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配電網運行實時監控系統的設計與開發

時間:2020-04-29 來源:電子科技大學 本文字數: 8147字
作者:班詩淇 單位:電子科技大學

  摘 要

  
  近年來,人們的生活水平得到了提高,人們對用電安全要求越來越高,然而傳統的管理模式下,都是“事后”處理,不能對配電網的運行狀態進行實時的檢測。
  
  隨著科學技術的不斷發展,尤其是在信息化建設的推動下,物聯網的出現使得人們與配電網的設備之間的溝通交互不再是問題。為此,采用信息化的手段,可以對配電網的實時運行狀態進行采集,管理人員可以遠程對配電設備進行控制,通過對線路的負荷變化情況,判斷是否存在竊電行為,一旦發現了異常情況,系統可以采用多種方式進行報警,使得管理人員能夠在第一時間進行處理,盡可能的避免安全事件發生,可以對配電網的整體運行情況進行實時把控,將安全事故防患未然。
 


配電網運行實時監控系統的設計與開發
 

  
  首先,從不同的用戶角度出發對整個的業務處理過程進行功能需求調研,得出系統的功能需求有:電路圖設計管理、負荷與控制管理、防竊電檢測管理、線損管理以及系統管理。系統要 24 小時為用戶的用電安全提供保障服務,系統要將所有的配電網設備接入到系統中來,而每個用電公司所負責的區域不同,根據調查可知,每個區域負責檢測的設備大約有 3W 個,當進行集抄處理的時候,需要同時對小區內的所有的用電設備進行集抄,大型的小區有好幾千用戶,通過分析可知系統要能夠支持 1000 個并發終端的訪問,服務器資源占有率不能超過 40%。
  
  其次,以配電網管理中心的實際運行環境為基礎,從不同的角度對配電網運行狀態檢測管理系統進行了具體的設計。采用分層架構的設計思想,在功能模塊設計方面,采用的是模塊化的設計思想,每一個模塊都是一個獨立的業務,業務內部的邏輯處理是不對外公開的,通過接口的形式與外部進行交互,提高了系統的內聚性。從概念模型、邏輯模型以及物理模型角度對系統的數據庫設計進行了詳細的說明。然后,選用簡單易懂的 Java 語言、SSH 架構、MySQL 數據庫管理系統對系統功能進行編程實現。論文給出了三層架構的實現描述,并對核心的功能模塊的功能,操作界面的布局設計進行了說明。采用黑盒測試方法從功能和性能的角度對系統進行了全面的測試,確保系統在滿足用戶需求的情況下能夠持續穩定的運行。
  
  通過配電網運行狀態檢測管理系統的部署應用,能夠實現對配電網的實時檢測,能夠及時的發現問題。不僅如此,可以通過日常的運行數據信息對配電網進行分析,盡早的發現潛在的問題,對配電網進行優化處理,將“事后處理”轉變為“事前預防”,從根本上來確保用電用戶的用電安全。
  
  關鍵詞:配電網檢測;防竊電檢測;負荷與控制管理;線損管理。
  

  ABSTRACT

  
  In recent years, people's living standards have been improved, and people's safety requirements for electricity use are getting higher and higher. However, under the traditional management mode, they are all “after the fact” and cannot detect the running status of the distribution network in real time. With the continuous development of science and technology, especially driven by informatization construction, the emergence of the Internet of Things has made communication between people and equipment of the distribution network not a problem. To this end, using the means of informationization, the real-time operating state of the distribution network can be collected, and the management personnel can remotely control the power distribution equipment, and determine whether there is a power stealing behavior by changing the load of the line. In case of abnormal situation, the system can use various methods to make alarms, so that the management personnel can handle the first time, avoiding the occurrence of safety events as much as possible, and can control the overall operation of the distribution network in real time, and prevent the safety accidents from happening.
  
