趙 淵, 李 哲, 林艷青, 裴俊藝, 付一達(dá)

(1.貴州省電網(wǎng)有限責(zé)任公司 貴安供電局, 貴州 貴陽(yáng) 550000;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,貴州電網(wǎng)公司對(duì)計(jì)量自動(dòng)化終端和SIM卡的智能管理勢(shì)在必行[1-3],但是其受制于計(jì)量自動(dòng)化終端覆蓋率及位置信息、SIM卡位置信息。計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)定位無(wú)法實(shí)現(xiàn),僅能人為輸入“行政區(qū)碼”和“終端地址”來(lái)對(duì)每個(gè)用電信息管理裝置進(jìn)行標(biāo)記。伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,如何利用目前便捷的、廉價(jià)的通信設(shè)施和定位服務(wù),更好地服務(wù)于計(jì)量自動(dòng)化終端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4],成為電力工作人員要解決的問(wèn)題。

目前在低壓電力系統(tǒng)中,對(duì)終端的智能管理可以采用物聯(lián)網(wǎng)智能管理和人工錄入兩種方式[5-6]。目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速,但由于變電站終端數(shù)量大;若采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS),其定位成本高,且GPS信號(hào)在終端密度大、建筑物密集的場(chǎng)所實(shí)用性差;若采用基站定位技術(shù),則定位精度不足,定位的參考價(jià)值小。因此,現(xiàn)階段宜采用基于以上兩種定位技術(shù)的自動(dòng)化終端與人工定位終端結(jié)合的方法對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行管理,成本相對(duì)小,而可靠性高。在計(jì)量自動(dòng)化終端上采用混合定位方式為未來(lái)電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的智能監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由控制主站、云端服務(wù)器和定位終端組成。在控制主站安全接入?yún)^(qū)架設(shè)接口服務(wù),通過(guò)隔離裝置與計(jì)量自動(dòng)化主站Ⅲ區(qū)進(jìn)行通信;現(xiàn)場(chǎng)的Android手持終端用于錄入終端地址、行政區(qū)劃、終端位置信息、信號(hào)強(qiáng)度,通過(guò)4G無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)上傳到安全接入?yún)^(qū)接口服務(wù)器;再經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員在計(jì)量自動(dòng)化主站確認(rèn)后與主站檔案進(jìn)行關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)通信方式有信息實(shí)時(shí)傳輸以及信息的可靠性、安全性?xún)?yōu)先級(jí)和開(kāi)放性等要求。此外,終端設(shè)備的位置信息具有保密性,電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信一般在專(zhuān)網(wǎng)中進(jìn)行[7];但是采用專(zhuān)網(wǎng)基站對(duì)設(shè)備進(jìn)行定位具有很大局限性?；谝陨峡紤],定位終端使用雙卡4G設(shè)計(jì),在保留專(zhuān)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)上使用基于透明傳輸技術(shù)的公網(wǎng)通信。使用這種組合既保證了重要信息的安全可靠,又擁有了通信速率高、穩(wěn)定可靠和易于拓展等優(yōu)點(diǎn),為未來(lái)進(jìn)行基于人工智能的大規(guī)模管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

終端使用GPS定位和基站定位結(jié)合的定位方法。在定位過(guò)程中,專(zhuān)網(wǎng)SIM卡周期性地自動(dòng)獲取附近基站的位置區(qū)碼(LAC)、基站號(hào)(CID)等信息,公網(wǎng)SIM卡將基站信息發(fā)送給云端服務(wù)器;云端服務(wù)器計(jì)算出基站的坐標(biāo),再通過(guò)4G信號(hào)發(fā)送回定位終端。為了實(shí)現(xiàn)終端的小型化和移動(dòng)化,定位終端運(yùn)行基于Android的軟件程序,將現(xiàn)場(chǎng)信息整合后通過(guò)4G通信發(fā)送給控制主站。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

定位終端使用基于ARM Cortex-A9架構(gòu)的三星S5P4418處理器,采用28 nm 制作工藝,主頻為1.4 GHz。內(nèi)存為1 GB DDR3,搭配8 GB的eMMC存儲(chǔ)器。運(yùn)行Android 4.0.3操作系統(tǒng),外部連接觸摸液晶顯示器、公網(wǎng)4G模塊、專(zhuān)網(wǎng)4G模塊、GPS模塊和電源模塊等[8]。其中公網(wǎng)4G模塊支持LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDMA、GSM 5種通信制式,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)SIM卡有較好的兼容性。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)部分:終端獲取GPS通信信息或附近基站信息;分析坐標(biāo),并顯示終端地址、行政區(qū)劃、直接采集到的終端位置信息、信號(hào)強(qiáng)度等終端信息;終端將信息通過(guò)4G專(zhuān)網(wǎng)上傳至控制總站。

根據(jù)終端定位信息整合關(guān)聯(lián)終端、SIM卡、用戶(hù)/臺(tái)區(qū)、變壓器檔案,可以使計(jì)量設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)脈絡(luò)更加清晰。將收集到的終端信息自動(dòng)上傳到控制主站,實(shí)現(xiàn)終端/SIM卡在線狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)商信號(hào)強(qiáng)度熱力圖顯示;與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)貫通,計(jì)量裝置巡檢、快速停復(fù)電系統(tǒng)搶修可獲取終端坐標(biāo)信息,幫助運(yùn)維人員及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作,從而提高了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用電信息管理裝置的管理水平。

