曲廣龍，楊洪耕，熊曉祎

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。特別是沖擊性、非線性負(fù)荷的大量應(yīng)用，使得電網(wǎng)中電壓波形畸變、電壓波動及閃變等問題日益嚴(yán)重，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，并誘發(fā)各種電力系統(tǒng)事故，對電力用戶的正常用電造成不良影響[1]。同時，電能質(zhì)量的惡化也給電網(wǎng)及用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此建立一套完備的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對電網(wǎng)的電能質(zhì)量狀況進(jìn)行在線監(jiān)測是十分必要的[2]。

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)利用安裝在不同站點、不同電壓等級以及不同出線端的監(jiān)測裝置采集電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳回數(shù)據(jù)中心站，實現(xiàn)同時對電網(wǎng)多個位置進(jìn)行監(jiān)測，提供全網(wǎng)電能質(zhì)量狀況的相關(guān)信息，為科學(xué)準(zhǔn)確地評估電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，進(jìn)行電網(wǎng)事故或異常情況分析及電能質(zhì)量污染的控制和治理等方面提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

目前國內(nèi)已研究開發(fā)出許多電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[3-14]，但是數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式都比較單一，不能直觀展現(xiàn)出電網(wǎng)整體電能質(zhì)量水平，用戶體驗效果較差。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（Web-GIS）的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，將電網(wǎng)地理接線信息和電能質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)合，使電能質(zhì)量數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式更加直觀和多樣化，但是沒有提供電網(wǎng)地理接線信息的編輯和擴(kuò)展功能，如果有新建變電站或線路需要進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測則無法做到在線同步，不適合電能質(zhì)量監(jiān)測工作的長遠(yuǎn)發(fā)展。本文在文獻(xiàn)[15]所做工作的基礎(chǔ)上，采用ArcGIS Server技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了可在線編輯擴(kuò)展電網(wǎng)地理接線信息的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。如果遇到電網(wǎng)新建設(shè)變電站及輸電線路，可通過地理接線圖在線編輯功能實現(xiàn)相應(yīng)的編輯或新增，使得電能質(zhì)量監(jiān)測工作能同步于電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展，從而更好地監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量的整體情況。

1 ArcGIS Server簡介

ArcGIS Server是一個基于網(wǎng)絡(luò)（Web）技術(shù)的企業(yè)級 GIS（Geographic Information System）解決方案[16-17]，為創(chuàng)建和管理基于服務(wù)器的GIS應(yīng)用提供了一個高效的框架平臺，并且提供基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的WebGIS服務(wù)。ArcGIS Server基于核心組件庫ArcObjects搭建，不僅具備發(fā)布地圖服務(wù)的功能，還能提供靈活的編輯和強(qiáng)大的分析能力，具有以下特點。

a.集中式管理使成本降低。數(shù)據(jù)維護(hù)管理和系統(tǒng)升級只需要在服務(wù)器端進(jìn)行集中式的處理，節(jié)約了投入的時間成本和人力資源，并且有利于提高數(shù)據(jù)的一致性。

b.瘦客戶端也可以使用高級GIS服務(wù)。以往實現(xiàn)高級GIS功能只能基于龐大的桌面軟件，現(xiàn)在通過ArcGIS Server搭建GIS服務(wù)使得客戶端通過瀏覽器即可實現(xiàn)高級GIS功能。

c.支持大量并發(fā)訪問。ArcGIS Server采用分布式組件技術(shù)，可大幅降低響應(yīng)時間，提高并發(fā)訪問量。

d.可以與其他應(yīng)用系統(tǒng)無縫整合，為其提供地理信息支持。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)和功能模塊

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

系統(tǒng)采用 ASP.NET技術(shù)。ASP（Active Server Pages）是一種使嵌入網(wǎng)頁中的腳本可由因特網(wǎng)服務(wù)器執(zhí)行的服務(wù)器端腳本技術(shù)，它使運(yùn)行一些很平常的任務(wù)如表單的提交、客戶端的身份驗證、分布系統(tǒng)和網(wǎng)站配置變得非常簡單[18]。監(jiān)測系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)由用戶界面層、Web服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫服務(wù)層組成，物理結(jié)構(gòu)可以具體分為電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、客戶端4個部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作示意圖如圖1所示。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of power quality monitoring system

