基于Web的變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)程服務(wù)端和Web服務(wù)器兩部分。為了實(shí)時(shí)穩(wěn)定的接受和存儲(chǔ)變電站總站傳輸?shù)腎EC104規(guī)約數(shù)據(jù)，采用JAVA多線程連接池和數(shù)據(jù)庫連接池方法設(shè)計(jì)服務(wù)端，將接收到的數(shù)據(jù)解析之后分組存入數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)將SOE事件通過GPRS設(shè)備手機(jī)短信報(bào)警。在Web端使用JSP動(dòng)態(tài)頁面技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)查詢，接線圖狀況，遠(yuǎn)程控制設(shè)備，以及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。

　　引言

　　傳統(tǒng)的監(jiān)控一般構(gòu)建于桌面應(yīng)用，具有系統(tǒng)跨平臺(tái)，客戶端升級(jí)等缺點(diǎn)，更重要的是需要人員實(shí)時(shí)守在電腦旁，不利于工作人員對(duì)隨時(shí)出現(xiàn)的故障進(jìn)行判斷。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電力行業(yè)不斷發(fā)展，將互聯(lián)網(wǎng)與電力行業(yè)應(yīng)用一體化已成趨勢.而萬維網(wǎng)(Web)具有編程簡單，跨平臺(tái)，客戶端免安裝、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合GPRS設(shè)備，可以給手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，開發(fā)基于B/S架構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)有其廣闊的研究意義[1]。

　　本文結(jié)合IEC104電力行業(yè)規(guī)約，JAVA多線程，數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布，Web動(dòng)態(tài)圖形等分析與研究，從遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)角度出發(fā)，采用TCP連接池，數(shù)據(jù)庫連接池，串口通信，JQuery等技術(shù)，設(shè)計(jì)Web遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。一方面研究Web監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中遇到的問題，另一方面能夠?qū)ζ渌愃菩再|(zhì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究提供一些借鑒和幫助。

　　1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1 IEC104簡介

　　IEC104是國際電工委員會(huì)制定的一個(gè)規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)定義了用于網(wǎng)絡(luò)的開放 TCP/IP接口,網(wǎng)絡(luò)可以包括例如傳輸IEC60870-5-101的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備的局域網(wǎng)。包含不同的廣域網(wǎng)類型的路由器可以通過公共的TCP/IP-局域網(wǎng)連接起來。

　　傳輸接口(用戶對(duì)TCP 接口)是面向數(shù)據(jù)量的接口，它并不定義 IEC60870-5-101的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的任何啟動(dòng)或者停止。為了檢出應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的啟動(dòng)和結(jié)束，定義了啟動(dòng)字符、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的長度規(guī)范、以及應(yīng)用規(guī)約控制信息的控制域?？蓚鬏斠粋€(gè)完整的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元或者為了控制的目的僅僅傳輸應(yīng)用規(guī)約控制信息域。

圖1 遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)定的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元

　　應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元的長度定義了應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元主體的長度，它由應(yīng)用規(guī)約控制信息的四個(gè)控制域八位位組和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元所組成。第一個(gè)被計(jì)數(shù)的八位位組為控制域的第一個(gè)八位位組。最后一個(gè)被計(jì)數(shù)的八位位組為應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的最后一個(gè)八位位組。應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的最大幀長為249，而控制域的長度是4個(gè)八位位組，應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元的最大長度為253 (APDUMAX=255 減掉啟動(dòng)和長度八位位組)[2]。

　　1.2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　Web遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：服務(wù)端，數(shù)據(jù)庫層，web客戶端。

　　服務(wù)端：利用IEC104的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，采用JAVA的TCP連接池編寫通信鏈路層，和變電站主站連接。通過以太網(wǎng)和變電站主站進(jìn)行通信，解析工作主站傳輸?shù)腎EC104規(guī)約報(bào)文,包括I幀，U幀，S幀等。將其遙測，遙信量，SOE事件信息進(jìn)行分類，存入數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)其數(shù)據(jù)量達(dá)到報(bào)警值，或者有SOE事件信息時(shí)。通過與服務(wù)端相連GPRS模塊，利用JAVA串口通信將報(bào)警值和SOE事件信息，發(fā)送短信到指定用戶手機(jī)上，及時(shí)提醒工作人員設(shè)備狀況和信息。系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

圖2 服務(wù)端程序流程圖

　　數(shù)據(jù)庫：設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)104規(guī)約數(shù)據(jù)，將遙測，遙信，開關(guān)事件等信息分組存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫保存所有數(shù)據(jù)信息。

　　Web服務(wù)端：采用JSP動(dòng)態(tài)頁面設(shè)計(jì)，利用JAVA數(shù)據(jù)庫連接池，可高效的連接數(shù)據(jù)庫層，用戶登錄之后能查詢各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù);變電站的SOE事件和開關(guān)事件信息;控制設(shè)備開關(guān)變化;瀏覽變電站主接線圖和配電室主接線圖狀況;并可通過視頻監(jiān)控查看遠(yuǎn)程設(shè)備真實(shí)狀況。

圖3系統(tǒng)總體框圖

　　2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 IEC104的I幀U幀S幀簡介

　　控制域的這些類型被用于完成計(jì)數(shù)的信息傳輸?shù)?I格式)、計(jì)數(shù)的監(jiān)視功能(S格式)和不計(jì)數(shù)的控制功能(U格式)?？刂朴虻牡谝粋€(gè)八位位組的第1位比特=0定義了I格式。I格式應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元常常包含應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元。I格式的控制信息如圖4所示。

