（模式识别与智能系统专业论文）基于j2ee平台的电能质量监测管理系统：设计与实现.pdf

渐江大学硕士学位论文 摘要 电能质量监测是进行电能质量监控的关键环节，是发现电能质量问题的前提 条件。建立功能强大的电能质量监测管理系统，不仅能详细地记录电网运行过程 中的历史电能质量指标，而且还能对相关的线路进行实时监控，进而分析电能质 量问题的原因，为改善和提高电网供电质量提供有力的数据支持。本论文着重于 电能质量监测管理系统平台软件的研究和搭建，开发了一套基于j 2 e e 技术框架 的电能质量监测管理系统软件。 针对电能质量监测系统中数据监测点众多、网络通信负载大、负载不均衡， 以及系统数据库容量庞大的特点，本论文对大型数据采集、管理、服务软件系统 的设计和具体实现进行了研究，主要创新点为； 1 提出了电能质量监测管理系统的四层混合结构软件模型，通过应用服务器的 混合设计，提高了系统的数据响应性能；软件采用多层设计的思想实现了数据、 业务、显示的分离，降低了系统软件结构的耦合性，保证了数据的安全性 2 结合数据库和计算机的工作模式，设计了数据库的逻辑和物理结构，提出临 时数据缓存表和历史数据表结合的工作方式共同完成动态电能质量运行数据的 存储和管理。通过使用索引和分区技术，规划数据库的表空间和数据文件，解决 了数据采集过程中数据存储速度慢、性能不稳定以及数据统计时系统响应慢的问 题。 3 设计主从通信服务器工作模式，解决了大型数据采集系统中单机数据处理能 力弱的问题，扩展了系统的通信和数据处理能力；同时主从通信工作模式配置灵 活，通信系统维护简单。 本系统已在上海市区供电公司应用，目前系统监测点在5 0 0 0 个以上。 关键字：电能质量j 2 e e四层混合结构软件模型数据库主从通信服务器 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi sak e yp a r tf o rt h ec o n t r o lo f p o w e rq u a l i t y , a n di sa l s o an e c e s s a r yc o n d i t i o nt oi l i a dp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s t h ee s t a b l i s h i n go fp o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s 把m & q m m s ) 啪n o to n l yg e tt h eh i s t o r y d a t ao fp o w e rq u a l i t y sp a r a m e t e rd u r i n gt h er u n n i n go fp o w e rs y s t e mi nd e t a i l ，b u t a l s om o n i t o rk e yp o w e rl i n e si nf o a l - t i m en a o d c b a s e do ni q m m s ，p o w e rq u a l i t y p r o b l e m si sa n a l y - z 瓯a n dd e c i s i o n - s u p p o r tf o ri m p r o v i n gt h ep o w e rq u a l i t yo f p o w e r g r i di sp r o v i d e d t h i st h e s i se o n c e a n e dt h er e s e a r c ha n dd e s i g no f q m m s 8s o t t w m p l a t f o r m , a n dd e v e l o p e dt h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m s o f t w a r eb a s e do nj 2 e et e e l m o l o g yf r a m e w o r k t i f f st h e s i sr e s e a r c h e st h ed e s i g na n dc o n c 硪r e a l i z a t i o no ft h es o t t w a r es y s t e m w h i c hp r o v i d e ss e r v i c e sf o rt h es y s t e mw i t hl a r g en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nl o a d , l o a d i m b a l a n c e , a n dl a r g ec a p a c i t yd a l a b a s es y s t e m t h et h e s i s sm a i ni n n o v a t i o n sa 舱雒 f o l l o w s ： 1 a m i x e d f o u r - t i e rs m a e t u t e o f s o t ：l w a r e m o d e l f o r i q m m s w 弱p f 髓铷悔d w h