引言

隨著現(xiàn)代信息和通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及人們節(jié)能意識的進(jìn)一步加強(qiáng)，智能電網(wǎng)下的能源與信息交互變得愈加緊迫，凸顯了在新的技術(shù)背景下實(shí)現(xiàn)智能用電的重要性。智能用電是智能電網(wǎng)終端應(yīng)用的最終體現(xiàn)，也是構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要支柱和主要環(huán)節(jié)之一。實(shí)現(xiàn)智能用電一方面有利于電網(wǎng)企業(yè)走向營銷現(xiàn)代化以及供電配電的科學(xué)化，另一方面也有利于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與客戶之間能量流、信息流、業(yè)務(wù)流的實(shí)時(shí)互動，構(gòu)建新型的供用電關(guān)系。

本文立足智能電網(wǎng)中智能互動終端的應(yīng)用，以現(xiàn)有量測體系及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種智能用電服務(wù)系統(tǒng)。智能用電服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)模式，以智能電表為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)供電及客戶用電信息的收集與處理，通過瀏覽器終端提供人機(jī)交互界面，為用戶提供實(shí)時(shí)信息交互及基礎(chǔ)業(yè)務(wù)服務(wù)平臺。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能用電服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及軟件與硬件兩個(gè)層面的應(yīng)用，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)的主體部分由基于硬件的用電數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，提供數(shù)據(jù)存儲處理和業(yè)務(wù)信息服務(wù)的服務(wù)器媒介以及面向應(yīng)用的客戶終端三個(gè)部分構(gòu)成。

作為智能用電服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中最基本也是最重要的部分，系統(tǒng)采用智能電表實(shí)現(xiàn)對用戶用電信息的實(shí)時(shí)測量和收集，搭建底層的自動化用電測量網(wǎng)絡(luò)。智能電表是一種具有自動測量功能和實(shí)時(shí)處理機(jī)制的電能測量儀表，它具有編程可控和通信功能，能夠與外部通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心進(jìn)行信息交流。為實(shí)現(xiàn)對用電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲和處理，采用JAVA語言進(jìn)行RS-485和網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)了專門用于智能電表通信交互的系統(tǒng)后臺軟件。利用該軟件可建立上位機(jī)與智能電表間的直接通信，實(shí)現(xiàn)對智能電表的訪問和控制。后臺軟件將智能電表的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲和處理，完成對冗余數(shù)據(jù)的過濾和優(yōu)化，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫機(jī)制，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的后續(xù)應(yīng)用提供了保障。這樣，為所有入網(wǎng)的用戶配備相應(yīng)的智能電表及相關(guān)的基礎(chǔ)硬件，利用電表與上位機(jī)間的通信軟件可以實(shí)現(xiàn)對用戶用電數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程集抄和智能應(yīng)用。

智能用電服務(wù)系統(tǒng)的上層應(yīng)用著眼于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理和靈活的用戶互動，本文從現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)出發(fā)，采用目前流行的LAMP開源服務(wù)器平臺組合作為開發(fā)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了B/S模式下系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)［%系統(tǒng)的服務(wù)器媒介為系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)響應(yīng)和用戶業(yè)務(wù)處理提供了重要的物理基礎(chǔ)，同時(shí)采用Web瀏覽器作為系統(tǒng)用戶終端，確保了系統(tǒng)訪問的便捷性。

2系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)

智能電表是實(shí)現(xiàn)智能用電服務(wù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的底層硬件保障，設(shè)計(jì)合理的智能電表對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的采集至關(guān)重要。圖2所示是一種針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求以及現(xiàn)行配電用電規(guī)模，采用可編程且具有雙向通信功能的智能電表示意圖。該智能電表整合了實(shí)時(shí)電量的測量存儲，數(shù)據(jù)信息的交流處理以及可控微系統(tǒng)等功能。

計(jì)量單元與顯示模塊是智能電表的基礎(chǔ)模塊，該模塊集成了基本的測量元件和具有高速數(shù)據(jù)處理能力的電能測量芯片。計(jì)量單元模塊的工作具有實(shí)時(shí)性，它可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔(在本文應(yīng)用中設(shè)定為1min)對用戶電量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和測量，在這個(gè)過程中測量元件為電能信息采集提供了通道，而電能芯片則為實(shí)現(xiàn)相關(guān)用電數(shù)據(jù)的計(jì)算處理提供了基礎(chǔ)。采集獲得的電能信息經(jīng)過一系列的A/D轉(zhuǎn)換，在電能芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算和數(shù)值校準(zhǔn)，由此獲得電能量、功率參數(shù)及電壓值。

