一種多系統(tǒng)融合的電力移動巡檢系統(tǒng)研究與設計

吳文宣 李宏發(fā) 修榕康

摘? 要： 本文利用移動互聯(lián)網、云計算和大數(shù)據(jù)技術，提出一種多系統(tǒng)融合的移動電力巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過云服務平臺整合多個電力巡檢關聯(lián)系統(tǒng)，實現(xiàn)關聯(lián)系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)交互，并依據(jù)變異系數(shù)對多系統(tǒng)融合的穩(wěn)定性進行控制，以便實現(xiàn)系統(tǒng)資源的分配和調度，從而提供決策分析和預警?；诒究蚣艿南到y(tǒng)實現(xiàn)和實際應用測試結果表明，該系統(tǒng)能有效提高電力企業(yè)巡檢的準確性和效率。

關鍵詞： 電力系統(tǒng);移動平臺;框架設計;巡檢系統(tǒng)

【Abstract】： A mobile power inspection system of multi-system merging was proposed? with using mobile internet， cloud computing and big data technology in the paper. The system integrates multiple power inspection associated- systems through the cloud service platform to realize real-time data interaction between the associated systems， and controls the stability of the merged multi-system according to the coefficient of variation， so as to realize system resource allocation and scheduling. Thereby， decision analysis and early warning can be provided. The system implementation and practical application indicates that the system can effectively improve the accuracy and efficiency of inspection of power enterprises.

【Key words】： Power systems; Mobile platform; Framework Design; Inspention system

0? 引言

當前電力系統(tǒng)中電力設備數(shù)量龐大、種類繁多、位置分散，且不斷有新加入的電力設備，致使電力搶修人員很難快速并準確地到達故障設備的位置。如果依靠傳統(tǒng)的人工經驗辨別故障電力設備，不僅費時檢修效率低下，而且很可能因辨別失誤導致復電時間延長，影響其他正常工作的電力設備，造成居民用電質量下降。此外，國網電力系統(tǒng)龐大且復雜，停電次數(shù)的多少、停電時間的長短可以基本反映出國網電力企業(yè)的電力輸送管理水平。目前大部分的電力線路復雜、電力設備繁多，容易產生故障點也多，這就需要加強對電力設備的巡檢力度來減少各種設備突發(fā)故障的可能，從而讓設備處于良好的運行狀態(tài)。

但傳統(tǒng)的巡檢方式通常是由管理人員制定好巡檢的規(guī)章制度，巡檢工作人員填寫紙質的巡檢計劃以及巡檢申請表格，然后將巡檢內容填好匯總到Excel表格，從而統(tǒng)計出相關的報表。這樣的方式存在以下幾個問題：

（1）無法確定巡檢人員有沒有按照巡檢計劃以及巡檢步驟進行有效的巡檢;

（2）無法確定巡檢人員是否真的進行了巡檢;

（3）巡檢過程中需要查閱相關的文檔或知識庫，很不方便查詢;

（4）巡檢真的發(fā)現(xiàn)問題后，無法及時反饋，無法進行有效的搶修;

（5）由于設備種類很多，設備量大，巡檢的計劃和表格多樣，對巡檢的結果不好分類，不好匯總，甚至無法產出有效的報表報告。

因此，一套可靠有效的電力巡檢系統(tǒng)可以實時觀測設備運行狀況，減少綜合維護成本，應對突發(fā)故障，緩解供電壓力，提高綜合管理水平。

1? 相關研究

隨著電力技術發(fā)展，與各發(fā)展階段相適應的電力巡檢系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)。尤其是在云計算、移動互聯(lián)網等技術大發(fā)展的背景下，諸多優(yōu)勢各異的電力巡檢系統(tǒng)被設計出來，并大量的在實際電力巡檢過程中應用。

