基于Web服务的电能质量监测系统的研究

引言
    随着经济发展和社会进步，电能质量已成为一项重要的研究课题。随着非线性负荷不断增加，导致各种电能量质量问题不断增多。此外，暂态电能质量问题也明显突出，如电压跌落、骤升、短时断电等现象经常发生，给用户带来极大损失。只有及时有效地监测电能质量，才能为改善电能质量、协调供用电双方和规范供用电市场提供真实依据，以便采取有效地解决措施。
    传统的监测分析手段，存在诸多不足且已不能满足当前系统需要，此外由于监测系统建设时间、选择厂家、开发语言、布署平台等不相同，因此通讯协议和对外交换的数据格式可能存在巨大差异；各子系统数据冗余，数据流通效率低，形成“信息孤岛”。因此就有必要建立网络化监测系统。由于Web服务具有语言独立、跨平台、跨地域、信息传输快捷和良好的封装性等特点，可有效消除“信息孤岛”现象。将Web服务与电能质量监测相结合，设计了一种基于Web服务的电能质量监测系统，对电能质量的指标进行分析，上传监测结果到Web服务器，用户可通过浏览器查看监测结果，及时发现电能质量问题，实现电能质量信息的共享。

2 监测系统
    检测系统分为数据层、服务器层和用户层，如图1所示。数据层中，电能质量监测仪(Power Qualily Monitor，简称PQM)获取监测数据和电能质量的信息，通信服务器把这些信息传到服务器层中的Web服务入口和数据库入口，一些实时数据和监测结果通过Web服务发布到UDDI注册中心，用户用JSP的方式调用此服务。在用户层中，用户通过浏览器获取所需的实时数据及监测电能质量指标信息，并通过调用服务器查看数据库的历史记录。

3 系统功能
3．1 数据层
    数据层主要包括数据采集和数据传输。
    安装在监测点的PQM是数据采集的硬件基础。PQM性能、精度和可靠性对整个系统具有重要作用。由于该系统设计是在线实时电能质量监测系统，因此选用远程在线电能质量监测仪。
    在线监测仪器适用于公共供电点电能质量的连续监测和多点监测组成区域电能质量监测网，按照电能质量国家标准，利用电能质量在线监测设备在线监测电力系统电网，连续收集、记录和存储电力系统电网的频率偏差、电压偏差、电压波动以及闪变、谐波、三相不平衡等稳态信息，电压跌落、电压骤升和电压中断等暂态信息，具有和上一层通信相同的功能。
    通信服务器完成数据传输。首先，系统通过监测仪采样获得所需的监测数据，以数据文件形式存储于监测仪，然后按照给定规约(如IEC101规约)把带有时间标签的采样数据通过Socket方式实时上传到数据库入口。由于每个周期都需采样，且必须满足奈奎斯特定理，所以这些数据量十分庞大，要求带宽高。
    此外，现场监测仪监测得到如实时电压、频率、电流、功率等参数，以及电压偏差、频率偏差、电压凹陷等电能质量指标数据，将这些数据按照自定义的规约打包，遵循TCP／IP协议，通过Socket方式实时上传到Web服务入口和数据库入口。根据国家标准，电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波监测等电能质量指标数据一个基本记录周期为3s，所以通信程序每隔3s上传一次这些指标。底层监测仪采样被监测电压电流等的有效值，并作为预处理值存储。电压、电流等数据以lmin作为一个统计单元，将其预处理值的平均值代表被监测系统及时的实际运行电压，所以这些数据每1min上传一次。因此，不同监测结果其上传时间间隔也不同。为了节省带宽，只传输超标时的电能质量指标数据即可，这样减少了传输的数据量。
3．2 服务器层
    服务器层包括数据库服务器、Web应用服务器和Web服务器。
    数据库服务器是电能质量监测系统的核心部分，用于存储每天定时采集各监测点的数据，以及存储管理电能质量在线监测系统中各个站点监测仪上传的监测数据、数据库统计分析程序处理后的数据，系统配置信息，并为系统中的Web服务器、本地显示等模块提供数据检索支持。
    由于电能质量监测仪不仅上传实时的电压、电流等数据，而且还上传电压偏差等电能质量指标数据，这些数据除了实时显示，还必须要存入数据库，以备统计分析。对于波形数据，在没有超标的情况下，形成3s统计数据后波形数据可以删除。当数据超过限值时，保留超标时前3s的波形数据，供故障分析使用。由于数据库分为实时数据库和历史数据库，前者用于保存最近从现场监测仪上传的原始数据信息以及必要的相关计算数据；后者又分为原始数据和计算所得数据。当测量时间达到1min后，实时数据库形成的分钟数据传送至历史数据库。在分钟数据的基础上形成的小时数据、月数据等都存储于历史数据库。
    Web应用服务器是整个系统的核心，采用Weblogic8．1作为Web应用服务器，开发工具选用Jbuilder9作为开发平台。由于Socket发送的电能质量数据按规约打包，所以接收端要对这些数据解包，提取电能质量的有用信息，如三相电压，电压偏差量，站点信息以及指标的测量时间等。把该解包功能封装成Web服务，为部门调用提供标准接口。将已经封装好的Web服务布署到Web应用服务器BEA Weblogic8．1上，并在BEA的UDDI注册中心注册。UDDI注册中心不仅提供了发布Web服务的页面，而且还提供了一个UDDI ClientAPI包，实现对UDDI注册中心的动态发布和查询。用户通过浏览器利用JSP方式，调用Web服务，获取所需的实时数据和电能质量指标。
    为了用户更方便实现数据的远程实时查看，该电能质量监测系统采用Web技术，建立Web服务器。Web服务器负责处理客户机HTTP请求、下载电能质量功能组件参数、加载数据等任务，提供远程页面浏览服务。用户可在任意地点、任意时间浏览网页，访问Web服务器发布的基于Web形式的实时数据查询、数据分析、报表展示、曲线展示．查看指定日期的电能质量，随时下载Word、Excel和文本等报表统计资料。
3．3 用户层
    使用MVC模式制作监测系统的用户界面，通过JSP语言调用已发布的服务，在浏览器中呈现给用户，用户即可查看。按照规定的间隔实时刷新页面，这样就达到数据查看的实时性。该监测系统由在线实时数据、PQ事件实时监测、历史数据查询、统计数据和电能质量报表输出组成。
    (1)在线实时数据用户查看实时电压、电流、频率和功率，实时掌握监测系统中的数据。
    (2)PQ事件实时监测 显示电能质量指标的实时状况。用户查看电压偏差、电网谐波、电压波动和闪变、三相允许不平衡度、频率偏差和暂时过电压和瞬时过电压等电能质量指标的实时数据。
    (3)历史数据查询 用户查看数据库中存储的历史数据、历史PQ事件，并能重新分析历史数据，查看分析结果。
    (4)统计数据 显示统计的电压、频率、功率变化曲线，以及电能质量事件的统计结果。
    (5)电能质量报表输出 用户查看并下载电能质量的年报表、月报表和日报表。