e t e t h ea p p l i c a t i o ns a w , c c r sh y b r i d d e s i g ne n h a n c e ss y s t e m sp e r f o r m a n c 始w e l l m e a n w h i l em u l t i p l ed e s i g ni d e ai ns o f t w a r ea c h i e v e dt h es e p a r a t i o no fd a t a , b u s i n e s s a n dd i s p l a yw e l l ，a n dr e d u c e dt h ec o u p l i n ga m o f l gs o f t w a r ea n de l l b u l * e $ t h es e c u r i t y o f d a t a 2 c o n s i d e r i n gt h ew o r km o d eo fd a t a b a s ea n dc o m p u t e r , t h et h e s i sr e d e s i g n e dt h e d a t a b a s e sl o g i c a la n dp h y s i c a ls t l m e t u r e b yu s i n gd a t ac a c h et a b l ea n dd a t ah i s t o r i c a l t a b l ei nd y n a m i cp o w e rq u a l i t yr u n n i n gd a t a ss t o r a g ea n dm a n a g e m e n t , u n s t a b l e p e r f o r m a n c ea n ds l o wr e s p o n s eo ft h ed a t a b a s es y s t e mw i t hl a r g ec a p a c i t yw 嗽 s o l v e d 3 t h em o d eo f m a i na n ds u bo r , i i n a r yc o m m u n i c a t i o ns e r v e r sd e s i g ne x p a n d e dt h e s y s t e m sc a p a b i l i t yo fe o m m t m i e a t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g , w h i c hs o l v e dt h ew e a ko f s t a n d a l o n ed a t a - p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e si nl a r g ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m t h em o d eo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a f tf l e x i b l e , t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sm a i n t e n a n c ew a l l s a m p l e t h es y s t e mh a sb e e nr t m n i n gi ns h a n g h a ip o w e r t h en u m b e ro fs y s t e m s m o n i t o r i n gd e v i c eh a sb e e no v e r5 , 0 0 0 k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , j 2 e e ，m i x e df o u r - t i e rs m l e t l 埘o fs o f t w a r em o d e l ， d a l a b a s o , m a i na n d _ s u bo r d i 缸r yc o m m u n i c a t i o ns e n 慌 m 浙江大学硕士学位论文 致谢 值此论文完成之际，我衷心感谢导师杜树新老师近两年来孜孜不倦的教育和 指导。在这两年中，杜老师给我提供了很多学习和实践的机会，为我提供了一个 宽松、和谐的研究环境，引导我在科研工作中一步步前进，我的每一点成绩都是 与杜老师的教育和帮助分不开的。他既是良师又是益友，不仅让我学到了专业知 识，还让我学到了很多做人的道理。杜老师严谨的治学态度、平易近人的工作作 风和积极进取的精神将使我终身受益 感谢智能所的吴铁军老师、戴连奎老师、刘山老师、李艳君老师，他们认真 严谨的科研作风为我树立了榜样 同时感谢韩绍甫师兄、张振强师兄、管刚师兄、徐燕伟师姐、晁凤英同学、 欧立勇师弟，我们共同在工控所老楼4 0 7 室营造了一个和谐的学习生活环境，使 我能够舒心地从事科研工作，在此表示诚挚的感谢 感谢两年多来与我生活在起的赵晓明、金伟锋、王新康等同学，在学习和 生活上给予我许多的关怀和帮助。