電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理裝置。其負(fù)責(zé)采集電壓、電流數(shù)據(jù)，并計算各電能質(zhì)量指標(biāo)，整理成電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式PQDIF（Power Quality Data Interchange Format）文件，通過文件傳輸協(xié)議（FTP）由管理信息區(qū)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器端；當(dāng)有暫態(tài)事件發(fā)生時，電能質(zhì)量監(jiān)測儀將暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式COMTRADE（COMmon format for TRAnsient Data Exchange）文件通過FTP協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器端。電能質(zhì)量監(jiān)測儀工作原理如圖2所示。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測儀工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of power quality monitor

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)收集電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備傳輸來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析和存儲[4]，并響應(yīng)Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)檢索請求。系統(tǒng)包含電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和地理空間數(shù)據(jù)庫2個數(shù)據(jù)庫。

監(jiān)測系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)。Web服務(wù)器為客戶端提供各種Web服務(wù)，響應(yīng)客戶端瀏覽器發(fā)送的請求，并根據(jù)用戶請求，從數(shù)據(jù)庫中檢索相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端瀏覽器進(jìn)行展示。

客戶端通過瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送請求，并把返回的數(shù)據(jù)結(jié)果展示給用戶。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)主要功能模塊

監(jiān)測系統(tǒng)主要包含以下7個模塊。

a.趨勢圖查詢模塊。變電站單監(jiān)測點單指標(biāo)（包括電壓、電流、有功、無功、頻率、諧波、電壓波動與閃變、三相不平衡度）數(shù)據(jù)查詢，提供所選擇監(jiān)測點在選擇時間段內(nèi)和選擇電能質(zhì)量指標(biāo)下的每分鐘數(shù)據(jù)值，以曲線圖和表格的形式展示，并在圖上標(biāo)出國標(biāo)限值以供參照。

b.統(tǒng)計值查詢模塊。統(tǒng)計值查詢模塊提供變電站單監(jiān)測點單指標(biāo)日統(tǒng)計數(shù)據(jù)查詢及所選擇監(jiān)測點在選擇時間段內(nèi)和選擇電能質(zhì)量指標(biāo)下的日統(tǒng)計值（包含最大值、最小值、CP95值和平均值），以蠟燭圖和表格的形式展示。

c.專家診斷模塊。專家診斷模塊對單監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行高層分析，包含諧波源定位、閃變源定位、電壓暫降評估等。

d.報表模塊。報表類型分為日報表、月報表、季報表和年報表。報表模塊提供一種組合式報表，對任選監(jiān)測點和任選指標(biāo)按報表類型得到相應(yīng)時間段內(nèi)的指標(biāo)統(tǒng)計值（最大值、最小值、CP95值和平均值），并提供EXCEL報表文件下載。

e.用戶管理模塊。用戶管理模塊提供用戶的新增、刪除，用戶密碼及信息修改，用戶權(quán)限管理，審計日志等功能。

f.系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊提供變電站及線路屬性錄入、修改、刪除功能，統(tǒng)一管理系統(tǒng)配置參數(shù)。

g.地理導(dǎo)航模塊。地理導(dǎo)航模塊提供電網(wǎng)地理接線及電能質(zhì)量整體監(jiān)測一覽圖。可以直接在地理接線圖上選擇變電站或者線路來查看歷史或?qū)崟r電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提供實時數(shù)據(jù)越限告警功能（以文字和線路閃爍方式提示用戶），將越限信息記錄在日志中。同時具備電網(wǎng)地理接線信息在線編輯擴(kuò)展功能，根據(jù)電網(wǎng)最新建設(shè)情況，可以在地理接線圖上做出相應(yīng)修改，實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測工作與電網(wǎng)建設(shè)同步發(fā)展。

3 監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)搭建

（1）系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境。

系統(tǒng)基于微軟.NET平臺，采用Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境開發(fā)。服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Server 2008，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件為Sql Server 2008，Web服務(wù)器軟件為IIS6.0。