文獻[1]立足于Mobile GIS和通訊支撐在線路巡檢和搶修業(yè)務中的應用，設計了基于Moblie GIS的線路巡檢系統(tǒng)架構，并根據(jù)具體巡檢和搶修業(yè)務的需求，設計系統(tǒng)應用原理，對關鍵問題的提出了解決方案。針對當今流行的手持GIS技術，文獻[2，6] 分析了移動巡檢技術在電力部門的應用情況，結合移動設備（例如PDA）的特點，開發(fā)了專門的移動巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在移動設備上轉載電力設備和地理背景設備的電子地形圖，利用GPS接收器獲取衛(wèi)星信號來定位設備坐標，從而實現(xiàn)業(yè)務操作。該系統(tǒng)框架采用模塊化的MVC開發(fā)模式，利用Observer設計模式設計巡視檢查模塊，以此滿足系統(tǒng)功能要求，具有高內聚低耦合的特點。針對電力設備巡檢的現(xiàn)狀和任務需求，文獻[3，7]將智能手機終端引入到電力設備的監(jiān)測中，結合二維碼掃描識別技術，融合3G移動通信技術和Web Service數(shù)據(jù)挖掘技術，設計了基于二維碼的智能移動巡檢新系統(tǒng)，并將該巡檢系統(tǒng)成功地應用在國內某水電站。經過現(xiàn)場試驗證明，該系統(tǒng)節(jié)省了大量成本，提高了電力巡檢自動化水平。根據(jù)國家電力設備巡檢標準，文獻[4]通過分析巡檢業(yè)務流程，采用搭載移動巡檢采集軟件的移動便攜式設備終端，設計了一種基于SOA云計算框架的電力設備巡檢平臺，進行實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和交互。文獻[5，8]結合移動GIS特點和中間件技術，提出了多主體中間件模型，設計了具有多業(yè)務層的移動GIS電力巡檢體系結構，在一定程度上驗證了移動GIS模型的有效性。

當前電力電網系統(tǒng)體量大，依靠功能單一或針對電力系統(tǒng)特定問題而開發(fā)的巡檢系統(tǒng)很難應對突發(fā)事件。目前云計算和大數(shù)據(jù)技術的飛速發(fā)展給社會帶來極大便利，“互聯(lián)網+”的思想也讓傳統(tǒng)電力電網巡檢進入“智能時代”。尤其是移動互聯(lián)網、人工智能等技術的應用，傳統(tǒng)電力電網巡檢開始向“智慧電力巡檢”。因此，本文根據(jù)電力系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，依托移動互聯(lián)網、云計算和大數(shù)據(jù)技術，整合移動智能終端設備和電力巡檢業(yè)務流程，提出一種多系統(tǒng)融合的電力移動巡檢系統(tǒng)，以此來有效地巡檢電力設備，應對突發(fā)事故。

2? 多系統(tǒng)融合的電力巡檢系統(tǒng)架構

本文提出的多系統(tǒng)融合的電力移動巡檢系統(tǒng)是使用移動智能終端系統(tǒng)采集現(xiàn)場巡檢數(shù)據(jù)，定位電力設備和巡檢人員位置信息，并依托移動互聯(lián)網將數(shù)據(jù)實時上傳到基于云服務器的巡檢平臺中心系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的存儲和分析，并通過系統(tǒng)的接口平臺將分析結果實時反饋給現(xiàn)場巡檢人員。

2.1? 系統(tǒng)部署框架

本文提出的電力巡檢系統(tǒng)具體包括：移動巡檢手機APP、巡檢平臺APP接口、巡檢平臺中心服務器、Oracle數(shù)據(jù)庫、巡檢平臺Web管理臺、巡檢平臺接口中心。為適應業(yè)務需求，系統(tǒng)平臺劃分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務處理層、控制層以及外部子系統(tǒng)。本系統(tǒng)基本架構原型采用星型結構，并對系統(tǒng)主干部分進行集群部署，充分利用云計算技術，對接外部各個子系統(tǒng)。具體的系統(tǒng)部署框架見圖1。

2.2? 技術架構選擇

服務端操作系統(tǒng)選擇linux內核的操作系統(tǒng)，服務端的程序采用B/S web方式，使用電力系統(tǒng)主流的Java EE開發(fā)語言，且可以部署在TOMCAT、WEBLOGIC等常見的Web容器;數(shù)據(jù)庫采用Oracle 11g關系型數(shù)據(jù)庫;移動端app采用的是C/S架構，支持市場占有量最大的Android系統(tǒng)，可以很好的分發(fā)給移動巡檢工作人員外出巡檢使用[9-10]。