从他们身上，我学到了一些生活的哲理和为人 处事的态度，我将终生难忘，非常幸运能够与他们在同一屋檐下生活。 对所有关心、支持和帮助过我的同学和朋友们表示感谢。 衷心感谢我的父亲、母亲、姐姐及其他亲人，他们用最大的努力来支持和帮 助我完成学业，对他们的感激之情，无法用言语来表达。 v 胡正欢 二零零七年八月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：本章首先介绍了电能质量和电能质量问题，然后描述了目前国内电能质 量监测管理系统的现状和存在的问题，最后介绍了当前流行的j 2 e e 体系框架， 给出了j 2 e e 框架的一个典型的四层结构软件模型。 关键词：电能质量，j 2 e e ，软件模型 1 1电能质量问题研究 随着节能技术和自动化技术的推广，各种整流、交流、交频等电力电子装置 和用电设备的大量使用，容量日益扩大，大容量的非线性负载的使用引起了电两 电流、电压波形畸变，给电网带来了严重的谐波污染。另外国民经济的蓬勃发展 促使工业不断的壮大，一些冲击性、波动性负荷的运行，使电网产生大量的高次 谐波同时也使电压波动、闪变、三相不平衡率等电能质量问题日益严重。这些造 成电网的不利影响不仅导致用电用户得不到优质的供电服务，同时也带来供电设 备本身的安全性降低，严重干扰电网的经济安全运行( 杜永平，2 0 0 6 ；黄峻岭， 2 0 0 4 ) 。针对目前国家电网大量供电设备老化，存在安全隐患的现状，国家电网 每年投入大量的资金进行供电设备更新和维护，同时各级地方供电公司都已经开 始重视电能质量问题，希望通过加强对电网电能质量的实时在线监测和历史运行 数据的分析能够及时分析和评价电网的电能质量水平，找出影响电能质量的原 因，并采取措施，提高电能质量和供电的可靠性。 1 1 1 电能质量的概念 目前关于电能质量的定义还没有一个准确统一的定义，i e e e 技术协调委员 会给出的技术定义是：“合格的电能质量是指适合于敏感设备正常工作所提供的 电力和接地系统”( 林海雪，2 0 0 1 ) ；从供电角度看，电能质量是指供电的参数符 合标准及供电的可靠性：从用电设备生产商的角度看，电能质量是指提供设备所 要求的电能特性；从用户角度看，电能质量问题是指一切会引起用电设备运行故 障的供电电压、电流及频率的异常扰动。电力系统中各种用电负荷的扰动带来 第一章绪论 的电能质量问题主要集中在电压波动、电流、频率变化、电压电流谐波和不平 衡率等关系到用电用户使用效率和电网运行安全的重要参数上，电能质量问题 按产生和持续时间可分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题( 程彦 华，2 0 0 5 ；胡铭，2 0 0 0 ) 。稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，持续时间 较长，在一段时阋内( 通常是1 分钟以上) 出现的电能质量不正常情况，主要 有过电压：持续时间 1 分钟( m i n ) ，数值大于标称电压一定幅度的电压； 欠电压：持续时间 lm i n ，数值小于标称电压一定幅度的电压；电压不平衡： 电压的最大偏移与三相电压的平均值的比值超过规定的标准；谐波；谐波从 电能的使用开始就存在，是衡量电能质量的重要指标之一。动态电能质量问题 是以暂态持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态两大类，主要有电压骤 升、骤降；持续时间为o 5 个周期到l m i n ，电压有效值上升或下降到标称电压 的l l 册1 8 0 或1 0 9 0 9 6 ；电压瞬变：持续时间很短的电压值发生快速变化； 电压闪变：电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化，一 般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常丽产生的视觉感受，闪交分为周期 性和非周期性两种；短时断电：持续时间在o 5 个周期到3 秒之间的供电中 断。 电能质量问题的形成原因主要有：非线性负载：在工业和生活用电负载中， 非线性负载占很大比例，是电力系统谐波问题的主要来源。例如，电弧炉是主要 的非线性负载，它的谐波是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的，电弧的长 度不确定性和随机性，使得起电流谐波频谱非常复杂，而且随时问会有明显的变 化。大功率整流或变频装置在现代工业中的应用极为广泛，这种基于电力电子装 置的设备会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使功率因素降低； 电力系统设备的非线性：在电力电子装置大量使用以前，电力系统中主要的谐 波源是发电机和电力变压器。发电机是公用电网的电源，在实际运行中由于多种 原因，发电机的感应电动势不是理想的正弦波，导致输出的电压中包含一定的谐 波。变压器谐波电流是由其励磁回路的非线性引起，产生的谐波电流大小与交压 器的铁芯结构、铁芯饱和程度以及变压器的连接方式都有关系；电力系统运行 的内、外故障也会造成电能质量问题，如短路故障、雷击，误操作、电网故障时 发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动等 2 渐扛大学硕士学位论文 都将造成各种电能质量问题。 