（2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)層。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中設(shè)有2個數(shù)據(jù)庫：電能質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，存儲各監(jiān)測點電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)及高層分析結(jié)果數(shù)據(jù)；地理空間數(shù)據(jù)庫，存儲地理信息空間數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)層中包含數(shù)據(jù)文件（PQDIF文件和COMTRADE文件）解析服務(wù)、GIS空間數(shù)據(jù)引擎[17]（ArcSDE）、數(shù)據(jù)管理維護(hù)服務(wù)，分別具有以下功能。

a.PQDIF文件解析服務(wù)。解析電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備傳輸上來的數(shù)據(jù)文件，將電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)存入電能質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。

b.GIS空間數(shù)據(jù)引擎（ArcSDE）。提供地理信息數(shù)據(jù)檢索、編輯和管理功能，是GIS與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）之間的橋梁，支持海量數(shù)據(jù)和所有GIS數(shù)據(jù)（矢量、柵格、測量、元數(shù)據(jù)等）。

c.數(shù)據(jù)管理維護(hù)服務(wù)。對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)管理，如數(shù)據(jù)庫備份、系統(tǒng)運(yùn)行失敗時的數(shù)據(jù)庫恢復(fù)[4]、占用空間監(jiān)視等。

（3）Web 服務(wù)層。

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以網(wǎng)站形式通過互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)（IIS）發(fā)布在Web服務(wù)器上。Web服務(wù)層包括電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)功能服務(wù)、ArcGIS服務(wù)以及電能質(zhì)量數(shù)據(jù)服務(wù)，分別具有以下功能。

a.電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)功能服務(wù)。系統(tǒng)核心模塊，完成系統(tǒng)最主要功能。包含各種電能質(zhì)量高層應(yīng)用算法模塊及報表模塊、用戶管理模塊等。

b.ArcGIS服務(wù)[16-17]。實現(xiàn)GIS功能，如在地圖上查找、編輯和新增要素（變電站或線路），查詢要素信息等。ArcGIS服務(wù)包含Map服務(wù)、Geocode服務(wù)、Geoprocessing服務(wù)和Geodata服務(wù)4種服務(wù)。Map服務(wù)是使用最多的一種ArcGIS服務(wù)，該服務(wù)可以支持發(fā)布二維地圖、建模、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（OGC WMS）和在線編輯空間數(shù)據(jù)等。Geocode服務(wù)是地址編碼服務(wù)，該服務(wù)可以把一個文本描述的地址轉(zhuǎn)化為一個地理坐標(biāo)。Geoprocessing服務(wù)是一個基于Web的地理處理工具，客戶端提交處理請求，服務(wù)器執(zhí)行空間分析和建模，然后把執(zhí)行結(jié)果展現(xiàn)在客戶端。Geodata服務(wù)提供訪問地理空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的功能，支持在線數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)更新等。

c.電能質(zhì)量數(shù)據(jù)服務(wù)。與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器交換電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，響應(yīng)客戶端數(shù)據(jù)請求，向電能質(zhì)量數(shù)據(jù)庫檢索或存儲數(shù)據(jù)。

（4）用戶界面層。

用戶界面層直接與用戶交互，利用HTTP協(xié)議通過客戶端瀏覽器將圖表數(shù)據(jù)展示給用戶，并將用戶的操作信息提交給Web服務(wù)器，是給予用戶最直觀體驗的部分。

3.2 可編輯擴(kuò)展功能實現(xiàn)

系統(tǒng)界面部分采用ASP.NET技術(shù)開發(fā)[18]，地理導(dǎo)航部分在ASP.NET基礎(chǔ)上使用了Web ADF for.NET（Web Application Develop Framework for.NET ）框架，Web ADF for.NET是ArcGIS Server基于.NET專用的開發(fā)框架，具有很強(qiáng)的移植性，能集成在Visual Studio開發(fā)環(huán)境中[13]，從而簡化開發(fā)過程。

Web ADF for.NET是實現(xiàn)電網(wǎng)地理接線信息可編輯和擴(kuò)展功能的關(guān)鍵技術(shù)，具有強(qiáng)大的開發(fā)能力和靈活的編輯能力。它包含一系列的Web控件和應(yīng)用程序編程接口（API），可以用于實現(xiàn)ArcGIS Server Manager Web Application所創(chuàng)建的應(yīng)用。