數(shù)據(jù)存儲和事件記錄模塊是智能電表的內(nèi)部存儲功能所在，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，該模塊由兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲區(qū)構(gòu)成。數(shù)據(jù)存儲功能實(shí)現(xiàn)對一定時(shí)間電能計(jì)量信息的存儲，電表內(nèi)部以電能采集頻率為參考，對電量信息進(jìn)行存儲，可以連續(xù)存儲2個(gè)月內(nèi)用戶的所有計(jì)量信息，而在電表斷電以后該數(shù)據(jù)信息可以實(shí)現(xiàn)2天的斷電保存。事件記錄功能用于對電表的維護(hù)歷史及異常信息進(jìn)行存儲，智能電表的事件記錄以電網(wǎng)系統(tǒng)下發(fā)的事件代碼為標(biāo)準(zhǔn)，對電表最近1個(gè)月內(nèi)的開蓋、計(jì)量清零、操作人員編碼及操作時(shí)間、用電異常等事件進(jìn)行記錄。

異常報(bào)警模塊是智能電表的內(nèi)部安全機(jī)制，該模塊可以實(shí)時(shí)地根據(jù)用戶電能信息在無人為干預(yù)的情況下對電表進(jìn)行安全防護(hù)，包括過載保護(hù)、斷電、超壓及欠壓報(bào)警。

可控微系統(tǒng)由微處理芯片和多組繼電控制開關(guān)構(gòu)成，微處理芯片接收編程輸入，可以與外部系統(tǒng)如電表付費(fèi)平臺、電力部門控制總站等建立聯(lián)系，以脈沖輸出或電平開關(guān)信號控制內(nèi)置開關(guān)，對電表進(jìn)行停電、送電等操作，實(shí)現(xiàn)電表的遠(yuǎn)程控制。

外部通信模塊和編程接入模塊是智能電表實(shí)現(xiàn)智能控制的接口模塊。智能電表內(nèi)置局域網(wǎng)通信卡，集成RS-485轉(zhuǎn)換接口，通過外部編程可以實(shí)現(xiàn)與電表間的雙向通信，與電表內(nèi)部的各個(gè)模塊建立聯(lián)系，對其進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定和控制。

3系統(tǒng)軟件

3.1系統(tǒng)體系架構(gòu)

智能用電服務(wù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的核心部分。系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)需要滿足對電表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的處理和控制，同時(shí)為用戶提供便捷的服務(wù)入口。為了保證系統(tǒng)的兼容性和拓展性，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本與難度，本文采用B/S模式作為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思路。B/S模式是對傳統(tǒng)的采用兩層結(jié)構(gòu)的客戶端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)模式的一種改進(jìn)。在B/S模式下，將系統(tǒng)主要邏輯集中在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn),

而客戶端只包含極少部分的事務(wù)邏輯，由此形成一種瘦客戶端的結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的C/S模式采用特定的客戶端軟件將大量的邏輯操連同顯示邏輯放置在客戶端帶來的缺點(diǎn)，在減輕客戶端負(fù)荷的同時(shí)，使得客戶端的運(yùn)行環(huán)境不再具有過強(qiáng)的約束性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的跨平臺性；同時(shí)，采用B/S模式使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)不再像C/S模式下具有分布特性，數(shù)據(jù)被集中在后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，使得數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和同步變得更加容易。

采用B/S模式開發(fā)的智能用電服務(wù)系統(tǒng)具有三層軟件結(jié)構(gòu)，其總體架構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)由表示層、功能層和數(shù)據(jù)層三個(gè)獨(dú)立而相互協(xié)調(diào)的軟件層構(gòu)成。