Java平臺具有很成熟的生態(tài)，很好的穩(wěn)定性，且可以支持多線程并發(fā)執(zhí)行，又有很好的安全性和高效性，以及很好的分層實現(xiàn)理念，能更好的對復雜的業(yè)務系統(tǒng)進行開發(fā)和二次開發(fā)，能發(fā)很好的支持B/S和C/S兩種體系架構[11]。

2.3? 系統(tǒng)模塊組成

針對電力巡檢需求，本文采用多系統(tǒng)融合的方式，對各子系統(tǒng)之間的銜接和數(shù)據(jù)流交互以及平臺管理進行模塊化設計。具體的系統(tǒng)模塊設計如圖2所示。

（1）移動巡檢APP

幫助巡檢工作人員獲取當前代辦任務、歷史任務、計劃任務，提供巡視線路，分配設備檢修、機房巡視、線路檢修等任務，上傳巡檢現(xiàn)場的照片、錄音、視頻等;通過APN或互聯(lián)網網絡，對采集到的數(shù)據(jù)進行加密傳輸;通過GPS定位，上傳巡檢人員實時所在位置，管理巡檢人員，提高工作效率;通過事前事中管理，規(guī)范巡檢步驟和流程，確保巡檢的施工安全。

（2）WEB管理平臺

實時查看巡檢APP上報的缺陷等，檢查巡檢人員當前所在位置;匯總多個平臺的數(shù)據(jù)，查看多個來源的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一個賬號多個平臺登錄;服務端的中心數(shù)據(jù)庫對接各平臺的數(shù)據(jù)，落地到本地數(shù)據(jù)庫，便于移動APP快捷地獲取到數(shù)據(jù)，無需每次獲取數(shù)據(jù)都走TMS、I6000等系統(tǒng)。

（3）接口管理中心

對接SG-TMS、SG-I6000、綜合網管系統(tǒng)，以及預備將來可能會對接更多平臺的接口;管理每個平臺對應接口的開發(fā)需求和訪問權限，對接口進行統(tǒng)一的管理、查看、匯總、鑒權。

（4）移動巡檢APP定位

進行線路管理，新增新線路;由巡檢人員直接根據(jù)第一次的巡檢過程，實時繪制線路到后端，可以無需對接復雜的CAD圖紙;管理人員實時審批新線路，形成巡檢參考標準。

（5）文件照片視頻等統(tǒng)一管理

巡檢人員進行現(xiàn)場拍照的資料，統(tǒng)一上傳到服務端。由服務端進行統(tǒng)一的保管歸檔，以便需要的時候更快捷的調用。

（6）知識庫管理

建立統(tǒng)一管理的知識庫，提供知識點便于巡檢人員實時查閱，形成FAQ，提高施工效率。

（7）二維碼管理

將相關設備信息錄入到WEB平臺，由系統(tǒng)生成指定的二維碼，便于移動端APP掃描二維碼，獲取到相關設備信息，自動填入APP，減少人工輸入的錯誤。

（8）電子標簽

二維碼存在事先拍照的可能性，但電子標簽，必須親自到現(xiàn)場去近距離接觸，才可以獲取到相關信息，這樣可以更有效的進行巡檢管理。

2.4? 系統(tǒng)框架分析

2.4.1? 關鍵技術

本文電力移動巡檢系統(tǒng)是基于云計算和大數(shù)據(jù)等技術對多個巡檢業(yè)務系統(tǒng)的整合，涉及到多項關鍵技術。

（1）云計算

云計算具有大規(guī)模、虛擬化、通用性、高可靠性和可擴展性等特點?；谠朴嬎愕奶攸c，本文的移動巡檢系統(tǒng)協(xié)同移動終端系統(tǒng)、web服務系統(tǒng)、接口管理系統(tǒng)，把移動終端采集的數(shù)據(jù)存儲到web服務數(shù)據(jù)端進行統(tǒng)一管理，對巡檢任務進行細化，調度各系統(tǒng)接口向巡檢人員分配任務并提供支持，做到了數(shù)據(jù)資源隨時獲取、隨時使用、隨時擴展。

