一种多系统融合的电力移动巡检系统研究与设计

吴文宣 李宏发 修榕康

摘  要： 本文利用移动互联网、云计算和大数据技术，提出一种多系统融合的移动电力巡检系统。该系统通过云服务平台整合多个电力巡检关联系统，实现关联系统之间的实时数据交互，并依据变异系数对多系统融合的稳定性进行控制，以便实现系统资源的分配和调度，从而提供决策分析和预警。基于本框架的系统实现和实际应用测试结果表明，该系统能有效提高电力企业巡检的准确性和效率。

关键词： 电力系统;移动平台;框架设计;巡检系统

【Abstract】： A mobile power inspection system of multi-system merging was proposed  with using mobile internet， cloud computing and big data technology in the paper. The system integrates multiple power inspection associated- systems through the cloud service platform to realize real-time data interaction between the associated systems， and controls the stability of the merged multi-system according to the coefficient of variation， so as to realize system resource allocation and scheduling. Thereby， decision analysis and early warning can be provided. The system implementation and practical application indicates that the system can effectively improve the accuracy and efficiency of inspection of power enterprises.

【Key words】： Power systems; Mobile platform; Framework Design; Inspention system

0  引言

当前电力系统中电力设备数量庞大、种类繁多、位置分散，且不断有新加入的电力设备，致使电力抢修人员很难快速并准确地到达故障设备的位置。如果依靠传统的人工经验辨别故障电力设备，不仅费时检修效率低下，而且很可能因辨别失误导致复电时间延长，影响其他正常工作的电力设备，造成居民用电质量下降。此外，国网电力系统庞大且复杂，停电次数的多少、停電时间的长短可以基本反映出国网电力企业的电力输送管理水平。目前大部分的电力线路复杂、电力设备繁多，容易产生故障点也多，这就需要加强对电力设备的巡检力度来减少各种设备突发故障的可能，从而让设备处于良好的运行状态。

但传统的巡检方式通常是由管理人员制定好巡检的规章制度，巡检工作人员填写纸质的巡检计划以及巡检申请表格，然后将巡检内容填好汇总到Excel表格，从而统计出相关的报表。这样的方式存在以下几个问题：

（1）无法确定巡检人员有没有按照巡检计划以及巡检步骤进行有效的巡检;

（2）无法确定巡检人员是否真的进行了巡检;

（3）巡检过程中需要查阅相关的文档或知识库，很不方便查询;

（4）巡检真的发现问题后，无法及时反馈，无法进行有效的抢修;

（5）由于设备种类很多，设备量大，巡检的计划和表格多样，对巡检的结果不好分类，不好汇总，甚至无法产出有效的报表报告。

因此，一套可靠有效的电力巡检系统可以实时观测设备运行状况，减少综合维护成本，应对突发故障，缓解供电压力，提高综合管理水平。

1  相关研究

随着电力技术发展，与各发展阶段相适应的电力巡检系统逐渐出现。尤其是在云计算、移动互联网等技术大发展的背景下，诸多优势各异的电力巡检系统被设计出来，并大量的在实际电力巡检过程中应用。

文献[1]立足于Mobile GIS和通讯支撑在线路巡检和抢修业务中的应用，设计了基于Moblie GIS的线路巡检系统架构，并根据具体巡检和抢修业务的需求，设计系统应用原理，对关键问题的提出了解决方案。针对当今流行的手持GIS技术，文献[2，6] 分析了移动巡检技术在电力部门的应用情况，结合移动设备（例如PDA）的特点，开发了专门的移动巡检系统。该系统通过在移动设备上转载电力设备和地理背景设备的电子地形图，利用GPS接收器获取卫星信号来定位设备坐标，从而实现业务操作。该系统框架采用模块化的MVC开发模式，利用Observer设计模式设计巡视检查模块，以此满足系统功能要求，具有高内聚低耦合的特点。针对电力设备巡检的现状和任务需求，文献[3，7]将智能手机终端引入到电力设备的监测中，结合二维码扫描识别技术，融合3G移动通信技术和Web Service数据挖掘技术，设计了基于二维码的智能移动巡检新系统，并将该巡检系统成功地应用在国内某水电站。经过现场试验证明，该系统节省了大量成本，提高了电力巡检自动化水平。根据国家电力设备巡检标准，文献[4]通过分析巡检业务流程，采用搭载移动巡检采集软件的移动便携式设备终端，设计了一种基于SOA云计算框架的电力设备巡检平台，进行实时现场数据采集和交互。文献[5，8]结合移动GIS特点和中间件技术，提出了多主体中间件模型，设计了具有多业务层的移动GIS电力巡检体系结构，在一定程度上验证了移动GIS模型的有效性。

