曲 豫 賓 ，楊 帆 ，李 芳

（南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226007）

國家電網(wǎng)發(fā)展極為迅速，而電力供應(yīng)的穩(wěn)定及時直接影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展，如何及時獲取某個區(qū)域的電網(wǎng)狀態(tài)，并對電網(wǎng)運行情況進行分析統(tǒng)計成為各個電網(wǎng)子公司都要解決的問題。特別是在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，如何能夠保證電網(wǎng)的暢通，及時響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，是一個亟待解決的現(xiàn)實問題。配電自動化指的是利用計算機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)，結(jié)合配電設(shè)備等，對配電網(wǎng)進行在線監(jiān)測或者離線數(shù)據(jù)分析，使得配電網(wǎng)可以一直處于正常、高效、經(jīng)濟的運行狀態(tài)。目前，配電網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集部分應(yīng)用的通信媒體主要有以下幾種方式：短距離長線、市話網(wǎng)、Internet網(wǎng)絡(luò)、自組網(wǎng)絡(luò)（CDPD網(wǎng)）、數(shù)傳電臺和GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)[1]。不同的通信媒介有其自身的優(yōu)點，應(yīng)該因地制宜選擇不同的傳輸介質(zhì)。GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡稱，它支持TCP／IP協(xié)議，可以與Internet進行數(shù)據(jù)互聯(lián)。GPRS具有實時性強、數(shù)據(jù)容量大、覆蓋面較廣、信號較強等優(yōu)勢，適合作為配電自動化系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)[2]。近年來，已經(jīng)有學(xué)者提出并設(shè)計了完整的基于GPRS的配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)[3-6]，文獻中對于服務(wù)器端如何與配電自動化設(shè)備進行接口，服務(wù)器端該如何設(shè)計以滿足用戶需求描述并不多。電網(wǎng)業(yè)務(wù)復(fù)雜，需求靈活，特別是縣市一級的用戶往往要面對個性化的業(yè)務(wù)需求，多變個性化的業(yè)務(wù)需求要求配變電管理系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計能夠快速開發(fā)及部署，針對多變的業(yè)務(wù)需求要能夠?qū)崿F(xiàn)快速迭代，在保證開發(fā)效率的基礎(chǔ)上如何兼顧服務(wù)器系統(tǒng)運行的健壯性，也是配變電管理系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計時候要重點解決的問題之一。在軟件架構(gòu)方面進行合理的設(shè)計，采用高內(nèi)聚、低耦合的系統(tǒng)設(shè)計原則，使用成熟穩(wěn)定的2G網(wǎng)絡(luò)，或者目前正在逐步完善的3G網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器收集配電網(wǎng)信息，在服務(wù)器端及時分析處理，可以作為對遠(yuǎn)程配電網(wǎng)監(jiān)測的一個完整的解決方案。

1 配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)是一個整體的系統(tǒng)，需要多個終端硬件、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器處理系統(tǒng)等多個系統(tǒng)的配合完成。配電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)要完成監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析任務(wù)，需要實現(xiàn)如下的幾個功能模塊：

1)電網(wǎng)傳感器的功能設(shè)計。傳感器處于整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及上傳，起著下位機的角色。該傳感器在整個系統(tǒng)中又被稱為綜測儀。綜測儀要完成電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的數(shù)字化，以及將數(shù)據(jù)按照約定協(xié)議在應(yīng)用層打包上傳等功能。該部分屬于系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)部分，在本文中不再具體闡述。與整個系統(tǒng)框架相關(guān)的是電網(wǎng)傳感器與服務(wù)器通信時候的協(xié)議設(shè)計。綜測儀要向服務(wù)器傳輸諸如停電數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、運行參數(shù)、整點數(shù)據(jù)等電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息。

