的可變信息設計二維碼，用以表示裝置的流通性，即隱形信息。通過對大數據的后臺管理和移動終端管理，將有效解決智能保護設備在企業中如何進行高效管理這一難題，從而實現智能設備的透明化管理，及時發現大數據背后的風險和機遇，并主動進行處理等。

1　二維碼技術分析

1.1二維碼的特點

二維條碼相比一維條碼具有信息容量大、密度高、存儲空間小、糾錯能力強、安全強度高等優點，在信息自動化領域發揮著越來越重要的作用［4，5］。二維碼種類繁多，其特點優勢也各不相同，目前經常使用的二維條碼主要有PDF417碼、DataMatrix碼、QR碼等。QR碼因其超高速、全方位識讀的優勢一經面世便迅速在各個領域得到應用推廣，其專有的漢字模式用13bit二進制表示一個漢字，比其他二維條碼表示漢字的效率提高20%，QR碼有日本Denso公司在1994年9月研制的一種矩陣二維碼符號，我國于2000年發布了QR Code的國家標準（快速響應矩陣碼，QR Code，GB/T18284—2000）［3］，廣泛應用于產品質量安全追溯、物流倉儲、產品促銷以及商務會議、身份、物料單據識別、互動入口等社會的各個領域［4-9］。

1.2QR二維碼編碼流程

QR二維碼是由一系列正方形模塊組成的一個正方形陣列，它由模式特征區、數據符號區和空白區三部分組成。模式特征區包括尋像圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形。數據符號區包括數據碼字、糾錯碼字、版本信息和格式信息。空白區為環繞在符號四周的4個模塊寬區域［4］。QR碼支持編碼的內容包括純數字、數字和字符混合編碼、8位字節碼和包含漢字在內的多字節字符。其中，數字：每3個為1組壓縮成10bit；字母數字混合：每2個為1組，壓縮成11bit；8bit字節數據：無壓縮直接保存；多字節字符：每一個字符被壓縮成13bit。因此非常適合智能保護設備信息的編碼。

QR二維碼主要有以下7個步驟完成數據編碼：

（1）數據分析。確定編碼的字符類型，按相應的字符集轉換成符號字符。選擇糾錯等級，規格一定，糾錯等級越高其真實數據容量越小。

（2）數據編碼。將數據字符轉換為位流，每8位一個碼字，整體構成一個數據的碼字序列。

（3）糾錯編碼。按需將上面的碼字序列分塊，并根據糾錯等級和分塊的碼字，產生糾錯碼字，并把糾錯碼字加入到數據碼字序列后面，成為新序列。

（4）構造最終數據信息。將上面產生的序列按次序放入分塊中，把數據分塊，并對每一塊進行計算，得出相應的糾錯碼字區塊，把糾錯碼字區塊按順序構成一個序列，添加到原先的數據碼字序列后面。

（5）構造矩陣。將探測圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形和碼字模塊放入矩陣中。

（6）掩摸。將掩摸圖形用于符號的編碼區域，使得二維碼圖形中的深色和淺色（黑色和白色）區域能夠比率最優的分布。

（7）格式和版本信息。生成格式和版本信息放入相應區域內。

至此，QR二維碼的編碼流程基本完成，而QR二維碼的解碼一般有設備完成，在此不再詳述。文中將二維碼生成子系統單獨設計成一個庫，并對外提供2個接口庫函數。（1）生成二維碼接口函數：BOOL EncodeData（CString sM sgStr），sMsgStr為要生成二維碼具有某種格式的字符串；（2）保存二維碼為位圖的接口函數：BOOL SaveImage（CString sImagePath），sImagePath為生成二維碼圖片的絕對路徑。

圖1　智能電網保護設備信息采集示意圖

2　信息采集客戶端

2.1信息編碼

智能保護設備在使用過程中的信息可以簡單概括為顯性信息和隱性信息。顯性信息主要為固定不變的信息，如裝置的條形碼信息、板卡構成、裝置程序版本等信息。隱性信息為裝置的流通狀態等信息，如保管人及使用狀態等。如信息量不大，可以將顯性信息和隱性信息設計到同一個二維碼中。

智能電網保護設備管理系統充分利用裝置本身自帶二維碼和條形碼等信息的特點，利用掃描設備直接采集數據，可快速生成二維碼。客戶端采集信息設計為：庫存ID、保管人、機箱條碼、裝置型號、研究所、部門、板卡組成共7個信息字符串作為生成二維碼編碼的必備字符信息，并將每個信息字符之間加”/”符進行連接，用于生成二維碼，這樣便于程序對數據進行解析和顯示。