1 1 2 电能质量问题的危害和影响 电能质量问题会危害到电力系统本身的安全运行，同时也会造成广大用电 用户得不到安全合格的供电质量服务、缩短供电设备使用寿命，不利于电网的 经济安全运行。电能质量问题对电力系统、供电部门和用户的危害主要有( 向琼， 2 0 0 5 ；程彦华，2 0 0 5 ) ： 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用 电设备的效率，大量的三次谐波电流流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾； 影响电气设备的正常运行，谐波对电动机的影响除引起附加损耗外，还会 产生机械振动、噪声和过电压；谐波使变压器局部严重过热；谐波使电容器、 电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏； 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使 谐波危害大大增加，甚至引起严重事故； 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确； 谐波对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导 致信息丢失，使得通信系统无法正常工作； 短时停电、电压骤升或骤降会影响许多特殊行业的生产过程，降低生产工 效和产品质量，直接造成经济损失 从上面所论述的内容可以知道电网中的电能质量问题对供电系统中的危害 是巨大的，因此研究抑制和消除系统中的高次谐波，避免电压突变，对改善供电 系统供电质量和确保安全经济运行是十分必要的。 1 2电能质量监测系统现状分析 当前，电能质量受到越来越多的关注，相应的标准也在不断的建立和完善， 电能质量的监测和分析技术也在积极的探索和实践中( 黄岭，2 0 0 4 ) ，现有的电能质 量管理模式和监测仪器都存在一些问题，对电能质量监测的电能参数数据需求各 地供电用电部门也没有形成统一的认识，电能质量的监测标准处于一种探索中。 3 第一章绪论 1 2 1 电能质量监测系统现状 a 2 0 世纪8 0 年代初开始，国家质量技术监督局将制定国家电能质量标准列为 重点项目，至2 0 0 1 年底已颁布了6 项国家标准六项国家标准分别为( 林海雪， 2 0 0 5 ；李旭，2 0 0 6 ) ：供电电压允许偏差国家标准( g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) 、电压波动 和闪变国家标准( g b l 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) 、公用电网谐波标准( g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 ) 、三相电 压不平衡度标准( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 、电力系统频率偏差标准( g b ，r 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、 暂时过电压和瞬态过电压标准( g b i 1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 ) 。目前国内电能质量监测系统都 是以上述六项国家标准为基础结合本地实际建立起来的，主要的实现形式有以下 三种( 徐丙垠，2 0 0 3 ) t 单点“快照”监测方式：使用便携式仪器即时监测选定点的电压、电流变化， 掌握电压偏差、谐波、闪变、电压不平衡等稳态电能质量水平； 时间“趋势”方式：使用流动安装的电能质量监测装置，监测记录一段时间( 1 个星期或1 个月) 内的电能质量变化，应用后台分析软件，对监测时间内的电能 质量变化进行分析统计，给出这段时间内电能质量变化规律与趋势； 系统监测方式；在若干系统选定点安装在线监测装置，通过通信网与电能质量 分析主站通信，实时监测系统电能质量状态，对系统内电能质量变化进行分析统 计，给出电能质量变化趋势。 采用单点“快照”监测方式或时间“趋势”方式，适合发现一些特定的电能 质量问题；采用便携式仪器对电网不定期的进行测试，手动记录测试数据然后再 进行分析汇总，这种监测方式不仅手段落后、监测周期长、监测点分散、实时性 不强、工作量庞大、效率低、容易出错，而且缺乏决策判断的依据，难以深入分 析影响电能质量的成因，也难以进一步的提出改善电能质量的措旌。而系统监测 方式，主要用于评价系统电能质量水平，发现设备问题以及评估安装的电力调整 设备的性能。 为了解决便携式仪器流动监测方式的各种问题，同时为了全面监控电网电能 质量，目前很多地区供电公司尝试采用电能质量监测仪器对地区运行的变压器进 行系统在线监测，实现对电能质量问题的系统监控。这种监测系统按照通讯方式 主要有两种实现；一种是基于配变电网已有专用通信网络的电能质量在线监测系 统( 孙毅，2 0 0 4 ) ；另外一种就是利用公共无线通信网络( 如g p r s 通信网络) 实现 新扛大学硕士学位论文 在线监测的电能质量监测系统( 韩绍甫，2 0 0 6 ) 。 1 2 2电能质量监测系统的问题 由孙毅等人采用系统监测方式设计并实现的电能质量监测系统，系统分为 数据监测子系统，通信子系统、w e b 服务器、实时显示软件、数据库服务器五 部分( 孙毅，2 0 0 4 ) 。