当前电力电网系统体量大，依靠功能单一或针对电力系统特定问题而开发的巡检系统很难应对突发事件。目前云计算和大数据技术的飞速发展给社会带来极大便利，“互联网+”的思想也让传统电力电网巡检进入“智能时代”。尤其是移动互联网、人工智能等技术的应用，传统电力电网巡检开始向“智慧电力巡检”。因此，本文根据电力系统的运行现状，依托移动互联网、云计算和大数据技术，整合移动智能终端设备和电力巡检业务流程，提出一种多系统融合的电力移动巡检系统，以此来有效地巡检电力设备，应对突发事故。

2  多系统融合的电力巡检系统架构

本文提出的多系统融合的电力移动巡检系统是使用移动智能终端系统采集现场巡检数据，定位电力设备和巡检人员位置信息，并依托移动互联网将数据实时上传到基于云服务器的巡检平台中心系统进行数据的存储和分析，并通过系统的接口平台将分析结果实时反馈给现场巡检人员。

2.1  系统部署框架

本文提出的电力巡检系统具体包括：移动巡检手机APP、巡检平台APP接口、巡检平台中心服務器、Oracle数据库、巡检平台Web管理台、巡检平台接口中心。为适应业务需求，系统平台划分为数据层、业务处理层、控制层以及外部子系统。本系统基本架构原型采用星型结构，并对系统主干部分进行集群部署，充分利用云计算技术，对接外部各个子系统。具体的系统部署框架见图1。

2.2  技术架构选择

服务端操作系统选择linux内核的操作系统，服务端的程序采用B/S web方式，使用电力系统主流的Java EE开发语言，且可以部署在TOMCAT、WEBLOGIC等常见的Web容器;数据库采用Oracle 11g关系型数据库;移动端app采用的是C/S架构，支持市场占有量最大的Android系统，可以很好的分发给移动巡检工作人员外出巡检使用[9-10]。

Java平台具有很成熟的生态，很好的稳定性，且可以支持多线程并发执行，又有很好的安全性和高效性，以及很好的分层实现理念，能更好的对复杂的业务系统进行开发和二次开发，能发很好的支持B/S和C/S两种体系架构[11]。

2.3  系统模块组成

针对电力巡检需求，本文采用多系统融合的方式，对各子系统之间的衔接和数据流交互以及平台管理进行模块化设计。具体的系统模块设计如图2所示。

（1）移动巡检APP

帮助巡检工作人员获取当前代办任务、历史任务、计划任务，提供巡视线路，分配设备检修、机房巡视、线路检修等任务，上传巡检现场的照片、录音、视频等;通过APN或互联网网络，对采集到的数据进行加密传输;通过GPS定位，上传巡检人员实时所在位置，管理巡检人员，提高工作效率;通过事前事中管理，规范巡检步骤和流程，确保巡检的施工安全。

（2）WEB管理平台

实时查看巡检APP上报的缺陷等，检查巡检人员当前所在位置;汇总多个平台的数据，查看多个来源的数据，实现一个账号多个平台登录;服务端的中心数据库对接各平台的数据，落地到本地数据库，便于移动APP快捷地获取到数据，无需每次获取数据都走TMS、I6000等系统。

（3）接口管理中心

对接SG-TMS、SG-I6000、综合网管系统，以及预备将来可能会对接更多平台的接口;管理每个平台对应接口的开发需求和访问权限，对接口进行统一的管理、查看、汇总、鉴权。