　　比特 8 7 6 5 4 3 2 1

　　圖4 信息傳輸格式類型(I格式)控制域

　　控制域的第一個(gè)八位位組的第 1 位比特=1，第 2 位比特=0 定義了 S 格式。S格式應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元由控制信息所組成。S格式的控制信息如圖5所以。

　　比特 8 7 6 5 4 3 2 1

　　圖5 計(jì)數(shù)的監(jiān)視功能類型(S格式)控制域

　　控制域的第一個(gè)八位位組的第1位比特=1，第2為比特=1定義了U格式。U格式應(yīng)用數(shù)據(jù)規(guī)約數(shù)據(jù)單元僅有應(yīng)用規(guī)約控制信息所組成。U格式的控制信息如圖6所示。在同一時(shí)刻僅TESTFR，STOPDT，STARTDT功能之一被激活[2]。

　　比特 8 7 6 5 4 3 2 1

　　圖6 信息傳輸格式類型(U格式)控制域

　　2.2 服務(wù)端連接

　　在服務(wù)端采用JAVA的TCP連接池和數(shù)據(jù)庫連接池技術(shù)，使用EchoServer的server()方法。

　　public void service(){

　　While(!isShutdown){

　　…

　　try{

　　Thread workThread=new (new Handler(socket));

　　…

　　}

　　…

　　}

　　以上工作線程workThread執(zhí)行Handler的run()方法。Handler類實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，它的run()方法負(fù)責(zé)與單個(gè)客戶通信，與客戶通信結(jié)束后，就會(huì)斷開連接，執(zhí)行Handler的 run()方法的工作線程也會(huì)自然終止[3]。

　　使用總召喚命令(0x68,0x04,0x07,0x00,0x00,0x00);召喚變電站總站向服端發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)端解析之后按照遙測，遙信，開關(guān)事件等存入數(shù)據(jù)庫。在后續(xù)開發(fā)的Android和IOS客戶端，只要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的104協(xié)議規(guī)約數(shù)據(jù)，即可與服務(wù)端建立通信。這樣簡化二次開發(fā)難度，并且在與JAVA串口通信的連接中多線程的調(diào)度執(zhí)行效率更高。

　　2.3 數(shù)據(jù)庫連接

　　數(shù)據(jù)庫采用SQL server2005，采用C3P0連接池，它是一個(gè)開源的JDBC連接池，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)源和JNDI綁定，支持JDBC3規(guī)范和JDBC2的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展。與普通JDBC相比，效率更高，穩(wěn)定性更強(qiáng)[4]。設(shè)置C3P0基本配置：

　　ds = new ComboPooledDataSource();

　　ds.setDriverClass(className);

　　ds.setJdbcUrl(url);

　　ds.setUser(user);

　　ds.setPassword(password);

　　//設(shè)置連接池的最大最小初始化連接數(shù)

　　ds.setInitialPoolSize(30);

　　ds.setMaxPoolSize(100);

　　ds.setMinPoolSize(10);

　　創(chuàng)建一個(gè)一個(gè)數(shù)據(jù)庫接口：private Connection newConnection()。以供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用。

　　2.4 網(wǎng)頁端訪問

　　網(wǎng)頁端主要建立與數(shù)據(jù)庫連接，主要查詢變電站遙測，遙信，開關(guān)，SOE事件信息。另外通過建立TCP套接字與服務(wù)端建立連接，Socket socket = new Socket("localhost",8082);實(shí)現(xiàn)變電站遠(yuǎn)程控制事件。

　　變電站主接線圖部分為采用Java Applet的多線程和繪圖功能來實(shí)現(xiàn)，接線圖的主要功能是用來監(jiān)視變電站運(yùn)行狀態(tài)的直觀反映，在本文監(jiān)控設(shè)計(jì)中，需要將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與接線圖緊密結(jié)合，通過線程每次運(yùn)行，查詢數(shù)據(jù)庫中的新數(shù)據(jù)，并更具新數(shù)據(jù)使用repaint(); getImage();和drawImage();等函數(shù)對(duì)圖像重繪制，通過顏色和狀態(tài)的區(qū)別可直觀的查詢到變電站的運(yùn)行狀態(tài)[5]。驗(yàn)證圖如7所示。

圖7 變電站運(yùn)行部分狀態(tài)

　　3.總結(jié)

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展以及云計(jì)算的到來，加快了信息的交流和信息的共享，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)由Web的跨平臺(tái)和隨時(shí)使用的特點(diǎn)替代傳統(tǒng)的桌面軟件風(fēng)格是一種潮流和必然。借助于手機(jī)和電腦瀏覽器，用戶可隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控變電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和控制變電站開關(guān)狀態(tài)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了促進(jìn)作用。并且本文所設(shè)計(jì)的服務(wù)端104鏈路層，可和任意標(biāo)準(zhǔn)104協(xié)議通信，這樣在以后開發(fā)的Android和IOS移動(dòng)客戶端，直接通過TCP發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的104協(xié)議數(shù)據(jù)，可與服務(wù)端建立連接。減少了了后續(xù)開發(fā)難度。但在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，時(shí)延是基于Web監(jiān)控的關(guān)鍵問題，影響這系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的高效性，怎樣減小這種影響成為了日后改進(jìn)和研究的重點(diǎn)之一。

　　基金項(xiàng)目：物聯(lián)網(wǎng)科普系列叢書(cstc2012gg-kplB40006)

　　物聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)體驗(yàn)館科普展品及教具研發(fā)(cstc2012gg-kplB40005)