较好的解决了单点“快照”监测方式或时间。趋势”方式 下，电能质量监测实时性差、工作量庞大等问题。系统的结构如图1 1 所示 图1 1 基于配变电力通信网络的电能质量监测系统 但是这种方式依赖于专用通信网络，对于配变线路而言，一般供电部门建 设有专用的通信网络；但是对于杆变线路而言，一般没有建设专用通信网络通 道，由于变压器分布广泛，数量众多要建设类似的通信网络投资大，维护工作 费时费力，这种系统显然不适合杆变线路上的电能质量在线监测。同时系统在 数据展示的实现上分为实时显示软件( 即图1 1 中的数据分析系统) 和w e b 两种 方式访问系统获得相应数据服务，远程用户仅能通过w e b 服务器完成历史数 据显示和查询服务，而本地用户需要使用实时显示软件完成实时数据监测，本 地用户使用系统时需要在浏览器和实时显示软件两个界面上切换操作才能完成 需要的数据服务，显然增加了使用系统的复杂性，同时系统软件结构相对比较 复杂，维护工作费时费力。 针对杆变线路没有建设专用通信通道的现实，韩绍甫等人在上海市区供电 公司采用基于g p r s 通信技术的四层结构电能质量监测系统( 韩绍甫，2 0 0 6 ) 实 现对电能质量的系统监测，系统采用j 2 e e 技术框架，按照功能分为电能质量监 测仪、w e b 服务器、通信服务器、数据库服务器，系统使用g p r s 技术实现电 能质量监测仪与电能质量监测系统之间的数据通信，由w e b 服务器为用户提 第一章绪论 供历史和实时数据展示功能和数据管理，数据库服务器完成数据的存储和安全 系统的结构如图1 。2 所示 图1 2 基于g p r s 技术的电能质量监测系统结构 由于在通信技术上系统不依赖专用网络通信通道，网络也不需要维护，使 用g p i 噶通信资费相对也较低。相对孙毅等人实现的电能质量监测系统除了通 信技术不同外，在系统结构上废弃了实时监测时采用实时显示软件完成数据显 示而是全部由w e b 服务器提供数据服务，用户通过测览器查看历史和实时 数据。系统结构相对更加简洁，维护工作也相对较少，同时系统还提供了数据 报表输出功能，大大简化和减轻了供电部门的工作量，提高了工作效率。系统 可以对电能质量进行远程、实时、直观地监测和分析。较之其他系统来说，具 有远程监控、客户端免维护、服务器端易维护、系统安全可靠、操作简单方便 等优点。但该系统仍存在如下问题： 数据库设计中没有对表空间和数据文件进行规划，现有数据库结构导致数据 存储性能无法满足系统要求，数据库在容量增大后响应性能低下； 通信服务器设计不合理，数据处理能力不足，导致监测仪数量超过2 0 0 0 台后， 数据通信过程中出现大量的丢包现象； w e b 服务器采用m o d e l1 模式设计，导致系统功能扩展困难，软件升级时原 有应用程序很难重用； 报表服务采用i r e p o r t 工具开发，导致生成的w e b 报表格式出现不需要的网 页地址信息，分页时出现表格出错，自动生成的e x c e l 报表格式也无法控制 报表字体大小、单元格长度和宽度。 本论文在该系统的基础上，重新规划、设计、开发了_ 窿基于j 2 e e 的电能质 6 浙江大学硕士学位论文 量监测管理系统，从而解决了韩绍甫( 韩绍甫，2 0 0 6 ) 系统中存在的问题。 搭建电能质量监测管理平台的实现技术很多，目前最流行的两种企业级应用 体系框架分别为s u n 公司推出的j 2 e e 体系框架( e f t c a l t e n d o f f , 2 0 0 2 ：s t e v e v m o s l d ， 2 0 0 5 ) 和m i c r o s o f t 公司的n e t 技术，它们都为建立企业级应用软件提供了一整套 技术方案，也都在很多应用领域取得了很好的效果。但是由于j 2 e e 发展较为成熟， 使用更加广泛，所取得的成功也更多，j 2 e e 以j a v a i 吾亩为核心为网络应用服务提 供了良好的技术框架，它在软件系统的平台无关性，众多系统的整合能力、系统 的延展性、安全性也是n 】玎技术无法比拟的，同时它在性能方面的不断提升确 定了它在企业级应用中的统治地位。基于j 2 e l 注企业级应用开发中的优势，电能 质量监测管理系统的实现采用了j 2 e e 技术框架。 1 3j 2 e e 技术框架 j 2 e e 是s o n 公司推出的适用于创建服务器应用程序和服务的j a v a 2 平台企 业版( j a v a 2p l a t f o r me n t e r p r i s ee d i t i o n ，j 2 e e ) ，它定义的是一个开发分 布式企业应用的规范( s u nm i c r o s y s t e m s 2 0 0 5 ：p a u lj p e r r o n e ，2 0 0 1 ) ，其 目标是提供平台无关的、可移植的、支持并发访问和安全的、完全基于j a v a 的 开发服务器端中间件的标准。 1 3 1j 2 e e 概述 j 2 e e 为分布式应用系统的构建提供了一个多层次的分布式应用模型( s u n m i c r o s y s t e m , 1 9 9 9 ；赵强，2 0 0 3 ) 和一系列开发技术规范。