系統(tǒng)使用的主要ArcGIS Server控件[14]包括以下幾種。

a.MapResourceManager控件。MapResource-Manager地圖資源管理器控件是開發(fā)ArcGIS Server Web ADF應(yīng)用最重要的控件之一，它能同時管理多個資源，并且可以設(shè)置圖層的順序以及圖像輸出透明度。其他控件可以通過同一個地圖資源管理控件去訪問不同的資源。監(jiān)測系統(tǒng)中不同地區(qū)的電網(wǎng)有不同的數(shù)據(jù)資源。

b.Map控件。Map控件是用來顯示一個或多個不同類型數(shù)據(jù)資源的地圖圖形控件。它必須與MapResourceManager控件關(guān)聯(lián)使用。Map控件可以把多個不同類型的地圖服務(wù)融合為一個地圖，并且有異步刷新功能，通過map.Refresh（）函數(shù)實現(xiàn)只刷新內(nèi)容改變部分。

c.MapTips控件。MapTips可以顯示與之相關(guān)聯(lián)的Map控件圖層中鼠標(biāo)光標(biāo)選擇元素的屬性，可以用來顯示選擇監(jiān)測點的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

d.EditorTask控件。EditorTask控件是實現(xiàn)電網(wǎng)地理接線信息在線編輯擴(kuò)展的核心控件。它為ArcGIS Server地圖服務(wù)提供一套基于Web的編輯工具，可以修改、添加、刪除元素以及修改元素屬性。

電網(wǎng)地理接線圖中用點元素表示變電站，線元素表示輸電線路，面元素表示區(qū)域，因此可以通過EditorTask控件實現(xiàn)電網(wǎng)地理接線信息在線編輯擴(kuò)展功能。并且ArcGIS Server已經(jīng)封裝好很多功能，開發(fā)時無需再編寫大量代碼。

當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)變電站或輸電線路數(shù)量較多時，如果通過人工搜尋會比較耗費(fèi)時間。ArcGIS Server提供通過屬性值定位對象功能[17]，即可以通過輸入變電站或線路名稱來定位其在地理接線圖上具體位置。功能實現(xiàn)部分代碼如下：

4 實際應(yīng)用情況

近年來，隨著四川省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)中電能質(zhì)量干擾源用戶的數(shù)量不斷上升，對電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成一定的危害。針對這一情況，研制開發(fā)了一套全省電能質(zhì)量數(shù)據(jù)平臺，對全省各地區(qū)的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。

在系統(tǒng)運(yùn)行界面中，可以通過監(jiān)測點負(fù)荷類型列表選擇在圖上顯示的監(jiān)測點。如果想觀測某變電站內(nèi)各線路的電能質(zhì)量情況，可以在地圖上點擊該變電站，系統(tǒng)運(yùn)行界面中就可以顯示出該變電站各條線路的實時電能質(zhì)量數(shù)據(jù)信息，當(dāng)有指標(biāo)越限時，會有告警提示。監(jiān)測系統(tǒng)的最大特點在于可以根據(jù)電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)情況進(jìn)行相應(yīng)的編輯和擴(kuò)展，如果電網(wǎng)中新建了變電站和輸電線路，或者需要對現(xiàn)有變電站和輸電線路進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測，在安裝了電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備并且網(wǎng)絡(luò)連接通暢的情況下，可以在系統(tǒng)中按照實際情況進(jìn)行繪制，并錄入相應(yīng)變電站和線路信息，系統(tǒng)便會自動收取該變電站和線路的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，由此實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測工作與電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展同步。

5 結(jié)論

在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中引入WebGIS技術(shù)，將電網(wǎng)地理接線信息和電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)有效結(jié)合，不僅豐富了電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示形式，而且做到了電網(wǎng)電能質(zhì)量的全局監(jiān)測。同時，利用ArcGIS Server實現(xiàn)了電網(wǎng)地理接線信息在線編輯擴(kuò)展，使電能質(zhì)量監(jiān)測工作同步于電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展。ArcGIS Server能提供方便的地理信息服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景，本文可為ArcGIS Server在電力行業(yè)其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的參考。