基于云平臺的配網設備試驗遠程監控系統的設計

文/陳劍 牛艷華 梁業佳

配網設備資產遍布電網和用戶間，配網設備投運前及日常運行過程中的狀態測試、維護是保障配網安全可靠運行的基本手段。常規的配網設備試驗項目主要有直流電阻測試、絕緣電阻測試、交流耐壓測試、回路電阻測試、變比測試等。確保試驗數據的準確性和對試驗數據的有效管控，是保證配網安全運行、提高供電可靠性、提升用戶滿意度的技術保障。

目前配網設備試驗需要多名技術人員到場，存在人力資源的浪費；測試項目繁多，測試設備多樣，給現場接線、測試設備使用等方面增加困難；數據記錄及后續的數據處理不僅需要消耗大量的時間，而且也很難完全杜絕數據記錄及數據處理過程中出現的人為錯誤，最終影響試驗結果的評判；另外，由于試驗數據處理一般是撤離現場后才完成，當試驗結果不符合標準時，難以保證是人為操作出現問題還是設備本身存在問題，按照科學試驗的一般原則，需要進行二次試驗驗證，但再次進行試驗則浪費人力物力；此外，設備的歷史試驗數據是設備狀態趨勢分析的重要數據來源，而該模式下的配網設備試驗所獲取的試驗數據僅能作為本次設備狀態評估的依據，無法做到在不同時限的試驗數據間建立起該設備工作狀態、狀態發展趨勢關聯的關系，對大數據時代而言，亦是一種資源浪費。

針對配網設備實驗存在的問題，設計一套基于云平臺的配網設備試驗遠程監控系統，進一步提高電網的管理信息化和精細化，從而加快智能電網的建設進程。

1 系統的總體方案

圖1：基于云平臺的配網設備試驗遠程監控系統架構

圖2：多功能一體化檢測設備硬件框圖

基于云平臺的配網設備試驗遠程監控系統架構如圖1所示，主要包括多功能一體化檢測設備、Surface和后臺服務中心三部分。多功能一體化檢測設備通過Wi-Fi與Surface相連，實現配網試驗所需數據的采集、運算等功能，并將數據傳至Surface；Surface完成數據存儲、功能選擇、實時顯示、報告生成與查看、報警、遠程通訊、Web發布的功能；后臺服務中心包括云平臺和上位機兩部分，主要完成對Surface傳來的數據及試驗報告的接收，數據庫建立、數據與報告查看、數據分析、遠程通訊、Web發布等功能。

2 多功能一體化檢測設備設計

多功能一體化檢測設備由多功能檢測模塊、數據采樣模塊、運算控制模塊、通信模塊構成，功能模塊又包括直流電阻模塊、交流耐壓模塊、回路電阻模塊、絕緣電阻模塊、變比模塊等。如圖2所示，功能模塊主要負責實時采集現場設備的相關參數，數據采樣模塊主要負責AD轉換，運算控制模塊主要負責數據計算和處理，通信模塊主要負責將數據上傳至Surface。

多功能檢測模塊之間相互獨立，可按照實際需求增加或減少，每個模塊都設計一套專門的檢測電路，可實現高精度的參數檢測和信號放大作用。

在數據的采集過程中，采樣邏輯控制芯片XC3S200AN定時向采樣芯片發送采樣信號，采樣芯片PCM1804-Q1 和AD7606 檢測到采樣信號后開始數據采集。采樣芯片完成采集后向XC3S200AN芯片發送ready信號，然后通過SPI向XC3S200AN芯片發送采樣數據。數據傳輸完成后，XC3S200AN芯片向CPU發送DMA請求中斷，DMA中斷處理程序將采集到的數據以DMA方式高速傳輸到數據緩存區緩存。

圖3：Surface開發軟件總體功能架構圖

圖4：B/S系統架構圖

運算與控制模塊選用基于ARM架構的處理器LPC4357，LPC4357是恩智浦（NXP）公司制造的Cortex-M4微控制器，帶有Cortex-M0協處理器，為32位雙核處理器，處理器的內核工作頻率高達204MHz，能夠快速、高效完成運算與控制工作。

