變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)設(shè)計

王 芳，陳立威

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100）

0 引 言

目前，在信息化技術(shù)快速發(fā)展的背景下，越來越多的變電站采用運維系統(tǒng)完成對各類設(shè)備維護(hù)的日常巡檢管理工作。對于變電站內(nèi)部的通信故障，以往主要通過人工方式進(jìn)行定位與維護(hù)，該類維護(hù)方式具有人力管理成本高、巡檢數(shù)據(jù)信息易丟失、不易統(tǒng)計等多個方面的問題。因此，需要開發(fā)整個變電站內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)，從而加強變電站日常核心業(yè)務(wù)方面的管理，提供更好的運維服務(wù)。該系統(tǒng)的研發(fā)具備良好的現(xiàn)實意義，能夠有效整合變電站的業(yè)務(wù)與信息，運維人員通過該系統(tǒng)能夠及時定位通信故障，并安排巡檢人員進(jìn)行處理，有效提升巡檢運維的效率[1-3]。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 大數(shù)據(jù)

在變電站的日常運維中，系統(tǒng)實時產(chǎn)生不同類別的海量數(shù)據(jù)信息，無法采用常規(guī)軟件處理工具完成該類數(shù)據(jù)信息的預(yù)處理、分析與統(tǒng)計工作。因此，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以采用并行處理能力更強的算法與工具進(jìn)行決策分析，能夠應(yīng)對工業(yè)場景產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)信息，并提升這些數(shù)據(jù)信息的價值。

大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅能夠分析日常文本數(shù)據(jù)，還可以處理容量更大的圖像、聲音、視頻等數(shù)據(jù)，其核心部分采用人工智能和機器學(xué)習(xí)等算法，結(jié)合高性能的并行處理框架，完成對海量數(shù)據(jù)信息的處理，同時能夠分析與挖掘工業(yè)場景中潛藏數(shù)據(jù)的價值。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)

在變電站的日常運維中，數(shù)據(jù)信息主要來源于各類物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的采集。各類物聯(lián)網(wǎng)終端負(fù)責(zé)讀取與傳輸不同場景下變電站設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息，終端設(shè)備包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)采集系統(tǒng)、各類傳感器以及數(shù)控管理系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)信息采集完成后，終端設(shè)備能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行傳輸。其中，傳輸?shù)姆绞椒譃橛芯€傳輸、Wi-Fi 傳輸、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）傳輸以及藍(lán)牙傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)對整個通信數(shù)據(jù)信息的傳輸提供安全保護(hù)機制，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測、報警聯(lián)動處理、安全防護(hù)、遠(yuǎn)程維護(hù)、決策支持以及統(tǒng)計分析等功能，實現(xiàn)整個通信數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通操作，進(jìn)而完成變電站的運維管理工作[4]。

1.3 SSM 框架

變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計需要對目前的技術(shù)進(jìn)行選型分析，最終采用的Java開源框架為SSM（Spring+SpringMVC+MyBatis）框架，并通過該框架完成整個變電站故障監(jiān)測業(yè)務(wù)的分析與管理。3 種開源框架的介紹如下。

（1）Spring 架構(gòu)。該開發(fā)框架核心為控制反轉(zhuǎn)（Inversion of Control，IoC）管理機制，主要工作目標(biāo)是創(chuàng)建整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)層的處理對象，創(chuàng)建的對象能夠完成數(shù)據(jù)信息配置與管理，提升系統(tǒng)總體的可維護(hù)性。

（2）Spring MVC。在系統(tǒng)總體的設(shè)計中，Spring MVC 的工作目標(biāo)是分析與處理數(shù)據(jù)層、用戶層與業(yè)務(wù)邏輯層之間的功能流轉(zhuǎn)過程，處理核心管理機制需要采用前置控制器（DispatcherServlet）。用戶在系統(tǒng)前端進(jìn)行報警處理和故障監(jiān)測等各類功能操作，每個功能模塊的操作通過DispatcherServlet 進(jìn)行分發(fā)，系統(tǒng)處理后將處理結(jié)果顯示在前端頁面。

（3）MyBatis 框架。該框架核心的處理機制是完成業(yè)務(wù)程序與數(shù)據(jù)之間的持久化操作，程序代碼能夠按照操作對象的方式管理相應(yīng)的表格。整個映射處理機制采用注解方式進(jìn)行，能夠提升整個數(shù)據(jù)分析處理的效率。

2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)分析

2.1 可行性分析

對變電站數(shù)據(jù)通信監(jiān)測與報警系統(tǒng)而言，需要分析系統(tǒng)開發(fā)的可行性，主要圍繞技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與操作方面，詳細(xì)內(nèi)容如下。

（1）技術(shù)角度分析。目前，整個系統(tǒng)采用Java Web、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進(jìn)行分析，技術(shù)框架總體成熟，安全性良好，能夠結(jié)合變電站具體業(yè)務(wù)的發(fā)展進(jìn)行快速開發(fā)，從而滿足用戶的操作需要。開發(fā)的系統(tǒng)程序具備較好的擴展性，方便系統(tǒng)后續(xù)升級，因此技術(shù)開發(fā)具有可行性。

（2）經(jīng)濟(jì)角度分析。變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)主要的研發(fā)費用包括軟件方面的投入和硬件部分的投入2 個部分。其中，變電站已經(jīng)具備硬件投入條件，因此主要的成本在于軟件開發(fā)，總體開發(fā)工作量可控。因此，從經(jīng)濟(jì)角度分析，系統(tǒng)的開發(fā)完全可行。