多层次分布式应用模型 是根据系统需求将应用逻辑分为多个层次，每个层次支持相应的服务和构件， 构件在分布式应用服务器的容器中运行( 比如w e b 构件在w e b 容器中运行， e i b 构件在e j b 容器上运行) ，容器间通过相关的协议进行通信，实现构件间的 相关功能的相互调用，进而实现分布式计算的需求。遵从这个规范的开发者将 得到行业的广泛支持，使企业级应用的开发变得简单、快速。 j 2 e e 作为优秀的企业级应用软件解决方案，得到了业界的大力支持。目前 支持j 2 e e 应用服务的成熟商用和开源软件很多，商业软件如b e aw e b l o g i e ， i b m 公司的w e b s p h e r ea p p l i c a t i o ns v r v v r ，r e d h a t 公司的 b o s s 等都是比较成 7 第一章绪论 熟的j 2 e e 应用服务器，开源免费w e b 容器有t o m c a t ，r e s i n 等 1 3 2 j 2 e e 的体系结构 大多数应用，从p c 机上的简单报表程序到大型机上的复杂计算，都由三部 分组成：表示层( 用户界面部分) 、业务逻辑层( 应用逻辑部分) 、数据访问层 ( 数据访问部分) 。目前两个应用最广泛的软件体系结构为客户机服务器结构 ( c l i e n t s e r v e r ) 和浏览器服务器结构( b r o w s e r s e r v e r ) ( s u nm i c l 啦y s t c m 8 2 0 0 3 ) ，客户机服务器结构是随着网络技术的发展为了解决单机模式的缺陷而产 生的；浏览器，服务器结构是随着w e b 技术的兴起而诞生的。 c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构( 王娴，2 0 0 6 ) ，即客户机服务器结构。它是软件系 统体系结构，这种模式解决了单机模式下计算机之问共享困难、资源无法共享 的问题通过它可以充分利用系统两端硬件资源，将任务合理的分配到c l i e n t 端和s e r v e r 端执行，降低了系统的通信开销，同时也大大提高了复杂应用系统 的处理能力和扩充应用系统的功能。目前很多应用软件系统使用c s 两层结构 开发，取得了较好的应用效果。但是这种结构也存在问题，首先它没能解决单 机模式下协同工作的问题，同时系统的功能扩展很困难，不具备良好的可扩展 性和伸缩性，系统的维护与升级变得非常困难。归纳起来c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结 构的软件系统存在以下四个主要问题：用户界面和程序逻辑绑在一起，代码 难以重用，不便于系统的维护与升级；服务器的数据库必须同每一个活动的 客户保持连接，消耗大量的运算资源，随着客户数目的增加性能不断下降，且 存在死锁及崩溃的可能；原始数据通过网络传递，加重网络通信负担；客 户端应用程序越来越大，对使用者的要求也越来越高。 b i s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构即浏览器和服务器模式，是伴随着i n t e r n e t 技术的 兴起对c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构进行改进的一种软件体系结构，是基于浏览器的 b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 瘦客户端。在这种结构下，用户通过浏览器显示工作界面， 客户端主要完成用户的参数输入，命令请求和数据展示，极少的逻辑事务在前 端( b ”a w $ 曲实现，主要的逻辑事务在服务器端( s e r w ) 处理。这样大大简化了客 户机所要处理的功能，同时也减轻了客户机要处理的负载。随之而来的好处就 是：首先减轻了系统维护和升级的成本和工作量，降低了用户的使用成本也降 8 浙江大学硕士学位论文 低了对用户技术素质的要求，更加迎合了当前i n t e r n e t 时代人们的使用习惯和 方式。 从目前的技术和企业需求来看，建立局域网的b s 结构的网络应用，并通 过i n t e r n e t i n t r a n e t 模式下来是实现企业的数据应用，相对容易把握、成本 也相对低，同时系统的安全性也相对较高。它可以实现不同操作人员，从不同 地点，以不同的接入方式( 比如l 锄，i n t e r n e t ，i n t r a n e t 等) 根据自己所具有 的权限通过网络访问和操作共同的数据库，使用应用服务器上的软硬件资源实 现计算服务，对应用服务器上管辖的系统设备进行操作。但是由于企业应用的 推广以及应用的复杂性，以及提出的各种非功能性、性能和安全方面的要求， 使得基于浏览器b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 两层结构也存在响应速度不够，无法完 成复杂业务逻辑的企业计算任务，必然被其它模式取代。为了满足企业级应用 功能、性能和安全性方面的要求，提出了基于b s 应用结构的三层分布式架构 ( 浏览器、w e b 服务器、数据库服务器) ，它的应用大大提高企业级应用的性能， 实现了数据和业务的分离( 徐燕伟，2 0 0 6 ) ，在系统安全性方面也有很大的提升 j 2 e e 规范为企业级应用系统的开发提供了一种分布式企业级多层应用模型 ( 张冰，2 0 0 4 ) 。