  Firstly, from the perspective of different users, the functional requirements of the whole business process are investigated. The functional requirements of the system are:circuit diagram design management, load and control management, anti-stealing detection management, line loss management and system management. The system must provide 24 hours for the user's electricity security to provide security services. The system must connect all the distribution network equipment to the system, and each power company is responsible for different areas. According to the survey, each area is responsible for There are about 3W devices to be detected. When collecting and processing, it is necessary to collect all the power devices in the cell at the same time.There are thousands of users in large cells. The analysis shows that the system can support 1000 concurrent devices. For terminal access, the server resource occupancy rate cannot exceed 40%. Secondly, based on the actual operating environment of the distribution network management center, the design of the distribution network operation status management system is designed from different angles. Adopting the design idea of layered architecture, in the design of functional modules, modular design is adopted. Each module is an independent business. The internal logic processing of the business is not open to the public, through the form and externality of the interface.In ter a ctions improve the cohesion of the system. The database design of the system is described in detail from the perspectives of conceptual model, logical model and physical model. Then, use the simple and easy to understand Java language, SSH framework, MySQL database management system to program the system functions. The paper gives an implementation description of the three-layer architecture, and explains the function of the core functional modules and the layout design of the operation interface. The black box test method is used to comprehensively test the system from the perspective of function and performance to ensure that the system can continue to operate stably while meeting the user's needs.
  
  Thr ough the deployment and application of the distribution network operation state detection management system, real-time detection of the distribution network can be realized, and problems can be found in time. Not only that, but the daily distribution data can be used to analyze the distribution network, identify potential problems as early as possible, optimize the distribution network, and transform “post-treatment” into “pre-existing prevention” to ensure the use of electricity fundamentally. The user's electricity safety.
  
  Keywords:   Distribution Network Detection; Anti-stealing Detection; Load and Control Management; Line Loss Management。
  

  第一章 緒論

  
  配電網運行狀態檢測管理系統主要就是為了解決目前在配電網的管理過程中所存在的一些問題而提出的一種解決方案,該系統應用背景比較明確,通過對背景的分析,可以明確系統所需要滿足的業務操作需求。通過對國內外類似系統的研究現狀進行分析,可以了解一下類似系統所采取的相關技術,學習其優點,進而圍繞論文的主要研究內容而展開。
  
  1.1 研究背景及意義。
  
  在人民生活水平不斷提升、科技不斷發展的今天,各式各樣的電子電力設備已經完全融入了人們的生活中,這就導致整個社會的用電需求越來越大,配電網系統也越來越復雜,其負荷也越來越大,且隨時面臨故障發生的可能,嚴重影響配電網系統的可靠性、安全性和電能質量[1]。而電力用戶對電能質量和供電可靠性的要求卻越來越高,配電網的安全穩定運行對保證電力供應具有重要意義。然而多數配電網結構復雜、分支線路多,加之過去對配電網的重視度不夠,架結構比較薄弱,自動化水平低,因配電網故障造成的停電事故不斷發生,且恢復供電時間較長,造成較大經濟損失。而傳統的配電網運行狀態檢測主要以人工定期實地對電網電路以及設備進行檢修為主,浪費大量的人力物力資源,且人工檢修容易造成疏忽,導致故障的頻繁發生[2]。因此,研究一種適合特定地區電網配電系統結構特點的、經濟、可靠的自動故障定位技術,開發一個對配電網運行狀態進行自動化實時監測的軟件系統,對于發現和確定故障點,縮短恢復供電時間,維持系統的穩定運行和減小用戶及電力網的損失將起到著至關重要的作用。
  
  配電網運行狀態檢測管理作為現代電網必然的發展方向,它能夠憑借自身堅強的結構體系和技術支撐力量,高效地處理突發故障與一些外部威脅,同時自主地恢復到正常狀態,避免重大事故的發生[3]。配電網運行狀態檢測管理的安全穩定運行對整個電力系統都具有重大意義,因此有必要對配電網運行狀態檢測管理進行深入的討論。
  
  然而通過調查可知,目前大部分的供電公司還是采用傳統的人工管理的模式,這種模式主要存在以下的問題:
  
 。1)人工抄表,效率低下,容易出錯在傳統的管理模式下,每個月末的時候電工師傅挨家挨戶進行人工抄表,這種抄表方式不僅效率低下,而且容易出錯,配電網設備的運行狀態是否正常只能靠電工師傅的經驗來判斷,準確性不高[4]。
  