表示層作為B/S模式三層結(jié)構(gòu)的第一層，由位于客戶端的Web瀏覽器構(gòu)成。表示層主要包含系統(tǒng)的顯示邏輯，在工作過程中，用戶通過Web瀏覽器向網(wǎng)絡(luò)中特定的Web服務(wù)器發(fā)出請求，Web服務(wù)器在對用戶信息進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)行相關(guān)的邏輯操作以后向客戶端傳輸相應(yīng)的響應(yīng)頁面，位于客戶端的主機(jī)接收來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，將它顯示在瀏覽器終端。功能層作為B/S模式三層結(jié)構(gòu)中的第二層又被稱為中間層，通常由集成了系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯處理功能的Web服務(wù)器構(gòu)成。在智能用電服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，功能層的主要工作是接收用電客戶的請求，為用戶提供業(yè)務(wù)接口，根據(jù)用戶的具體請求內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的邏輯操作。其主要的業(yè)務(wù)模型主要包括對用電信息的處理，電費(fèi)電價(jià)查詢，用電異常事件預(yù)警以及在線信息交互等。功能層根據(jù)需求與位于數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫建立連接，發(fā)起數(shù)據(jù)處理請求。數(shù)據(jù)層是B/S模式三層結(jié)構(gòu)中的最后一層，主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成。在數(shù)據(jù)層中充當(dāng)主要角色的是能夠直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接，提供功能層數(shù)據(jù)訪問接口的數(shù)據(jù)邏輯操作模塊。數(shù)據(jù)層接收來自功能層的數(shù)據(jù)處理請求，通過數(shù)據(jù)庫操作語言直接操縱數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)請求處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和封裝，為系統(tǒng)客戶端提供響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)的來源，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)都建立在對數(shù)據(jù)庫的訪問之上。在智能用電服務(wù)系統(tǒng)中，智能電表采集的用電信息在后臺軟件的作用下寫進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，作為用戶用電信息的存儲所在，再由數(shù)據(jù)庫為客戶端提供應(yīng)用數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)據(jù)庫實(shí)際上既是底層用電數(shù)據(jù)采集的終端，同時(shí)也是系統(tǒng)上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)載體。

在智能用電服務(wù)系統(tǒng)中，為了有效存儲復(fù)雜巨量的用電信息，為用戶提供準(zhǔn)確的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，依照關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型，采用MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型建立五個(gè)實(shí)體作為數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，分別為用戶信息表(Userinfo)、電表信息表(Meterinfo)、業(yè)務(wù)信息表(Serviceinfo)、供電信息表(Powersupplyinfo)以及社區(qū)信息表(Cmomunitylnfo)。系統(tǒng)每個(gè)數(shù)據(jù)表具有多個(gè)數(shù)據(jù)字段(如電表信息表由電表編號、實(shí)時(shí)電量、日用電量、月用電量、剩余電量以及實(shí)時(shí)時(shí)間6個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)組成)，并通過電表編號(MeteriD)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，為每一個(gè)用戶提供唯一的標(biāo)識，保證數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的關(guān)聯(lián)屬性。

為了便于管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中建立了數(shù)據(jù)庫的權(quán)限管理機(jī)制。通過系統(tǒng)管理員的授權(quán)，不同權(quán)限的操作人員可以對數(shù)據(jù)信息，主要是電表信息進(jìn)行管理,對歷史測量信息進(jìn)行備份存儲，以節(jié)約數(shù)據(jù)存儲資源；同時(shí)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余檢查，優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的性能。

3.3頁面實(shí)時(shí)交互機(jī)制

B/S模式下智能用電服務(wù)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)有賴于對電表數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)處理，因此在系統(tǒng)工作過程中保證系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)機(jī)制以及穩(wěn)定友好的用戶界面是系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，多處采用了AJAX技術(shù)，其響應(yīng)機(jī)制如圖4所示。使用AJAX技術(shù)，系統(tǒng)在對用戶請求操作進(jìn)行響應(yīng)的過程中建立起異步請求對象XMLHttpRequest，避免了客戶端和服務(wù)器間的直接交互,將用戶請求的數(shù)據(jù)信息交由AJAX引擎完成，實(shí)現(xiàn)從服務(wù)器中提取確定的數(shù)據(jù)信息，使用戶操作和服務(wù)器響應(yīng)異步化,減少了冗余數(shù)據(jù)的重載，縮短了用戶的等待時(shí)間。

圖4AJAX響應(yīng)機(jī)制

在智能用電服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)Web頁面采用HTML語言和PHP結(jié)合CSS文件混合編寫，將AJAX技術(shù)

應(yīng)用于對用戶電量信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示，以及用戶在線業(yè)務(wù)請求的過程當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)頁面的無刷新數(shù)據(jù)更新，給用戶帶來了良好的終端體驗(yàn)。

3.4系統(tǒng)功能模塊及其流程

智能用電服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程及功能模塊如圖5所示，用戶通過web瀏覽器訪問系統(tǒng)首頁，經(jīng)過系統(tǒng)用戶驗(yàn)證以后，合法用戶可以訪問系統(tǒng)所有功能界面。本文中智能用電服務(wù)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要由用戶信息模塊、用電信息模塊、信息服務(wù)模塊、增值業(yè)務(wù)模塊以及管理模塊五個(gè)子模塊構(gòu)成。