（3）操作可行性分析。用戶在進(jìn)行日常故障監(jiān)測和報警處理等模塊的操作時，系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)用戶的操作，并給出相應(yīng)的操作提示內(nèi)容，因此具有較好的操作可行性。

綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與操作角度進(jìn)行分析，確定整個系統(tǒng)的開發(fā)完全可行[5]。

2.2 功能需求分析

變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)的功能需求分析中，需要規(guī)劃不同模塊的業(yè)務(wù)處理流程，從而確定系統(tǒng)功能，后續(xù)對系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計編碼、實現(xiàn)與測試工作。具體系統(tǒng)功能用例如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能用例

整個系統(tǒng)主要的功能包括用戶管理、故障監(jiān)測、報警管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及巡檢管理。

2.3 非功能需求分析

系統(tǒng)在進(jìn)行分析與處理操作時，需要關(guān)注整個系統(tǒng)的功能與性能，從而完成對系統(tǒng)總體的分析工作。性能需求需要考慮的因素包括系統(tǒng)響應(yīng)時間和用戶并發(fā)性需求2 個方面，詳細(xì)如下。

（1）系統(tǒng)響應(yīng)時間。開發(fā)變電站數(shù)據(jù)通信監(jiān)測與報警系統(tǒng)的不同功能時，響應(yīng)時間是需要核心考慮的因素。該系統(tǒng)的最大響應(yīng)時間不能超過3 s，此時系統(tǒng)能夠?qū)τ脩舻牟僮鬟M(jìn)行快速響應(yīng)，否則容易造成不好的用戶體驗。

（2）并發(fā)性需求。變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)進(jìn)行工作時，由于系統(tǒng)需要面向多用戶進(jìn)行管理，并發(fā)最少應(yīng)支持100 個用戶。同時，能夠通過并發(fā)性測試判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)設(shè)計中，需要遵循多方面的工作原則，從而提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，詳細(xì)設(shè)計原則如下。

（1）系統(tǒng)維護(hù)性。在進(jìn)行功能編碼時，需要注重總體系統(tǒng)的可維護(hù)性。為保證后續(xù)能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行快速升級，需要降低功能編碼之間的耦合度，結(jié)合用戶的使用體驗完成系統(tǒng)優(yōu)化，有效降低系統(tǒng)升級維護(hù)成本。

（2）系統(tǒng)安全性。設(shè)計過程中，需要注重應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)信息2 個方面的安全，可以采用權(quán)限設(shè)置和數(shù)據(jù)備份恢復(fù)等機制提升系統(tǒng)安全性。

（3）系統(tǒng)功能使用友好性。在系統(tǒng)功能的操作中，需要注重整個業(yè)務(wù)功能模塊使用的友好程度，及時對用戶的操作進(jìn)行響應(yīng)。

3.2 體系架構(gòu)設(shè)計

對變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)設(shè)計而言，圍繞系統(tǒng)設(shè)計的需求并結(jié)合系統(tǒng)開發(fā)采用的SSM 框架，整個系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計可以分為3 層，分別為應(yīng)用層、功能層及數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

采用該設(shè)計模式的主要優(yōu)點在于能夠降低不同層次之間的耦合度，有效提升各個層次后續(xù)的可擴展性。每個層次的詳細(xì)功能如下。

（1）應(yīng)用層。該層的主要工作是為系統(tǒng)不同類型的用戶提供操作接口，使得用戶能夠完成故障監(jiān)測、報警管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及巡檢管理。為提升用戶使用的便利性，系統(tǒng)提供多個數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析接口。

（2）功能層。用戶在應(yīng)用層操作之后，系統(tǒng)的響應(yīng)與處理主要在功能層進(jìn)行。該層主要功能包括故障監(jiān)測、報警管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及巡檢管理的業(yè)務(wù)處理代碼，需要調(diào)用底層數(shù)據(jù)信息，從而更好地響應(yīng)用戶的操作需求。

（3）數(shù)據(jù)層。變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計中，數(shù)據(jù)層主要的任務(wù)是存儲系統(tǒng)所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息，包括故障、用戶、報警等核心數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對其進(jìn)行持久化操作，從而提升數(shù)據(jù)處理效率。

變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)主要采用Java 語言進(jìn)行開發(fā)，不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)都需要對具體的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。對海量數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)而言，能夠采用海量非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲管理，其典型代表是Hbase 數(shù)據(jù)庫和MongoDB數(shù)據(jù)庫。結(jié)合本系統(tǒng)的具體處理需要，主要采用MongoDB 數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié) 論

結(jié)合系統(tǒng)實現(xiàn)的內(nèi)容，對目前的技術(shù)進(jìn)行選型分析，最終確定采用Java Web 技術(shù)來設(shè)計變電站數(shù)據(jù)通信運維故障在線監(jiān)測與報警系統(tǒng)。文章通過例圖分析與確定系統(tǒng)功能，后續(xù)將對系統(tǒng)功能進(jìn)行總體設(shè)計。下一步的工作將采用Java、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)行實現(xiàn)，主要原因在于該技術(shù)具備開源和安全穩(wěn)定的優(yōu)點。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括故障監(jiān)測、報警管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及巡檢管理等，采用3 層架構(gòu)設(shè)計方式，能夠?qū)ψ冸娬镜耐ㄐ殴收线M(jìn)行快速監(jiān)測與報警，并提醒巡檢人員及時處理，從而有效提升整個變電站的運維效率。