智慧电网管理系统的设计与实现

2022-02-27 03:27刘锂

电子设计工程 2022年4期

刘锂

（成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000）

各行业的发展都离不开电力的支持，电网的建设和高效管理已成为国家建设发展的主要任务之一，智能电网的建成被认为是实现可持续发展的重要条件[1]。及时响应用户需求、更加稳定安全地供电、实现新能源安全并网，是建设智能电网的主要目的[2]。

新技术的发展日新月异，比如人工智能、区块链等技术越来越受关注，区块链的共识算法[3]、加密算法和智能合约[4]有望应用于电网的高效运行管理；现在我国已进入5G 时代，5G 具有超高速、超大连接、超低时延三大特性。这些新技术的应用必将推动和影响能源互联网的建设，使得电网的智慧调度功能[5]有更加广阔的创新发展空间。

该系统的设计与实现是以ArcGIS 作为地图数据处理平台，最终以Web形式发布，使用Visual Studio 2012 作为开发平台，借助ArcGIS API for JavaScript工具包，使用CSS、HTML、JavaScript 进行前台设计，使用C#语言进行后台设计，系统的后台数据管理还使用了SQL Server 2012 数据库。系统定位于空间数据库和属性数据库之上，根据现实世界里的电网和物联网[6-7]的特点、性质和功能，将电网传感器等实体绑定到空间位置，以此提供了一种更为高效的智慧电网管理方式。

1 系统概述

该智慧电网管理系统提供了所在区域的电网运行信息、停电信息、使用情况、故障信息以及电网运行压力状态信息。通过对实体电网地理信息的查询，在地图上标注出实体电网的地理位置，并可以对该电网信息进行浏览。在每个实体电网的区域都有相对应的名称和地址，可根据站点名称和地址实现快速定位。实现电网管理的网络化，既能及时解决故障，同时也能避免监察盲区。缩短了发现、解决问题的时间，降低了风险损失。电力供应是制造、医疗、建筑、运输等系统的重要组成部分，因此任何电力中断都可能对住宅或商业生态系统的整体运行产生不良影响。

能源互联网是未来电力系统的新概念，其在不同系统的能源输送和能源资源之间可高层互连[8]。智能电网系统将基于互联网的多种数据传输方式应用于能源管理、分配、定价和需求服务。该电网系统基本功能包含普通用户登录、用户注册、地图浏览、查询用户信息、二三维联动可视化查询，系统架构如图1所示。该系统以GIS技术和数据库技术为基础[9]，突出个性化。查询操作简单快捷，响应迅速。各项功能都依靠成熟的技术来实现，无任何条件限制，无潜伏的安全隐患。

图1 系统架构图

系统可行性分析：

1）从经济效益方面来说，智慧电网管理系统拥有两套体系：一是管理员能够进行电网管理并对各种信息进行查询；二是用户能够在电网系统上查询自身用电情况，提前了解一些断电信息。可使用户提前做好防备措施，减少不必要的损失，在经济上是可行的。

2）从硬件要求方面来说，该系统对硬件性能的要求不高，但为了更加快速准确地发现信息，需要数量较多的传感器。

3）从技术应用方面来说，该系统所使用的GIS技术、网络技术和传感器技术现在均已经相当成熟。

2 地理数据处理

在地球表面存在着诸多地物要素，这些要素与地球上的某一个点都有着直接或者间接的关联，这就是地理数据，也就是通常所说的要素文件。这些要素文件是实现一个智慧电网系统所不可或缺的。随着社会的快速发展，城市规模逐步扩大，电网路线不断增多，环境也越来越错综复杂，因此要设计一个智慧电网系统，就必须事先构建电网路线图。要根据地理信息数据进行地点查询，就需要在收集地理要素信息和地点信息的前提下进行地理要素处理[10]。

2.1 地理数据来源

地理数据是指存储在地图中的空间数据，该系统中采用了较为主流的ArcGIS 地理数据。获得地理数据的方法很多，当前主要是通过网络栅格数据访问地理位置，以此获取坐标数据。该系统设计所需的地理要素数据是简化模拟某城市的地理数据[11]。将影像图导入ArcGIS Desktopde 3 个用户桌面组件中的ArcGIS 进行数据矢量化，建立地理数据库、要素数据集和要素类。