2.2信息采集設計

數據采集終端利用現有設備Brother牌標簽機、無線掃描槍、臺式電腦等組成。使用VS2008集成開發環境開發上位機軟件，對下控制標簽機，對上通過互聯網連接數據庫服務器，系統架構如圖1所示。

通過掃描槍掃描裝置條碼后，管理員輸入領用人員名稱、系統自動識別研究所及部門組織機構等信息；板卡組成可以直接掃描裝置板卡上的二維碼，最后一鍵上傳信息到數據庫。如上傳成功則打印具有相同信息元素的二維碼標簽；如上傳失敗則進行提示，不打印二維碼標簽。

如設備信息發生變更，需要保管人提出申請，管理員根據裝置上的二維碼定位裝置，重新修改裝置相關屬性，并上傳到服務器，同時打印二維碼，完成設備信息的及時更新。

數據采集信息的上傳。該系統使用Activex數據對象（ADO）技術與遠程結構化查詢語言（SQL）數據庫進行連接，在系統初始化時連接遠方數據庫。每次將智能保護設備原始信息按照規定格式插入到數據庫。

Brother標簽機的集成控制。利用客戶端二維碼生成子系統僅能將信息字符串按照規定格式生成一個二維碼位圖文件。Brother標簽機利用P-touch Editor編輯軟件，編輯圖形或文字標簽文件并控制標簽機進行標簽打印。該系統設計的二維碼標簽不僅包含裝置相關隱形信息和顯示信息，更重要的是在二維碼圖像下面設計有庫存ID（時間）顯性信息，目的是讓用戶直接根據顯性信息通過網頁進行精確查詢，同時了解裝置的入庫時間。基于以上需求，如果使用2個獨立的子系統將無法快捷地完成該項功能。因此必須對以上2個子系統進行集成，實現一鍵上傳智能保護設備信息到數據庫并自動打印二維碼標簽的功能。

Brother標簽機打印二維碼的原理是根據圖像打印二維碼，不能根據用戶輸入字符串就能打印二維碼標簽。P-touch系統軟件支持模版文件打印功能，原理是首先利用P-touch制作一個符合設計需求的標簽模版。文中設計的標簽模版有2個圖元組成，上面是智能保護設備信息二維碼位圖，下面是庫存ID時間信息，如圖2所示。使用Brother公司提供的標簽打印機二次開發庫文件集成程序設計。首先打開模版文件，枚舉模版文件上的數據類型并進行判斷。如總類型數目為2，模版有效，否則模版文件無效。文件類型為bobImage類型時，需替換成智能保護設備二維碼圖像信息文件；文件類型為bobText類型時，需替換成庫存ID字符串信息。最后啟動標簽打印輸出命令，完成一鍵操作集成功能設計。

圖2　二維碼標簽模版

3　系統架構

3.1后臺架構

采用當前流行的瀏覽器/服務器（B/S）架構模式進行系統設計。為保障系統的安全性和高可靠性，服務器選擇IBM 3680雙機運行，存儲選擇EMC5500并與服務器光纖鏈接，備份和災難恢復系統選擇CommVault和Dell陣列，并提供虛擬專用網絡（VPN）訪問功能。

根據B/S結構特點，將智能保護設備管理系統的體系結構劃分為三層：人機界面層、業務邏輯層、數據存儲層。共同完成領用人、保管人對智能保護設備數據信息的查詢，借出或報廢審批申請；管理層對智能保護設備數據信息的統計與分析，借出或報廢審批等操作功能。系統的體系結構見圖3。

圖3　系統體系結構

人機界面層。主要指使用人員通過Web頁面，瀏覽電力二次保護設備的相關信息。

業務邏輯層。通過Web服務器完成系統的各項業務功能，建立與數據庫系統的連接，完成查詢、添加，刪除等操作。然后通過Web服務器傳到瀏覽器端。

數據儲存層。即數據庫服務器層，主要利用智能保護設備采集終端與數據庫進行數據的交互，提供按條件查詢數據和按時間段查詢數據服務。

3.2數據庫設計

數據庫設計是智能保護設備管理系統的核心，直接影響系統開發進程。系統采用M icrosoftSQLServer作為數據庫管理系統。它是一個全面的關系型數據庫平臺，具有使用方便、可伸縮性好、與相關軟件集成程度高等優點，其ADO.NET技術推動了數據集的存取和操縱，實現了更大的靈活性。系統主要提供2種功能：（1）瀏覽器通過Web Server同數據庫進行數據交互；（2）數據采集終端與數據庫進行設備數據交互。因本系統數據信息量不是很大，數據訪問基本上采用存儲過程的方式進行，利用存儲過程可以保持應用程序的執行效率并且簡化數據層，增加系統設計的靈活性。