（4）移动巡检APP定位

进行线路管理，新增新线路;由巡检人员直接根据第一次的巡检过程，实时绘制线路到后端，可以无需对接复杂的CAD图纸;管理人员实时审批新线路，形成巡检参考标准。

（5）文件照片视频等统一管理

巡检人员进行现场拍照的资料，统一上传到服务端。由服务端进行统一的保管归档，以便需要的时候更快捷的调用。

（6）知识库管理

建立统一管理的知识库，提供知识点便于巡检人员实时查阅，形成FAQ，提高施工效率。

（7）二维码管理

将相关设备信息录入到WEB平台，由系统生成指定的二维码，便于移动端APP扫描二维码，获取到相关设备信息，自动填入APP，减少人工输入的错误。

（8）电子标签

二维码存在事先拍照的可能性，但电子标签，必须亲自到现场去近距离接触，才可以获取到相关信息，这样可以更有效的进行巡检管理。

2.4  系统框架分析

2.4.1  关键技术

本文电力移动巡检系统是基于云计算和大数据等技术对多个巡检业务系统的整合，涉及到多项关键技术。

（1）云计算

云计算具有大规模、虚拟化、通用性、高可靠性和可扩展性等特点。基于云计算的特点，本文的移动巡检系统协同移动终端系统、web服务系统、接口管理系统，把移动终端采集的数据存储到web服务数据端进行统一管理，对巡检任务进行细化，调度各系统接口向巡检人员分配任务并提供支持，做到了数据资源随时获取、随时使用、随时扩展。

（2）多系统多作业模式

本文移动巡检系统基于云计算技术采用多系统融合多作业模式，以Web平台服务端为主，接入移动端系统、SG-TMS、SG-I6000和关联系统，利用接口管理系统实现数据流跨平台的协同处理和数据同步。与传统的电力巡检系统相比，本文系统将各个独立的系统平台接入到云服务器上，对采集的数据进行统一的管理和调度，使得各子系统的作业互不影响，从而实现子系统多作业模式，解决了多种技术组件的业务问题。

（3）平台开发技术

本文移动巡检系统使用企业级的中间件 weblogic11g做集群处理，使用企业级J2EE体系开发架构，可实现不依赖于任何特定操作系统，在异构环境中进行跨平台部署，优化负载平衡策略，实现可高度伸缩地服务器集成部署，具有稳定的可用性，能支持长期使用，提供简洁直观的系统页面、简单方便的操控方式，方便用户使用。

（4）多接口设计模式

本文移动巡检系统涉及到的数据流主要有：移动设备端与Web平台端之间的数据流，Web平台端与TMS、I6000、综合网管系统之间的数据流。各子系统之间的数据流需要进行无缝切换和传输，为此提出并实现多接口设计模式。在数据层对各子系统之间的数据接口统一管理，设计，将子系统的数据转成格式一致的数据流形式，方便各系统之间频繁地进行数据交互。

2.4.2  系统稳定性控制方法

由于本文提出的移动巡检系统是采用多系统融合的框架，就需要考虑各子系统之间的稳定性对整个平台性能的影响。因此，本文的移动巡检系统考虑每个子系统的稳定性对整体系统性能的影响，从而对整个系统的稳定性进行控制，以便优化系统平台，方便系统进行数据资源的调度。

根据电力网络的特点，移动巡检系统从系统的吞吐量、事件处理量、内存利用率三个方属性入手，做整体和局部的系统性能分析，进而控制系统的稳定性[12-13]。

本系统通过日志文件记录上述参数，并分析系统在一段时间内，以及在整个运行时间内的性能。從统计学角度来看，变异系数增大时，判断为系统出现不稳定的概率增大。

当系统不稳定的概率增大时，需要对每个子系统的性能进行分析。子系统的性能评估依据上述三个属性按照公式（3）分别计算变异系数：，，（其中i表示第i个子系统）。然后比较每个属性，取最大值变异系数时，就能判断出某个子系统的某个属性出现异常，从进行资源调度，控制系统的稳定性。