3.1 定位方法

目前移動(dòng)設(shè)備主要使用兩種定位系統(tǒng):全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和移動(dòng)位置基站系統(tǒng)(LBS)。GPS定位具有定位精確的優(yōu)點(diǎn),目前民用定位精度平均達(dá)到10 m級(jí),但是GPS定位受天氣和地理位置的影響較大;基站定位方便快捷,不受天氣和附近建筑物遮擋的影響,但缺點(diǎn)是定位精度很差,而且大規(guī)模使用會(huì)產(chǎn)生較高的運(yùn)營(yíng)商費(fèi)用。除了這兩種常見(jiàn)的定位技術(shù),還有一種新型的A-GPS技術(shù),結(jié)合了基站信息和GPS信息對(duì)設(shè)備定位,獲取GPS信號(hào)快、定位精度更高,但是仍受限于GPS技術(shù)的缺點(diǎn)[9]。

基于以上分析,采用了GPS定位和基站定位的方案,其中GPS定位具有更高的優(yōu)先級(jí):終端優(yōu)先使用GPS定位方式,在該模式下設(shè)備將收到全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)發(fā)送的消息。如果GPS模塊收不到或無(wú)法解析GNSS消息,則使用基站定位方式。

GPS定位方式下,由GPS模塊獲取至少4個(gè)衛(wèi)星的GNSS消息。收到消息后,從中解析出衛(wèi)星的坐標(biāo),再利用坐標(biāo)以及請(qǐng)求和接收消息的時(shí)間差計(jì)算終端的位置。GPS定位的原理圖如圖3所示。

假設(shè)終端的時(shí)鐘和衛(wèi)星時(shí)鐘同步,就能得到終端和衛(wèi)星之間距離的關(guān)系式:

(1)

式中:R——終端和衛(wèi)星之間的距離;

(x1,y1,z1)——衛(wèi)星1的空間坐標(biāo);

(x,y,z)——終端的空間坐標(biāo)。

其中衛(wèi)星1的空間坐標(biāo)為已知量,其他為未知量?？紤]到終端和衛(wèi)星的時(shí)鐘一般存在差距,設(shè)其為Δt,因此這個(gè)關(guān)系式左右會(huì)相差一定值,稱(chēng)其為偽距。得到的方程如式(2)所示:

(2)

式中:c——電磁波的傳輸速度。

現(xiàn)在方程有4個(gè)未知量,根據(jù)4個(gè)衛(wèi)星的位置即可聯(lián)立方程求解終端的空間坐標(biāo)?；径ㄎ环绞絻?yōu)先使用專(zhuān)網(wǎng)基站,專(zhuān)網(wǎng)SIM卡連接附近的基站,獲取基站的LAC、CID信息以及到達(dá)時(shí)間(TOA),再使用公網(wǎng)SIM卡將這些信息發(fā)送到云端服務(wù)器;云端服務(wù)器計(jì)算出經(jīng)緯度信息后將其發(fā)送回終端。定位流程圖如圖4所示。

3.2 終端軟件設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的工作要求,終端設(shè)備要具有可移動(dòng)性,終端應(yīng)用要具有良好的圖形操作界面,所以采用Android操作系統(tǒng)。Android是基于Linux的開(kāi)源操作系統(tǒng)[10],被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備。軟件開(kāi)發(fā)使用的IDE為Android Studio。采用Java運(yùn)行環(huán)境,并且與Android SDK和Android NDK建立連接[11]。

設(shè)計(jì)基于Android的軟件實(shí)現(xiàn):用戶(hù)登錄;自動(dòng)或手動(dòng)獲取實(shí)時(shí)信息;將信息顯示出來(lái)并提供修改;將信息自動(dòng)或手動(dòng)上傳至控制主站。

用戶(hù)的角色分為3種,分別是檢查人員、運(yùn)維人員和管理人員。檢查人員可以查看到終端設(shè)備的信息,了解終端的運(yùn)行狀況;運(yùn)維人員是現(xiàn)場(chǎng)工作人員,在具有檢查人員權(quán)限的基礎(chǔ)上,還可以對(duì)終端信息進(jìn)行編輯或者修正,再將編輯后的信息保存并上傳;管理人員具有全部的權(quán)限,包括可以對(duì)其他用戶(hù)授權(quán)或者刪除非管理人員的權(quán)限。用戶(hù)操作流程如圖5所示。

該軟件可以通過(guò)識(shí)別登錄者并為其分配不同的角色,不同的角色擁有部分或者全部權(quán)限。通過(guò)配置用戶(hù)的角色使得工作人員可以完成自己的工作而不會(huì)接觸到不需要的功能,避免了濫用權(quán)限的情況,實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作人員的智能化管理。登錄界面如圖6所示。管理員界面如圖7所示。

管理員可以實(shí)時(shí)查看附近自動(dòng)化設(shè)備的狀態(tài),包括節(jié)點(diǎn)電壓、經(jīng)緯度、地址等。管理員可以查詢(xún)?cè)O(shè)備信息并對(duì)其進(jìn)行人工修改,確保控制主站獲得信息的準(zhǔn)確性。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行異常時(shí),Android系統(tǒng)通知欄會(huì)收到推送來(lái)的警告信息,提醒工作人員對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行查看,并進(jìn)行后續(xù)的故障處理。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的所有信息都會(huì)儲(chǔ)存到云端服務(wù)器中,可以隨時(shí)查看設(shè)備信息的歷史紀(jì)錄,實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備實(shí)時(shí)可控的智能化管理。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)基于Android的軟件,結(jié)合GPS定位和基站定位方法,對(duì)變電站自動(dòng)化終端進(jìn)行智能化管理,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取終端信息,提升了電網(wǎng)的信息管理能力。該系統(tǒng)使用GPS定位可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行高精度定位,為電網(wǎng)智能化提供了一種具有高可靠性的方案,為后續(xù)終端定位技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的可行性提供依據(jù)和實(shí)施途徑。