在j 2 e e 规范中，应用逻辑按功能不同可以划分为不同类型的组 件，各组件根据它们所在的层分布在不同的机器上，共同组成一个基于组件的 分布式多层应用系统，在不同应用层上j 2 e e 提供了不同的实现技术，目前j 2 e e 为搭建分布式应用提供了j s p 、s e r v l e t 、j d b c 、j n d i 、e j b s 、r m i 、) 0 讧l ，、 j m s 、w e bs e r v i c e s 等十三种核心技术( d e e p a ka l u r ，2 0 0 3 ) 。在分布式系统构 架中j 2 e e 也给出了一些典型结构，j 2 e e 规范定义的一个典型的四层结构( s u n l v l i c r o s y s t c m s 2 0 0 0 ) 如图1 3 所示，分别为客户层、w e b 层、业务逻辑层和信息 系统层( e i s ) 叵圃匝画圃、。 回国囤圃【罐 一r i s e j a w a b e a n 固广熬 l 厂瓦五；i 回 图1 3 典型的j 2 e e 四层结构模型 第一章绪论 客户端层 客户端层用来实现企业级应用系统的操作界面和显示层。另外，某些客户 端程序也用来实现业务逻辑。客户端可以分为基于w e b 的和基于非w e b 的客户 端两种情况。在基于w e b 的客户端，客户端主要是标准的w e b 浏览器。而基于 非w e b 的客户端通常是使用独立的应用程序来实现，这种客户端主要是为了完 成瘦客户端无法实现的任务而使用的。 w e b 层 提供w e b 应用服务，包括信息的发布和录入等。w e b 层由w e b 服务器和w e b 组件构成，w e b 组件包括j s p 和s e r v l e t s 。w e b 层也可以包括一些j a v a b e a n s w e b 层主要用来接收用户的输入请求，调用相应的业务逻辑模块，并把结果以 动态页面的形式返回客户端。 业务逻辑层 业务逻辑层也qe j b 层，一般情况下，许多开发商把w e b 服务器和e j b 服 务器产品整合在一起发布，成为应用服务器。e j b 层用来实现企业级信息系统 的业务逻辑。它是企业级应用的核心，由运行在业务逻辑层中的e j b 组件来处 理。一个e n t e r p r i s ej a v a b e a n 从客户端接收数据j 对数据进行处理，然后把 数据发送到信息系统层存储起来。同时e n t e r p r i s ej a v a b e a n 也可以将客户端 需要的数据进行计算后发送到客户端程序。业务逻辑层中的e j b 组件运行在e j b 容器中，由e j r 容器解决事物处理、生命周期、状态管理、多线程，安全管理、 资源使用等问题。 信息系统层( e i s ) 信息系统层( e i s ) 包括基础系统，数据库系统和企业应用的其它遗留系统， 如e r p ( 企业资源计划) ，c p a ( 客户关系管理) ，d b s ( 数据库系统) 和企业遗 留系统。在j 2 e e 框架中应用服务器一般使用j d b c 来访问数据库系统获得数据 服务。 由以上框架可以看出j 2 e e 是一个典型的多层结构应用系统的设计规范，它 将应用系统的业务和操作界面实现了良好的分离，用户所有的服务请求都是通 过访问w e b 服务器然后由w e b 服务器调用应用服务器上的功能实现的，实现了 数据、业务、显示功能的分离，在这种模式下可以很好的解决大系统中开发人 浙江大学硕士学位论文 员工作的分配，以及同步开发协调工作问题，同时由于数据和业务的分离可以 很好的保护数据平台，通过管理访问权限控制用户使用与应用服务器连接的软 硬件设备，这也是j 2 e e 获得成功的主要原因。相对于两层结构的c s 框架它的 优点有： 应用程序各部分之间松耦合，从而应用程序各部分的更新相互独立； 业务逻辑集中放在服务器上由所有用户共享，使得系统的维护和更新变得简 单，也更安全； ， 数据库不再和每一个活动的用户保持一个连接，而是由应用程序组件负责与 数据库打交道，降低数据库服务器的负担，提高了性能；一 典型的四层结构模型虽然能适应大多数应用的需求，但是实际的应用系统 往往是复杂多变的，单一的使用典型的j 2 e e 四层结构模型来解决遇到的实际应 用问题通常是不会有理想的结果，甚至根本无法实现目标，针对具体的应用系 统和需求应该灵活运用j 2 e e 框架的多层结构模型设计出一套适合特定应用场 合的多层软件结构模型。针对电能质量监测管理系统中用户数量多、用户数据 需求差异明显、通信负载大、负载不均衡的情况，本文提出了基于j 2 e e 构架的 电能质量监测系统的四层混合结构软件模型。 1 4 本文的工作 本章首先介绍了电能质量和电能质量问题的危害和影响，阐述了建立电能 质量监测系统的意义和当前国内电能质量监测的现状和问题。接着讲述了当前 适用于企业级信息管理平台的j 2 e e 技术框架，给出了一个典型的j 2 e e 四层结 构软件构架模型。 本文的工作主要是对当前的电能质量监测管理平台的一种探索性研究，并 开发了一套用于特定厂家电能质量监测仪器产品的上层数据采集和管理软件。 很好的解决了对大规模终端电能质量数据监测仪的数据采集、设备资产管理、 用户管理、电能质量历史运行数据存储和管理、电能质量实时运行数据的监测 任务。全文一共由五章组成，下面的章节安排是： 第二章详细分析了用户需求和系统任务，提出了针对用户需求和系统任务 的基于j 2 e e 构架的电能质量监测管理系统的四层混合结构软件模型，并对模型 第一章绪论 进行了详细的分析和介绍，最后对系统结构和使用技术进行了详细介绍。 