2)遠(yuǎn)程服務(wù)器的功能設(shè)計。遠(yuǎn)程服務(wù)器在整個系統(tǒng)中起著數(shù)據(jù)匯聚的作用，遠(yuǎn)程服務(wù)器采用C＃來實現(xiàn)，負(fù)責(zé)停電數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、運行參數(shù)以及整點數(shù)據(jù)的接收、分析、處理、存儲，用戶管理，電網(wǎng)線路管理，下位機綜測儀管理，系統(tǒng)日志管理等。

3)數(shù)據(jù)展示模塊的功能設(shè)計。數(shù)據(jù)展示模塊是用戶直接查看，分析數(shù)據(jù)的模塊，設(shè)計的原則重在給用戶提供快捷方便的數(shù)據(jù)展示頁面，提高用戶的體驗。系統(tǒng)設(shè)計采用Web頁面及基于Android的手機客戶端展示兩種方式。Web頁面具有易于部署、用戶無須升級等優(yōu)點，而Android手機客戶端具有方便，可隨時隨地訪問數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等優(yōu)點，而且在手機客戶端上也可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯，滿足用戶的個性化數(shù)據(jù)管理需求。

2 配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)

配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的核心在于綜測儀硬件的實現(xiàn)，系統(tǒng)的軟件架構(gòu)實現(xiàn)，高性能多并發(fā)服務(wù)器設(shè)計，以及具有良好用戶體驗客戶端的設(shè)計。其中硬件功能的實現(xiàn)不屬于本文論述的內(nèi)容。本文的重點在于軟件架構(gòu)實現(xiàn)及服務(wù)器設(shè)計上。目前配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要面向地市級電網(wǎng)子公司，因此可擴展，易于部署和維護的服務(wù)器設(shè)計才能更好地滿足用戶需求。

2.1 層次化的架構(gòu)設(shè)計

高內(nèi)聚低耦合的軟件架構(gòu)設(shè)計有利于軟件系統(tǒng)功能的擴展和傳輸介質(zhì)的升級，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計見圖1。通用的協(xié)議設(shè)計，使得整個系統(tǒng)具有良好的擴展性。具體到各層分別實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)邏輯：①數(shù)據(jù)采集層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及傳輸。數(shù)據(jù)采集層與傳輸層之間采用自定義協(xié)議，使用socket通信，此種方案的優(yōu)點在于避免中間層，服務(wù)器可以設(shè)計高并發(fā)的架構(gòu)以承載多個綜測儀終端，提高傳輸效率。②數(shù)

據(jù)采集層與傳輸層使用TCP協(xié)議進行雙向通信，傳輸層采用成熟的2G網(wǎng)絡(luò)或者3G網(wǎng)絡(luò)，傳輸層負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集層獲取的數(shù)據(jù)完整傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)處理層中去。③業(yè)務(wù)處理層作為數(shù)據(jù)的交匯層，負(fù)責(zé)解析數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲。該層的關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)持久化。為了提高系統(tǒng)開發(fā)效率以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)持久化采用ORM進行處理。采用ORM設(shè)計的優(yōu)點是解除業(yè)務(wù)處理邏輯與數(shù)據(jù)存儲的耦合，便于數(shù)據(jù)庫的更新和調(diào)整。目前系統(tǒng)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，未來節(jié)約成本可以采用MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)接口層采用Microsoft ADO.NET Entity Framwok進行實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)接口層，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷胍约皵?shù)據(jù)庫視圖可以有效解決業(yè)務(wù)重構(gòu)問題。④數(shù)據(jù)展示層負(fù)責(zé)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的展示。為了提高用戶體驗，Web頁面采用Jquery技術(shù)進行異步刷新，展示電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，采用圖表控件可視化展示電網(wǎng)運行參數(shù)等數(shù)據(jù)。