（2）多系統(tǒng)多作業(yè)模式

本文移動巡檢系統(tǒng)基于云計算技術采用多系統(tǒng)融合多作業(yè)模式，以Web平臺服務端為主，接入移動端系統(tǒng)、SG-TMS、SG-I6000和關聯(lián)系統(tǒng)，利用接口管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)流跨平臺的協(xié)同處理和數(shù)據(jù)同步。與傳統(tǒng)的電力巡檢系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)將各個獨立的系統(tǒng)平臺接入到云服務器上，對采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理和調度，使得各子系統(tǒng)的作業(yè)互不影響，從而實現(xiàn)子系統(tǒng)多作業(yè)模式，解決了多種技術組件的業(yè)務問題。

（3）平臺開發(fā)技術

本文移動巡檢系統(tǒng)使用企業(yè)級的中間件 weblogic11g做集群處理，使用企業(yè)級J2EE體系開發(fā)架構，可實現(xiàn)不依賴于任何特定操作系統(tǒng)，在異構環(huán)境中進行跨平臺部署，優(yōu)化負載平衡策略，實現(xiàn)可高度伸縮地服務器集成部署，具有穩(wěn)定的可用性，能支持長期使用，提供簡潔直觀的系統(tǒng)頁面、簡單方便的操控方式，方便用戶使用。

（4）多接口設計模式

本文移動巡檢系統(tǒng)涉及到的數(shù)據(jù)流主要有：移動設備端與Web平臺端之間的數(shù)據(jù)流，Web平臺端與TMS、I6000、綜合網管系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流。各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流需要進行無縫切換和傳輸，為此提出并實現(xiàn)多接口設計模式。在數(shù)據(jù)層對各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一管理，設計，將子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉成格式一致的數(shù)據(jù)流形式，方便各系統(tǒng)之間頻繁地進行數(shù)據(jù)交互。

2.4.2? 系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法

由于本文提出的移動巡檢系統(tǒng)是采用多系統(tǒng)融合的框架，就需要考慮各子系統(tǒng)之間的穩(wěn)定性對整個平臺性能的影響。因此，本文的移動巡檢系統(tǒng)考慮每個子系統(tǒng)的穩(wěn)定性對整體系統(tǒng)性能的影響，從而對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行控制，以便優(yōu)化系統(tǒng)平臺，方便系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)資源的調度。

根據(jù)電力網絡的特點，移動巡檢系統(tǒng)從系統(tǒng)的吞吐量、事件處理量、內存利用率三個方屬性入手，做整體和局部的系統(tǒng)性能分析，進而控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12-13]。

本系統(tǒng)通過日志文件記錄上述參數(shù)，并分析系統(tǒng)在一段時間內，以及在整個運行時間內的性能。從統(tǒng)計學角度來看，變異系數(shù)增大時，判斷為系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的概率增大。

當系統(tǒng)不穩(wěn)定的概率增大時，需要對每個子系統(tǒng)的性能進行分析。子系統(tǒng)的性能評估依據(jù)上述三個屬性按照公式（3）分別計算變異系數(shù)：，，（其中i表示第i個子系統(tǒng)）。然后比較每個屬性，取最大值變異系數(shù)時，就能判斷出某個子系統(tǒng)的某個屬性出現(xiàn)異常，從進行資源調度，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3? 原型設計與實驗

3.1? 系統(tǒng)整體測試

通過模擬和現(xiàn)場調試，本文提出的多系統(tǒng)融合的電力移動巡檢系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，在巡視管理、巡檢管理、缺陷管理、搶修管理、工單（巡檢、缺陷單）管理等標準化作業(yè)方面均已滿足企業(yè)要求，具備了可靠有效的巡檢能力。具體測試結果如下：

（1）管理能力：系統(tǒng)無故障時間超過7*24，支持同時在線用戶數(shù)量超過500個，支持同時巡檢操作的用戶數(shù)量超過50個，并且每秒處理用戶數(shù)據(jù)量至少100條，數(shù)據(jù)保存時間至少在6個月以上。