通信模塊包括RS232串口通信模塊和Wi-Fi通信模塊，RS232串口通信距離有限、傳輸速度快，主要用于程序下載和調試，Wi-Fi模塊可實現與檢測設備的無線連接，完成檢測設備與Surface間的數據傳輸。

3 Surface開發

Surface是微軟系列下的一款平板電腦，經過開發，在特定的場合下，除了數據存儲量會受到內存大小的限定而比傳統上位機小外，可以實現傳統上位機的全部功能。它比傳統上位機輕便靈活，方便結合現場環境操作，并且在數據傳輸等方面更有保障，一般的遠程監控系統，在無GPRS信號或后臺服務中心停電等特殊情況下，設備無法將數據上傳至后臺服務器，從而導致數據丟失、實驗報告生成失敗、無法通過Web訪問等問題，另外，Surface更容易進行功能模塊的擴展。綜上可知，它有效克服了目前較為流行的手機APP和上位機協同工作模式下的應用缺點，無論是從目前的實現效果還是長遠的發展角度看，都是一個非常不錯的選擇。

Surface主要實現數據存儲、功能選擇、實時顯示、遠程通訊、報告查看、Web發布等功能。顯示模塊主要包括功能選擇界面、實時數據顯示界面、報告查看界面、報警提示等，其它功能模塊主要包括數據存儲、遠程通訊和Web發布。軟件總體功能架構圖如圖3所示。

4 后臺服務中心設計

網絡結構采用B/S結構，如圖4所示，設備上傳的數據和報告存儲在云平臺的數據庫服務器中，首先客戶端通過Web瀏覽器向web服務器發送請求，Web服務器收到客戶端請求后再向云平臺中的數據庫服務器發送請求，數據服務器收到請求后向Web服務器應答，然后Web服務器向客戶端應答，就形成一次完整的工作過程。

Web端頁面實現主要涉及的技術為ASP.NET技術。當客戶端通過瀏覽器請求(Request)頁面時，服務端首先由頁面分析器(Parser)分析其對被請求的頁面進行分析；再將通過分析的頁面內容傳遞給編譯器(Compiler)；經過編譯器編譯的頁面內容被傳輸給組裝緩存(Assembly Cache)，同時，一些需要較高資源代價的元素可以存入內存(Memory)。將組裝緩存和內存中的內容有機結合形成一個完成的頁面，完整的頁面最后被送往輸出緩存(Output Cache)。輸出緩存中的內容將作為客戶端的頁面請求結果被送回至瀏覽器，當同一頁面被再次請求時，服務端將直接從輸出緩存中輸送出頁面請求結果。

5 結語

該遠程監控系統將多個檢測設備功能合而為一，簡化了試驗過程，并且試驗過程方便、安全、高效，減少了人力資源的浪費；智能化的數據處理和試驗報告的自動生成為試驗的后續處理節省了大量時間，最大化避免工作人員的操作失誤與計算錯誤，增加了試驗的可靠性；試驗數據直接傳送至云平臺，避免試驗過程中的數據造假，保證試驗數據的真實性；實現分區管理和歷史查詢功能，加強了對配網設備試驗工作的規范管理；采用微軟的Surface進行開發，與傳統的SCADA監控系統相比，不需要網關、交換機等硬件設備，降低了成本；并且克服了手機APP與上位機協同模式下容錯率低、不易進行功能擴展等缺點；云平臺的建立，實現了配網設備現場試驗工作的規范管理及試驗數據、試驗報告的數據管理，為資產設備全生命周期管理、設備運維等提供高效、可信的數據管控和分析平臺；為在相應的數據深度、寬度、邊界及約束條件的基礎上，建立試驗數據有效性自動識別模型，為最終實現自動化的試驗、試驗結果的評判和報告的自動生成提供一個基礎平臺。