2.2 高并發(fā)服務(wù)器設(shè)計

Windows操作系統(tǒng)提供了選擇、異步選擇、事件選擇、重疊I／O和完成端口（Completion Port）共5種I／O模型。每一種模型均適用于一種特定的應(yīng)用場景[7]。選擇模型通過輪詢網(wǎng)絡(luò)讀和寫隊列方式socket提供服務(wù)；異步選擇模型基于Windows窗口消息機制進行事件處理；事件選擇模型為每個socket連接建立事件對象，通過事件等待模型提供服務(wù)；重疊I／O模型基于I／O端口，在該端口上提交重疊結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，端口完成時使用異步事件對象模型或者完成例程進行操作。為了提高系統(tǒng)并發(fā)性，系統(tǒng)設(shè)計采用基于IOCP的模型。IOCP模型是Windows上非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)編程模型，該模型引入完成端口的概念，通過多個工作行程在完成端口上進行業(yè)務(wù)操作。每個socket都綁定在一個完成端口上，通過重疊I／O異步發(fā)送數(shù)據(jù)收發(fā)。基于IOCP的網(wǎng)絡(luò)模型工作流程如圖2所示。

圖1 配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)分層架構(gòu)設(shè)計

3 配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵代碼實現(xiàn)

3.1 高并發(fā)服務(wù)器設(shè)計核心代碼

在.NET平臺上，完成基于IOCP的網(wǎng)絡(luò)通信過程，提供了更加方便友好的使用方法。該模型是Windows系統(tǒng)中最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)編程模型，提供了良好的擴展性。系統(tǒng)中配電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)器設(shè)計共涉及核心類5個，以類庫的方式為整個解決方案提供應(yīng)用類。服務(wù)器類庫結(jié)構(gòu)圖見圖3。

SocketListener類是服務(wù)器包的核心類，負(fù)責(zé)服務(wù)器啟動及監(jiān)聽，數(shù)據(jù)讀寫操作等。該類以單件模式運行。整個系統(tǒng)中運行一個SocketListener類的實例對象，在端口7020進行監(jiān)聽。BufferManager類用于對Socket-AsyncEventArgs所使用的緩沖區(qū)集中進行管理，便于緩沖區(qū)的分配釋放與回收。MySocketAsyncEventArgs是自定義的SocketAsyncEventArgs類，用于定義配變電管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)中所要用到的信息，Socket-AsyncEventArgsPool是用于保存SocketAsyncEventArgs對象的池，該池以棧的形式進行對象分配回收，該工具類同時也作為發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令的統(tǒng)一入口。Token類中定義了用于同步界面與業(yè)務(wù)邏輯的處理方法，通過事件機制，異步刷新客戶端狀態(tài)展示。MessageHandler類負(fù)責(zé)處理各種類型的報文信息，比如整點數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、停電數(shù)據(jù)、運行參數(shù)等，該類以靜態(tài)方法向外提供服務(wù)。該類將服務(wù)器中接收到的數(shù)據(jù)校驗以后，傳入先進先出消息隊列，通知其他類持久化到數(shù)據(jù)庫中。

SocketListener類作為系統(tǒng)用于提供監(jiān)聽服務(wù)的類，通過在主線程中定義并初始化靜態(tài)對象為其他類提供引用。

public static SocketAsyncServer.SocketListener mySocketListener；

SocketListener類中通過同步信號量EventWaitHandle向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中寫數(shù)據(jù)的線程發(fā)出有信號的事件。

private EventWaitHandle ＿messagesCanWriteToDBSignal；

SocketListener類中通過事件機制來實現(xiàn)對完成端口數(shù)據(jù)的讀寫，其關(guān)鍵代碼如下：

圖2 IOCP網(wǎng)絡(luò)編程模型

圖3 服務(wù)器類庫結(jié)構(gòu)圖

MessageHandler類的作用是報文處理，實現(xiàn)報文處理的關(guān)鍵代碼如下：

3.2 數(shù)據(jù)展示層核心代碼

數(shù)據(jù)展示采用兩種方式與服務(wù)器進行通信，分別實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的展示。日常統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用Ado.NET連接SQL服務(wù)器，從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并展示。Web頁面具有訪問方便、易部署的特點。不要求實時的數(shù)據(jù)都可以采用直接從數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)的方式進行訪問，這樣可以降低服務(wù)器設(shè)計難度并提高軟件的健壯性。第二種方式是實時數(shù)據(jù)的讀取，采用socket進行數(shù)據(jù)通信。