 。2)“事后”處理機制人工管理模式下,很多的狀態信息不能實時采集,只能在事件發生之后在進行處理,給用電用戶帶來了一定的損失,甚至可能產生一些安全事件的發生。這在安全用電要求較高的當今時代,是不允許的[5]。
  
 。3)很難實現實時檢測很多的信息都是通過人工進行采集,比如用電信息的集抄處理等,這是在配電網設備運行一段時間后,將設備中記錄的相關的數據進行采集,得到的數據是之前的一些信息,而不能對配電網設備的實時狀態進行有效的監控。如果配電網設備出現異常的時候,是通過一些直觀的現象而表現的,當表現出來的時候,就代表事情已經發生,對其進行處理也只是“事后”處理,只是盡可能的將發生之后的損失降到最低。然而這些情況,都是可以采用現代的信息技術可以進行實時監測和遠程控制的,可以將損失大大的降低[6]。
  
 。4)業務數據不能長期保持,不利于業務的統計分析在傳統的管理模式下,一些業務數據信息都是通過人工記錄的方式,隨著電腦的普及應用,很多的業務數據信息都通過 Excel 表格進行記錄和存儲,然而不同的部門管理的方式不同,形成了“信息孤島”,部門之間信息不互通,存在重復記錄情況。不僅如此,采用人工記錄或 Excel 表格進行信息記錄,不利于信息的統計分析,查詢不方便。
  
  在信息化時代,配電公司都基本上實現了信息化建設,一些辦公自動化系統被推廣和應用。隨著物聯網技術的不斷發展,人與智能設備之間的互通交流不在是問題,通過物聯網技術,可以對配電網設備的實時運行狀態和產生的業務數據信息進行采集,通過網絡技術將采集到的信息傳輸到服務器,通過應用系統界面的形式進行顯示,可以實現配電網運行狀態的實時檢測,并根據實際情況的需要對配電網設備進行遠程控制和干預,確保用電用戶的安全,維護用電用戶的合法權益。
  
  本 文 在 《 配 電 網 故 障 及 運 行 狀 態 監 測 技 術 研 究 》 ( 項 目 編 號 :
  
  1042012920141095)的支持下[7],根據實際需求,采用 Java 語言、SSH 架構、MySQL數據庫管理系統以及 UML 建模語言設計并實現一個配電網運行狀態實時監測軟件系統,該系統的研發不僅對于配電公司而言具有非常很重要的意義,對于我國電力行業的發展而言,也具有非常重要的應用價值。
  
  1.2、 國內外研究現狀。
  
  國外自 20 世紀 70 年代起就開始研究和應用了配電網自動化技術,近四十年來的發展過程主要經歷了以下三個階段。
  
  第一階段主要使用了饋線自動化(FeederAutomation,FA)技術。日本的 CEPCO公司、韓國的 KEPCO 電力公司、美國的 Cooper 公司在饋線自動化技術方面最具有代表性[8]。
  
  第二階段主要使用配電自動化(Distribution Automation,DA)技術,由于計算機技術和通信技術等的快速發展,配電自動化技術應運而生,它是一種集計算機技術、數據傳輸、控制技術、現代化設備及管理于一體的系統,通過綜合運用以上技術和資源,可以提高供電可靠性,改進電能質量,并且監測配電網的運行狀況,還能實時遠程遙控改變配電網的運行,當監測到故障發生時,遠程通知電網管理員,管理員負責遙控操作隔離故障區域或恢復供電,配電網自動化技術的提出,向用戶提供優質服務,降低運行費用,減輕運行人員的勞動強度[9]。
  