3.3數據訪問

系統提供3種技術手段訪問智能保護設備信息數據。（1）通過電腦，通過直接訪問網頁的形式查閱數據與發起審批申請；（2）通過客戶端軟件，在電腦上根據相應條件檢索智能保護設備信息；（3）開發手機客戶端軟件，通過手機客戶端掃描智能保護設備二位碼，實現裝置信息的獲取或發起功能審批等功能。尤其是通過智能手機掃描二維碼，獲取信息快捷，提高了效率。

4　應用探討

基于二維碼技術的智能電網保護設備管理系統自投入使用以來，有效規范了智能設備管理流程，做到領用裝置貼碼入庫，實現了智能電網保護設備的清晰透明管理。有多少設備被領用，有多少設備準備報廢，又有多少設備處于閑置狀態等數據一目了然。更值得關注的是，可以隨時隨地進行設備信息查詢與定位，方便了相互周轉共享，從而及時利用有限的資源高效完成工作。大數據跟蹤表明，這在一定程度上降低了裝置重復領用的次數，為企業節約了資源，實現了智能設備的高效利用。

設備狀態的每一次改變都會記錄流程發起人，發起內容，發起時間等相關業務信息，從而完成設備流轉信息的數據跟蹤。

系統在使用過程中，發現管理系統共享流程還需要簡化。如共享操作過程不夠精簡，實現設備共享的同時再去實現管控將流于形式。下一階段的工作將繼續完善該功能，增強智能設備管理系統的易用性。

5　結束語

如何實現智能電網保護設備的透明管理，從而實現對設備的高效利用、狀態獲取、生命追蹤等，是智能電網保護設備研發企業和應用企業最為關心的問題之一。從智能保護設備的特點出發，基于當前流行的二維碼技術，提出了智能保護設備管理的新方法，并在此基礎上構建了基于二維碼技術的智能設備管理系統。實現了便攜式電腦、智能手機等終端設備對智能設備數據的分布式在線瀏覽與功能審批等功能，有效解決了保護設備管理困難、不能高效利用的企業難題。

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［6］趙宇峰，楊洋，賈鵬.基于二維碼技術的物流信息管理系統設計與實現［J］.價值工程，2014，33（25）：234-236.

［7］李明，林湛，宋澤，等.基于二維碼技術的鐵路科研企業固定資產動態管理系統設計與實現［J］.鐵路計算機應用，2014，23（10）：32-37.

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Research on 2D-code-technology-based M anagement M ethod of the Protection Equipment in Smart Grid

WANG Zhiguo，DU Jun，WANG Xiaoli，YU Zhe
（Nanjing NR Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

The operation information of intelligent protection equipment is changing during the equipment's life cycle，so it is difficult formanagers in the intelligent protection equipment R&D or app lication enterprises to grasp the whole equipment information，not to say the efficientusage of equipment.According to the characteristics of intelligent protection equipment，the feasibility and advantage of the app lication of two-dimensional code technology w ere discussed.Finally according to the application requirements and based on the mature two-dimensional code technology，intelligent protection equipment management system was designed and developed on the basis of the existing equipment，gaining a quick access to equipment information and starting the approval process through themobile terminal or computer.The practice shows that intelligent protection equipmentmanagementsystem by using two-dimensionalcode technology issuperiorand worth to be popularized.

two-dimensional code；information coding；electric powerequipment；distributedmanagement

TM 769

A

1009-0665（2016）05-0040-04

王治國（1978），男，河南周口人，高級工程師，從事電力系統智能化測試開發與研究工作；

篤峻（1975），男，江蘇南京人，高級工程師，從事電力系統自動化研究和管理工作；

王肖立（1978），女，江蘇常熟人，工程師，從事網站信息開發與維護工作；

于哲（1979），男，山西運城人，工程師，從事電力系統繼電保護及自動化測試工作。

2016-03-30；

2016-05-26