4 系统实现的关键技术
4．1 电能质量数据传输
    由于处理远程终端采集的实时数据，所以涉及电能质量数据的收发。该系统在TCE／IP协议的基础上利用Socket传输，服务器端负责数据存储、维护、管理以及打包、传递。用Java语句建立服务器端的Socket：

    而建立客户端Socket时需要指定欲连接服务器端的主机名称(或IP地址)及通信端口；

    当服务器端检测到客户端的连接请求时，则接收此请求并建立客户端Socket，该Socket将作为客户端连接及后续处理发送接收数据的依据，将打包数据发送到客户端，客户端接收服务器端返回的执行结果或错误信息，解包数据，并以特定格式显示，从而完成服务器端与客户端的Socket通信。
4．2 Web服务的制作
    在客户端解包发送来的数据，提取有用的电能质量信息数据，将这些数据的拆包功能封装成Web服务，为部门的调用提供标准的接口。采用Weblogic8．1，以电压偏差为例，制作好Web服务。把这些制作好的服务到UDDI注册中心注册。调度、维护等部门用户通过JSP方式，调用Web服务，获取所需的实时电能质量信息。
4．3 Web服务的调用
    采用JSP调用制作好的服务，用户就可方便地查看实时数据。JSP调用Web服务的主要语句：

    由于电能质量指标每隔3s上传一次，所以该语句设置的刷新间隔也为3s。调用成功的Web服务如图2所示。

5 结语
    将Web服务与电能质量监测相结合，设计了一种电能质量监测系统，利用Web服务构建与开发语言、平台无关的电能质量实时监测系统，充分利用现有资源，节省开支并及时发现电能质量问题，从而实现电能质量远程、实时、直观地监测和分析。由于Web服务技术使用基于XML的SOAP协议表示数据和调用请求，用HTTP传递XML格式数据，不会遭防火墙关闭，保证通信畅通，因此在实际应用中将Web服务和电能质量监测相结合能及时发现电能质量问题，从而实现信息共享，满足网络化电能质量监测需求。