3  原型设计与实验

3.1  系统整体测试

通过模拟和现场调试，本文提出的多系统融合的电力移动巡检系统运行状态良好，在巡视管理、巡检管理、缺陷管理、抢修管理、工单（巡检、缺陷单）管理等标准化作业方面均已满足企业要求，具备了可靠有效的巡检能力。具体测试结果如下：

（1）管理能力：系统无故障时间超过7*24，支持同时在线用户数量超过500个，支持同时巡检操作的用户数量超过50个，并且每秒处理用户数据量至少100条，数据保存时间至少在6个月以上。

（2）响应能力：在测试环境下，平台首页访问平均响应时间≤3 s;系统登录平均响应时间，执行简单查询、添加和删除业务时，平均响应时间≤5 s;执行复杂的综合业务时，平均响应时间也在8 s内;在执行统计业务时，月统计业务的平均响应时间≤ 20 s，年统计业务的平均响应时间≤30 s。当移动终端APP进行多用户并发操作时，APP安全启动时间≤5 s;扫描二维码或识别电子标签信息的平均响应时间≤3 s;执行简单查询、添加和删除业务时，平均响应时间≤5 s。

（3）安全性：经过网络压力测试，系统未出现异常和崩溃，用户密码和授权信息未被破解;系统存储了系统访问日志和操作日志;

（4）负载能力：经测试，支持移动终端测试应用设备超过了30台，其中移动终端设备支持识别电子标签功能，电子标签数量约为30个。

3.2  稳定性测试

通过对本系统运行情况的日志数据进行分析，得到某段时间内的吞吐量、处理事件量和内存利用率。以1天24小时为例，设定参数是均为1，可以得出24小时内的系统运行情况，如图3所示。

观察变异系数在24小时的变化情况，分析情况如下：

在[0-10h]这个时间段内。整体系统的变异系数平均水平小于0.5，表明保持在一个比较稳定的状态。通过观察子系统的三个分量，可看出事件处理量对整体系统的稳定性有较大的影响。针对这个分量，容易导致系统不稳定，通过控制各子系统的吞吐量均衡系统平台的负载，进行合理的资源调度，使得系统继续维持稳定。

[10-20h]是巡检业务操作最为频繁的时间段，系统需要对各子系统进行事件响应、数据存储和分析以对接各子系统的数据流，使得整体系统的变异系数维持在较高的水平。在处于这种状态下，系统很容易出现崩溃的现象。由图3可以看出整体系统的变异系数偏高，这就需要对各个子系统进控制。通过对三个属性的分析和观察，系统的吞吐量在这段时间内出现波峰状态。因此对系统而言，降低内存利用率和减缓单位时间内处理事件量，才能使系统不会一直保持在峰值状态下运行，从而达到稳定系统的目的。

在[20-24h]这段时间内，整体系统的变异系数逐渐减小。由于巡检业务减少，系统处理事件量减少，而系统大部分资源处理空闲状态。为了使系统充分利用空闲时间和资源处理巡检内部业务，通过控制系统提高吞吐量和内存利用率，使整个系统维稳，从而实现系统了对资源的调度。

通过对上述实验分析，由系统实时监控吞吐量、事件处理量、内存利用率以及变异系数的变化，可以使得基于云计算的多系统融合的电力移动巡检系统保持稳定，并实现对系统资源的充分调度。

5  结论

本文设计并实现了基于云计算的多系统融合的电力移动巡检系统，实现了多个系统的数据流在云计算平台上无缝的切换和交换，实现平台自动对接和巡检工作的无纸化，对电力设备和巡检人员的实时定位，减少了巡检人员业务操作流程，提供了提供电子标签触碰等新一代的交互方式，实现了对系统平台稳定性的实时控制和系统资源的调度。通过本项目的研制和实施，既实现了在巡检现场采集故障数据和运行参数的功能以及对线路、设备信息查询的功能，也使得管理人员可以随时对巡检数据进行管理、分析和检索，提高了业务处理能力，整体改善了电力系统的运行效率。

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