  第三階段使用了智能配電自動化系統技術。隨著信息時代的不斷發展,各種新型家電、電子設備不斷誕生、革新,而城市現代化也越來越普及,城市對用電的需求也就越來越大,故配電網的分布也就越來越復雜,當電路故障發生時,快速準確地對故障進行監測定位和及時恢復故障區域用電,逐漸成為這一階段的重要研究課題。而智能配電自動化系統技術,就是為了實現這一目標,將實時監測、反饋、控制管理相結合的技術,智能配電自動化系統技術,是以配電自動化技術為基礎,結合先進的測量傳感技術、計算機技術、控制技術、信息通信技術,并且利用其他一些智能化的電氣設備和可視化軟件系統,實現對整個配電網的優化、控制、檢測和保護,并且在配電網的運行狀態異常時,可以提供自愈控制,最終達到對配電網全方位掌控的目的,提高了電力系統的穩定性,節約了大量人力物力資源,為居民提供優良的供電服務[10]。
  
  我國的配電網也已經實現了信息化的智能化管理,但是在具體的實施部署的過程中,因為每個配電網公司所采取的管理方式和工作模式都是不一樣的,所以至今并沒有形成統一的配電網運行狀態檢測系統。市場需求是非常大的,很多的軟件開發公司都致力于這方面的研究,他們也推出了一系列的電力管理系統,但是這些系統只是實現了一些業務數據的記錄和存儲,并沒有實現配電網設備的實時采集和檢測管理[11]。不僅如此,這些系統大部分都是采用 C/S 模式而設計的,維護比較困難,升級和更新比較麻煩,對訪問地點和時間的要求也比較高。
  
  隨著互聯網以及物聯網技術的不斷發展,一些基于物聯網的電力管理系統被推出,實現了用電設備的遠程抄表管理,實現了一些配電網設備的狀態采集和實時檢測[12]。這些系統大部分采用 C#語言、ASP.NET 技術、Java 語言、JavaEE 開發平臺、JSP 技術以及數據庫管理系統來完成,然而通過調查和分析可知,由于這些系統大部分是由軟件開發公司推出,他們在進行系統設計和開發的時候因為對行業了解不是特別的全面,所以這些系統也只是實現了基本的業務處理,并沒有提供一些個性化的需求功能。
  
  為此,一些大型的電力公司擁有了自己的研發團隊之后,開始致力于這方面的研究,形成了符合自身業務需求的配電網管理系統。目前,國內大部分配電網還不能實現監測系統對電網線路進行全面的監控[13]。對配電網的實時在線監測技術還處于發展初期,對配電網的控制優化、綜合管理、故障監測等技術都在積極研究開發中,一些新型的配電網管理監測技術也在部分地區嘗試使用,部分發達地區的配電網自動化管理也已經有了較高水平,但還有巨大的進步空間[14]。
  
  因此在現有軟件開發的技術基礎之上,提出配電網運行狀態檢測系統的研究,旨在通過該系統的研究,能夠實現對配電網設備數據的實時采集和檢測,在必要的時候能夠對配電網設備進行遠程控制和干預,確保用電用戶的安全。
  

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  1.3 主要研究內容
  1.4 論文結構安排

  第二章 配電網運行狀態檢測管理系統的關鍵技術

  2.1 Java 語言
  2.2 UML 建模語言
  2.3 MySQL 數據庫
  2.4 JDBC
  2.5 WEB 服務器配置
  2.5.1 JDK 的安裝和配置
  2.5.2 Tomcat 的安裝和配置
  2.4 本章小結

  第三章 配電網運行狀態檢測管理系統需求分析

  3.1 系統概述
  3.2 功能需求概述
  3.2.1 電路圖設計管理需求分析
  3.2.2 負荷與控制管理需求分析
  3.2.3 防竊電檢測管理需求分析
  3.2.4 線損管理需求分析
  3.2.5 系統管理需求分析
  3.3 非功能需求分析
  3.3.1 性能需求
  3.3.2 可靠性需求
  3.3.3 界面友好性需求
  3.3.4 系統集成需求
  3.3.5 可擴展性需求
  3.4 本章小結

  第四章 配電網運行狀態檢測管理系統總體設計

  4.1 整體架構設計
  4.2 軟件架構設計
  4.3 網絡架構設計
  4.4 功能架構設計
  4.5 數據庫設計
  4.5.1 概念模型設計
  4.5.2 邏輯結構設計 
  4.6 本章小結