（2）響應能力：在測試環(huán)境下，平臺首頁訪問平均響應時間≤3 s;系統(tǒng)登錄平均響應時間，執(zhí)行簡單查詢、添加和刪除業(yè)務時，平均響應時間≤5 s;執(zhí)行復雜的綜合業(yè)務時，平均響應時間也在8 s內;在執(zhí)行統(tǒng)計業(yè)務時，月統(tǒng)計業(yè)務的平均響應時間≤ 20 s，年統(tǒng)計業(yè)務的平均響應時間≤30 s。當移動終端APP進行多用戶并發(fā)操作時，APP安全啟動時間≤5 s;掃描二維碼或識別電子標簽信息的平均響應時間≤3 s;執(zhí)行簡單查詢、添加和刪除業(yè)務時，平均響應時間≤5 s。

（3）安全性：經過網絡壓力測試，系統(tǒng)未出現(xiàn)異常和崩潰，用戶密碼和授權信息未被破解;系統(tǒng)存儲了系統(tǒng)訪問日志和操作日志;

（4）負載能力：經測試，支持移動終端測試應用設備超過了30臺，其中移動終端設備支持識別電子標簽功能，電子標簽數(shù)量約為30個。

3.2? 穩(wěn)定性測試

通過對本系統(tǒng)運行情況的日志數(shù)據(jù)進行分析，得到某段時間內的吞吐量、處理事件量和內存利用率。以1天24小時為例，設定參數(shù)是均為1，可以得出24小時內的系統(tǒng)運行情況，如圖3所示。

觀察變異系數(shù)在24小時的變化情況，分析情況如下：

在[0-10h]這個時間段內。整體系統(tǒng)的變異系數(shù)平均水平小于0.5，表明保持在一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。通過觀察子系統(tǒng)的三個分量，可看出事件處理量對整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響。針對這個分量，容易導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，通過控制各子系統(tǒng)的吞吐量均衡系統(tǒng)平臺的負載，進行合理的資源調度，使得系統(tǒng)繼續(xù)維持穩(wěn)定。

[10-20h]是巡檢業(yè)務操作最為頻繁的時間段，系統(tǒng)需要對各子系統(tǒng)進行事件響應、數(shù)據(jù)存儲和分析以對接各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，使得整體系統(tǒng)的變異系數(shù)維持在較高的水平。在處于這種狀態(tài)下，系統(tǒng)很容易出現(xiàn)崩潰的現(xiàn)象。由圖3可以看出整體系統(tǒng)的變異系數(shù)偏高，這就需要對各個子系統(tǒng)進控制。通過對三個屬性的分析和觀察，系統(tǒng)的吞吐量在這段時間內出現(xiàn)波峰狀態(tài)。因此對系統(tǒng)而言，降低內存利用率和減緩單位時間內處理事件量，才能使系統(tǒng)不會一直保持在峰值狀態(tài)下運行，從而達到穩(wěn)定系統(tǒng)的目的。

在[20-24h]這段時間內，整體系統(tǒng)的變異系數(shù)逐漸減小。由于巡檢業(yè)務減少，系統(tǒng)處理事件量減少，而系統(tǒng)大部分資源處理空閑狀態(tài)。為了使系統(tǒng)充分利用空閑時間和資源處理巡檢內部業(yè)務，通過控制系統(tǒng)提高吞吐量和內存利用率，使整個系統(tǒng)維穩(wěn)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)了對資源的調度。

通過對上述實驗分析，由系統(tǒng)實時監(jiān)控吞吐量、事件處理量、內存利用率以及變異系數(shù)的變化，可以使得基于云計算的多系統(tǒng)融合的電力移動巡檢系統(tǒng)保持穩(wěn)定，并實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的充分調度。

5? 結論

本文設計并實現(xiàn)了基于云計算的多系統(tǒng)融合的電力移動巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)了多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流在云計算平臺上無縫的切換和交換，實現(xiàn)平臺自動對接和巡檢工作的無紙化，對電力設備和巡檢人員的實時定位，減少了巡檢人員業(yè)務操作流程，提供了提供電子標簽觸碰等新一代的交互方式，實現(xiàn)了對系統(tǒng)平臺穩(wěn)定性的實時控制和系統(tǒng)資源的調度。通過本項目的研制和實施，既實現(xiàn)了在巡檢現(xiàn)場采集故障數(shù)據(jù)和運行參數(shù)的功能以及對線路、設備信息查詢的功能，也使得管理人員可以隨時對巡檢數(shù)據(jù)進行管理、分析和檢索，提高了業(yè)務處理能力，整體改善了電力系統(tǒng)的運行效率。

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