第三章首先对本文设计电能质量监测管理平台按照逻辑功能分为w 髓服务 器，通信服务器、数据库服务器三块，分别对w e b 服务器，通信服务器、数据 库服务器的功能进行了详细的介绍，然后详细介绍了数据库系统的设计和主从 通信模式的设计，最后讲解了系统功能实现，对典型功能的实现给出了详细的 描述。 第四章介绍了在整个软件系统中涉及到系统性能或特定功能实现所使用的 关键技术，分别介绍了所使用的关键技术的原理或使用规则。 本文的最后一章第五章对本文的工作进行了一个小结，指出了本文所设计 开发的系统和前个版本( 韩绍甫，2 0 0 6 ) 的不同，最后给出了本文系统存在 的不足，对进一步的工作了一些展望。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章电能质量监测管理系统的四层混合结构软件模型 摘要：本章首先给出了用户需求，根据用户需求和系统的工作方式分析得到本 系统要实现的系统任务：然后提出了一套基于j 2 e e 架构的电能质量监测管理系 统的四层混合结构软件模型，并对这个模型进行了详细的介绍：最后介绍了在 系统实现中所采用的技术方案。 关键词；用户需求，系统任务，四层混合结构模型 软件完整的生命周期一般要经过：可行性分析、需求分析、软件设计、编 码、软件测试、运行和维护( 验收前后) 六个阶段。为了突出本文工作的重点， 本论文仅介绍需求分析、软件设计两大部分。 2 1系统需求和任务 为了解决电能质量监测问题上各地供电、发电部门对电能质量监测认识不 统一，国家质量技术监督局将制定国家电能质量标准列为重点项目，共颁布了 6 项国家标准，现在电能质量监测系统的都是在六项国家标准的基础上并结合 当地的供电单位的实际需求上建立起来的。 2 1 1 系统需求 本系统的用户是上海市区供电公司及其下属供电所的杆配变运行班，作为 供电部门基层的部门，日常供配电工作主要关注的是供电线路上变压器的电压、 三相电压不平衡率、公用电网电压电流谐波、电流、三相电流不平衡率、功率 因素、频率、有功功率、无功功率、变压器是否出现过负荷、过电压、低电压 等运行数据，及时发现供电异常情况、用电需求变化以及存在安全隐患或已经 出现故障的供电变压器。具体的讲主要有以下需求： 三相变压器2 4 小时完整的整点三相电压、电流、总谐波( 电压、电流) 、 奇次谐波( 电压、电流) 、功率因素、有功功率、无功功率、供电频率、零序电 压、零序电流等采样数据； 获得2 4 小时内供电变压器昕出现的兰相电压、电流、有功功率、无功功率、 第二章电能质量监测管理系统的四层混合结构软件模型 功率因素、频率、电压总谐波、电流总谐波、零序电压、零序电流等供电参数 的最大最小值以及发生的时间； 获得供电变压器供电日发生的供电电量，运行时间、停电时间，电压偏高 运行时阅、电压偏低运行时间、电压总谐波偏高运行时间、电流总谐波偏高运 行时间、零序电压偏高运行时间、零序电流偏高运行时间、三相缺相运行时同 等统计运行数据； 根据采集到的历史电能质量参数计算出采样点发生的不平衡率( 电压、电 流) 、供电变压器的平均负载率、供电电能有功无功电量、给出不符合供电标准 的异常数据报表信息； 根据采集的历史运行数据分析出不符合供电质量标准的供电异常运行数 据，对存在问题的供电变压器的运行数据进行实时监测，找出原因及时处理安 全隐患； 为生产部门生成供电数据、设备信息e x c e l 报表，提供供电数据查询、管 理、展示服务； 提供终端监测仪设备的资产管理功能，同时保证监测仪的采集数据和变压 器运行数据的一致性； 对市区用户、供电所用户、杆配供电班组用户的人员进行管理和权限进行 设置； 系统的数据为供电公司其它生产系统提供数据开发功能，为其它应用系统 提供数据服务，实现数据共享； 2 1 2 系统任务 根据用户需求，系统主要完成对终端监测仪的数据采集、数据分析、电能 质量数据存储、管理、监测仪设备资产管理、人员管理以及为其它生产系统提 供数据服务，是一个集终端数据采集、数据管理和提供数据服务的综合应用平 台，系统的主要任务如图2 1 所示，图2 2 2 7 为各子功能模块的详细任务结 构 浙江大学硕士学位论文 图2 1 系统任务示意图 图2 2 用户管理功能示意图 图2 4 数据采集功能示意图 图2 3 设备管理功能示意图 图2 5 数据存储功能示意图 图2 6 数据分析功能示意图 图2 7 报表服务功能示意图 系统涉及到数据的发布显示、管理、报表生成、数据分析、以及数据采集 1 5 第二章电能质量监测管理系统的四层混合结构软件模塑 等功能，在具体的实现时本系统采用j 2 e e 框架分层设计的思想，按功能不同分 别部署在不同的层上实现，然后通过设计各层之问的通信接口实现不同层之阋 的数据交换，在下一节将详细介绍系统的框架设计。 2 2 四层混合结构软件模型 由上一节对系统的用户需求和系统任务的分析可以知道，系统需要完成的 主要工作有：数据采集、数据分析、数据显示、数据存储、数据管理、报表服 务和数据服务七大任务。涉及到系统管理平台和远程监测仪的通信、对监测仪 采集到的数据的存储和管理、以及为用户提供数据服务三大功能，这样的系统 必然是一个物理平台复杂，功能繁多的综合应用系统。图2 8 是系统的软件系 统构架的示意图，整个系统采用j 2 e e 框架分层设计的思想，按逻辑功能不同分