  第五章 配電網運行狀態檢測管理系統詳細設計

  5.1 電路圖設計管理詳細設計
  5.2 負荷與控制管理詳細設計
  5.3 防竊電檢測管理詳細設計
  5.4 線損管理詳細設計
  5.5 系統管理詳細設計
  5.6 本章小結 

  第六章 配電網運行狀態檢測管理系統實現與測試

  6.1 實現環境
  6.2 功能實現
  6.2.1 電路圖設計管理功能實現 
  6.2.2 負荷與控制管理功能實現 
  6.2.3 防竊電檢測管理功能實現 
  6.2.4 線損管理功能實現 
  6.2.5 系統管理功能實現 
  6.3 系統測試
  6.3.1 測試流程 
  6.3.2 功能測試 
  6.3.3 性能測試 
  6.4 本章小結

  第七章 總結

  近年來我國對用電安全的要求越來越高,相關的部門也制定了一系列的相關政策來確保用電用戶的安全。在電力行業中配電網的運行狀態檢測是非常重要的,可以通過對運行狀態進行的檢測可以發現一些潛在的安全隱患,因此將“事后處理”轉變為“事前預防”,可以很好的預防一些安全用電事故的發生。然而在傳統的管理模式下,對于配電網的運行狀態檢測是非常困難的,也可以說是基本上做不到的。

  在信息化時代,可以通過一些智能終端設備對相關的信息進行采集,并實時的傳輸到應用系統中,通過應用系統顯示實時的運行狀態,這樣可以為管理人員提供有效的支撐。所以配電網運行狀態監測管理系統研究也就提上了日程,成為了目前電力行業所需要解決的主要的問題。

  本文主要就是圍繞配電網運行狀態監測管理系統的研究方案而展開具體的研究的,主要完成的工作包括以下幾個方面。

  首先,從整體上對配電網運行狀態監測管理系統的整體需求進行了概述說明。明確了訪問系統的用戶類別,將用戶按照軟件工程的思想進行了角色話費,并采用用例圖的形式對每一類用戶的業務需求以及功能需求進行了調研和分析總結,得出了系統的功能需求,主要包括電路圖設計管理、負荷與控制管理、防竊電檢測管理、線損管理以及系統管理等。供電公司要確保用電用戶的合法權益以及用電安全,系統要 7×24 小時的持續穩定運行,平均響應時間要控制在五秒以內,資源占有率不能超過 60%。

  其次,對配電網運行狀態檢測管理系統展開詳細的設計,首先采用分層設計的思想,將整個系統進行了層次的花費設計,形成了系統的整體架構。采用 sill框架對系統的軟件架構進行闡述說明。在對系統的網絡架構進行設計的過程中,采用防火墻、磁盤陣列以及容災處理等措施來確保系統的網絡安全。采用模塊化的思想將整個系統劃分為不同的業務模塊,并設計了不同業務模塊之間的交互接口。采用亞圖的形式對數據庫的概念模型和邏輯模型進行了闡述說明。

  然后,針對配電網運行狀態監測管理系統的核心功能模塊展開詳細的設計說明,主要采用類圖,時序圖以及功能模塊圖的形式來對每一個業務模塊所包括的功能以及核心功能打操作流程進行了闡述說明。

  最后采用 Java 語言對配電網運行狀態監測管理系統的具體功能進行編程,展示了配電網運行狀態監測管理系統的運行效果,并對運行效果進行了分析說明,采用黑黑盒測試方法對系統的性能和功能展開詳細的設計,通過測試結果可知系統不僅滿足了業務操作的需要,而且能夠持續穩定的運行。

  通過該系統的部署應用之后,可以發現該系統的研究具有非常重要的意義,能夠實現對配電網運行狀態的實時采集了,難過以不同的形式展現運行狀態的參數情況,能夠為管理人員提供安全防護管理依據,能夠對人工所不可能采集到的相關信息進行采集。該系統不僅能夠確保用電用戶的安全,而且能夠維護用電用戶的合法權益,通過對配電網進行日常的維護,管理員能夠延長配電網的使用壽命。

  參考文獻

  原文出處:班詩淇. 配電網運行狀態檢測管理軟件設計與實現[D].電子科技大學,2019.
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