實時數(shù)據(jù)請求要求服務(wù)器能及時進行響應(yīng)，服務(wù)器端采用支持多并發(fā)的服務(wù)器，將數(shù)據(jù)請求指令轉(zhuǎn)發(fā)給下位機，獲取下位機上傳數(shù)據(jù)以后，以socket回發(fā)給客戶端。

實時數(shù)據(jù)的獲取展示問題是服務(wù)器端框架設(shè)計中的一個亮點和關(guān)鍵點。實時數(shù)據(jù)獲取及展示存在兩個問題：一是普通客戶配置的服務(wù)器性能較差，不能滿足海量客戶機及Web瀏覽器數(shù)據(jù)請求及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；二是由于實地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的差異性，普遍來講城市網(wǎng)絡(luò)信號較好，而郊區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號較差，這是制約該系統(tǒng)能否進行實時數(shù)據(jù)展示的非常重要的一個問題。如果刷新速度較慢，那么用戶體驗較差。有鑒于此，提出了socket＋數(shù)據(jù)庫緩沖的解決方案。該方案設(shè)計模型見圖4。

Web瀏覽器通過socket與服務(wù)器端監(jiān)聽進程在7019端口進行通信，服務(wù)器端采用IOCP模型進行設(shè)計可以實現(xiàn)5000左右客戶端的并發(fā)連接。服務(wù)器伺服進程接收到實時數(shù)據(jù)請求以后，進入數(shù)據(jù)請求隊列，發(fā)送給下位機，即指定編號的下位機。這里用到了之前提到的IOCP模型。下位機在接受到指令后，檢索并上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器端。服務(wù)器端將該實時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。這是系統(tǒng)的亮點。如果網(wǎng)絡(luò)狀況較差，則存在多條數(shù)據(jù)疊加的情況，那么數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會被最新數(shù)據(jù)覆蓋。這樣可以解決服務(wù)器端由于性能較低無法及時響應(yīng)及網(wǎng)絡(luò)較差延時較大的問題。在Web瀏覽器端設(shè)置定時的異步刷新，從數(shù)據(jù)庫中取出最新數(shù)據(jù)，并展現(xiàn)給用戶，實踐證明，該方案可以有效解決服務(wù)器性能瓶頸及網(wǎng)絡(luò)延遲較大的問題，有效提高用戶體驗。

圖4 實時數(shù)據(jù)訪問模型

4 結(jié)語

基于IOCP的遠(yuǎn)程配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器端框架設(shè)計能夠滿足監(jiān)測電網(wǎng)并管理電網(wǎng)數(shù)據(jù)的需求。軟件架構(gòu)設(shè)計具有良好的擴展性，服務(wù)器設(shè)計合理能夠滿足多綜測儀客戶端并發(fā)的需求。但是該系統(tǒng)也存在一些需要完善和優(yōu)化之處。目前服務(wù)器運行成本較高，服務(wù)器框架仍需要優(yōu)化。為了管理的方便，可以采用Windows系統(tǒng)，要降低用戶成本可以采用Linux操作系統(tǒng)，并使用開源網(wǎng)絡(luò)框架，比如Mina或者Libevent等高性能框架，進一步提高系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性?？梢钥紤]在Linux服務(wù)器端使用C語言或者JAVA語言進行服務(wù)器設(shè)計，提高服務(wù)器處理效率，也可以添加分布式數(shù)據(jù)庫緩存，提高MySQL數(shù)據(jù)庫訪問速度。

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