2.2 地理数据库的选择

地理数据库（Geodatabase）是按照层次型的数据对象来组织地理数据[12]。文件地理数据库(File Geodatabase)和个人地理数据库（Personal Geodatabase）都属于地理数据库，这两种数据库存在一定的区别。个人地理数据库与文件地理数据库在文件的数据大小方面有所不同，前者文件大小受到限制，后者文件大小不受限制。个人地理数据库是在Microsoft Access 数据库文件中存储和管理ArcGIS 地理数据的，而且是原始数据格式，仅适用于Windows 操作系统。文件地理数据库将各种GIS 数据集中存放到一个文件夹中，其中的每个数据都是一个单独的文件。由于文件地理数据库不受2G 文件大小的限制。考虑到以后数据库会不断地扩大，所以文件地理数据库是最合适的选择。

2.3 要素数据集建立存在的必要性

要素数据集是将多个要素放到同一个空间参考系统下组成一个集合，也就是说这些要素共享同一个坐标系。当出现以下情况时，必须考虑多个要素组成一个参考数据集。

1）当不同的要素属于同一范畴。

2）多个要素都要参与到网络分析之中充当信息点和连接边时，必须放到同一要素数据集中。

3）具有公共特征的几何要素类，同时在空间位置上有一定的关系。移动其中一个要素，其他要素会受到影响时，为保持关系不变，应当将这些要素放在同一要素数据集中。

4）电网分析是该次系统设计的功能之一，对于涉及到网络分析的点要素或者线要素必须放到同一要素数据集。

3 信息数据库设计

数据库是用来存储系统所需的信息以及系统操作产生的一些记录信息的数据仓库。数据的准确性和安全性是系统设计中要解决的关键性问题，对系统管理和维护有着至关重要的作用。系统数据库的结构设计不仅关系到系统的性能，还会影响系统的质量以及生命周期。数据库设计中应达到的最基本要求就是能够更高效准确地维护更新数据，一个结构合理规范的数据库对所支持系统的更新和改进有很大的帮助。

数据库结构设计中还需要考虑使数据库有更好的可读性和可操作性，与系统更兼容。该系统需要对信息表进行添加、查询、修改、删除等操作。通过对系统功能需求和设计以及数据库所支持存储信息的格式等综合因素的分析，制作了一份详细、准确的数据字典，为后面的数据库设计打下了坚实的基础。

该系统需要根据地理要素矢量化[13-14]对字段进行赋值，建立的数据库信息表要与地理数据相对应，并要求对系统进行管理和监测。因此该系统构建了下列信息表：

1）用户信息表。包括自增ID、用户登录名、用户登录密码、用户类型、用户账号状态。

2）建筑物信息表。包括自增ID、建筑物名称、建筑物编号、建筑物面积。

3）电网信息表。包括自增ID、电网编号、电网名称、电网类型、电网等级。

4）调度管理信息表。包括自增ID、用户名、流量阈值、电网状态。

4 系统设计与实现

智慧电网系统本着实用性、可靠性、标准化、安全性、高效性、可维护性六大原则，将系统主要分为后台数据管理模块和客户端应用模块。

系统采用数据层、服务层、业务层、表现层4 层架构模式。数据层按数据的类型分为非空间数据和空间数据，服务层按服务的功能分为Web 服务和GIS 服务[15]，业务层根据系统各个需求分为不同的业务流程，从而实现用户需求的功能，最终系统所展现的就是表现层，表现层是使用者与软件进行交互的窗口。

4.1 系统设计原则

实用性原则：系统界面美观，操作便捷，用户主要通过PC 端作为入口，提出需求信息，服务响应快捷，符合市场需求，在实际应用领域达到专业性要求。

可靠性原则：系统在执行功能和操作分析方面，能长久实现并且有效，数据库的安全性和完整性在任何时候都能够得到保障。

标准化原则：系统采用的地理数据、地图坐标和分析方法都符合国家有关部门的标准和规定。

安全性原则：系统对用户信息、电网信息、维护记录、日志文件等都要严格的保密，确保数据的安全以及系统安全、正常地运行；用户登录密码有严格的加密措施处理。

高效性原则：界面设计简洁明了，操作简便。系统有快速的服务响应，减少了分析处理的时间，以达到良好的用户体验。

可维护性原则：系统预留扩展模块[16]，以待后续新功能和系统升级更新。

4.2 客户端设计

客户端是系统呈现给用户的操作界面，客户端界面的设计直接关系到用户的体验是否优良。客户端设计要求界面上要简洁、大方，操作上要方便、快速，尽可能用最简单、最直接、最容易理解、最形象的方式展示在用户面前。设计中需要揣摩用户的使用心理，了解用户的使用习惯，在实现系统功能的基础上简化操作步骤。融入向导性操作，减少新用户熟悉系统的时间。将系统客户端的主界面划分为电网服务区域和信息查询区域。