用戶信息模塊是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口模塊，主要提供了用戶電表信息以及用戶注冊資料。用戶模塊的設(shè)計(jì)為系統(tǒng)的訪問機(jī)制提供了保障，所有用戶的操作都必須建立在對系統(tǒng)的合法訪問基礎(chǔ)之上。為有效防止非授權(quán)用戶使用系統(tǒng)資源，采用PHP中的session機(jī)制建立系統(tǒng)的安全機(jī)制叫

在用戶進(jìn)行系統(tǒng)登陸時(shí)，系統(tǒng)將對用戶的用戶名和用戶密碼進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)檢驗(yàn)用戶的權(quán)限類型；只有登陸成功的用戶，才能獲得系統(tǒng)為其建立的session變量。這樣用戶在訪問系統(tǒng)頁面時(shí),系統(tǒng)可以根據(jù)用戶session變量檢驗(yàn)用戶是否擁有訪問該頁面的權(quán)限。

用電信息模塊是智能用電服務(wù)系統(tǒng)的主要功能模塊，可以為用戶提供實(shí)時(shí)電量、日用電量、月用電量、用電費(fèi)用，以及用電異常事件的查詢和報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析等功能。

信息服務(wù)模塊是用戶與電網(wǎng)部門的交流平臺，提供實(shí)時(shí)電價(jià)查詢、在線咨詢、用電異常反饋與報(bào)修、電網(wǎng)信息發(fā)布以及社區(qū)用電評價(jià)等功能。通過實(shí)時(shí)電價(jià)查詢，用戶可以及時(shí)地了解當(dāng)前用電價(jià)格，減少由于電費(fèi)價(jià)格不明帶來的收費(fèi)紛爭;在線咨詢可以為用戶提供實(shí)時(shí)的疑難解答，用戶可以反饋?zhàn)约旱挠秒娗闆r，也可以為電網(wǎng)部門提供意見;電網(wǎng)信息發(fā)布用于電網(wǎng)部門及時(shí)更新供電信息（如計(jì)劃停電、設(shè)施改造等），宣傳用電科普等內(nèi)容；社區(qū)用電評價(jià)目的在于提高用戶的用電水平，電網(wǎng)部門將整個(gè)社區(qū)內(nèi)的用戶用電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以圖形化的統(tǒng)計(jì)方式顯示在系統(tǒng)頁面上進(jìn)行公告，提供社區(qū)用戶對用電情況的投票評價(jià)平臺。

增值業(yè)務(wù)模塊提供用戶的拓展業(yè)務(wù)辦理入口，用戶可以申請用電信息的短信通知，電力優(yōu)化決策以及用電定期維護(hù)等業(yè)務(wù)。系統(tǒng)功能層封裝了各個(gè)業(yè)務(wù)模型，可以根據(jù)需要接入外部業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于移動通信的業(yè)務(wù)平臺，電網(wǎng)部門也可依照用戶的業(yè)務(wù)辦理情況，收取額外的服務(wù)費(fèi)用。

系統(tǒng)管理模塊主要提供數(shù)據(jù)維護(hù)和系統(tǒng)設(shè)置工具，電網(wǎng)部門系統(tǒng)管理人員可以定期對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫電表數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和清理，同時(shí)根據(jù)用戶需求對系統(tǒng)界面等進(jìn)行設(shè)置，維護(hù)系統(tǒng)的使用，從而保障系統(tǒng)性能。

4結(jié)語

本文針對智能電網(wǎng)下智能終端的應(yīng)用，綜合用戶需求與供電要素，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于B/S模式的智能用電服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智能電表為硬件基礎(chǔ)搭建底層用電數(shù)據(jù)的釆集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對用戶用電信息的實(shí)時(shí)獲取，為系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)保障。B/S模式下的智能用電服務(wù)系統(tǒng)具有多種用電信息查詢和業(yè)務(wù)服務(wù)功能，可以為用戶提供電能消耗統(tǒng)計(jì)、用電費(fèi)用繳納、用電優(yōu)化決策，以及實(shí)時(shí)信息交流等便捷、多樣化的服務(wù)入口為電力部門信息發(fā)布和用戶用電互動提供了良好的支撐平臺。

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