0 引言

電力輸電線路網絡的發展直接影響國家的經濟命脈和可持續發展,確保輸電線路網絡的安全、可靠運行具有重要的社會和經濟意義^[1]。隨著移動互聯網技術、物聯網技術、大數據技術、現代化傳感技術、通信技術、智能計算控制技術在電力工業中的深度應用,智能電網已經成為當前電力輸電線路網絡的必然趨勢。當下,建設可靠性高、安全、高效益、穩定、低耗的智能輸電線路網絡,已經成為國家電力和能源行業發展的必經之路^[2]。在電力行業中,為了便于對電力系統的管理,往往需要精確的獲得每一個電桿、輸電線路、變電站等的實時的大量的各種信息數據。目前IPv4協議隨著應用范圍的擴大,地址匱乏的問題越來越明顯,在電力行業很難精確地獲得每一個站點的實時信息,IPv6是為了解決IPv4的問題和不足而提出的新一代協議,其在電力地理信息行業主要能夠解決以下3個方面問題。

1）對于電力地理信息行業,IPv6有效解決了IPv4的IP地址不足問題以及IPv4在互聯網應用上的各種限制等。這樣就可以通過地理信息系統精確的獲取每一個電力監測點實時的大量的信息,便于對整個電力系統的檢測與管理。

2）解決數據傳輸上的安全性。IPv6相比IPv4,IPv6采用了AH認證支持MD5_96、SHA1_96認證加密算法,并采用封裝安全載荷（Encapsulate Security Payload,ESP）支持DES_CBC、RC5、CAST_128等加密算法,密鑰交換協議以及更嚴格的Internet控制報文協議（Internet Control Message Protocol,ICMP）地址解析,采用IPSec安全體系架構,此架構可以“無縫”地為IPv6網絡環境下的網絡層數據傳輸提供各種安全服務,如提供訪問控制、數據源的身份驗證、數據完整性檢查、機密性保證以及抗重播攻擊等,解決了網絡層到端數據傳輸的安全問題^[3]。

3）解決海量數據傳輸的時效性。IPv6取消了IPv4中數據包首部的校驗和字段,提高了數據包的傳輸速率。基本首部還增加了流標識和傳輸類別字段,以加強對實時數據傳送的支持。

國外對于IPv6在電力行業上的應用起步較早,各種框架規范較為完善,并已發展較為成熟^[4]。國內相關研究處于實驗階段,涉及電力視頻監控、輸變電狀態監測、95598智能互動網站等。本項目基于國內外的已有研究成果,選擇電力行業IPv6過渡中的數據監測環節,結合移動應用系統進行研究運用,與其他類似同類研究比較具有差異性和優
越性。

 1 IPv6電力數據監測移動應用系統研發思路

基于移動應用程序人工定期巡線的監測方式是指：安排人員定期的對輸電線路進行巡查,并對輸電線路的相關設施（桿塔、導線、絕緣子等）進行專業測量,將測量的數據通過移動設備上運行的應用程序傳輸到后臺系統,以供后臺系統分析使用的移動電力數據監測方式^[5]。

通過對輸電線路監測相關研究的了解,基于IPv6技術的實際特性,結合對實際系統使用情景的分析,總結出該系統研發的主要思路。

1.1 數據結構多樣

首先數據監測移動應用系統的主要功能為數據采集,而采集的數據結構類型多樣。包含氣象環境、桿塔狀態、導線狀態、采集地理位置等結構化數據,以及桿塔照片、視頻和采集地點照片、視頻等非結構化數據^[6]。需要考慮到系統能在今后使用中動態添加需要采集數據的字段,有較強的擴展性能,同時要考慮到數據需要進行相關的分析,便于大規模計算^[7]。最后需要考慮到系統必須的人員管理、分組管理、權限管理等業務功能,是一系列較強的關系型數據結構。因此,系統采用關系型數據庫與非關系型數據庫結合的方式進行開發。

1.2 網絡情況復雜

數據監測移動應用系統主要使用環境為野外,而野外環境的網絡情況相對較復雜。西南區域大部分輸電線路沿線的電力數據通信專網還未建成,因此需要采用傳統GPRS方式進行數據傳輸。一些偏僻地區沒有GPRS信號,需要采用離線存儲,待有其他方式網絡信號時再進行數據傳輸和數據同步。而對于已經接通電力數據通信專網的情況,需要考慮到現階段電力數據通信網絡處于IPv6過渡階段^[8],需要使用有IPv6網絡的情況下使用IPv6網絡,沒有IPv6網絡的情況下使用IPv4網絡的混合式數據傳輸方式。

1.3 保證數據安全

系統的數據安全需要從數據傳輸和數據存儲2個方面進行考慮。

在數據傳輸方面,雖然IPv6所有的命令和執行都有安全方面的考慮,IPv6 協議巨大的地址空間、固化的安全機制等新特性對提升網絡安全性有一定的作用^[9],提供了加密和認證機制,這些機制都是在網絡層上實現的,對于網絡層以上的應用是不可見
的^[10-11]。但是系統需要考慮在IPv4網絡環境下運行的安全性問題,傳輸數據要進行加密,所有傳輸接口也要進行權限驗證等防護。

數據存儲方面,對于移動端存儲的數據和后端數據庫存儲的數據都要進行加密處理,同時后端數據庫都要進行備份防災。

 2 IPv6電力數據監測移動應用系統具體設計

在滿足系統主要功能需求的條件下,依據數據結構多樣、網絡情況復雜、保證數據安全的研發思路對系統進行設計。

2.1 總體設計

IPv6電力數據監測移動應用系統軟件部分采用面向服務的方式進行開發,便于后期系統擴展（如接入地理信息系統）。系統分為數據接口服務程序、后端管理程序和移動端應用程序3部分,使用數據庫軟件存儲監測系統的數據,所有對數據的操作都需要經過數據服務接口系統進行,再結合硬件（服務器、路由器、交換機等）搭建運行環境。

2.2 數據接口服務程序

數據服務接口系統為面向服務開發方式的核心,使用Node.js（一個基于Chrome JavaScript運行時建立的平臺）技術進行開發,Express(基于Node.js平臺的Web應用開發框架)提供HTTP服務。主要是為所有系統應用服務,為應用進行數據操作提供支撐,并且控制對系統數據庫進行的操作,只有通過權限認證的用戶才能進行相關數據操作,達到有控制的開發數據庫給外部使用的目的。其運行方式如
圖1所示。

數據服務接口系統使用RESTful API（一種軟件架構風格）的接口為前后端應用提供JSON（JavaScript Object Notation）格式的數據服務。

圖1 數據接口服務運行方式Fig.1 The operation mode of the data interface service

2.3 后端管理程序

后端管理程序采用AngularJS（web應用中的一種端對端的解決方案）框架進行開發,使用AJAX（Asynchronous JavaScript And XML）方式與數據接口服務進行HTTP協議的數據交換。該程序分為基礎數據管理、數據采集管理、用戶管理和日志查看4個主要功能模塊,功能結構如圖2所示。

圖2 后端管理程序功能結構Fig.2 Back-end management program functional structure

1）基礎數據管理模塊對電力設施的基礎數據進行管理。如添加、修改桿塔的基本數據,為采集該桿塔的數據提供數據基礎支撐,同時可以對基礎數據的類別進行編輯。

2）數據采集管理模塊是管理移動應用采集數據的模塊?？梢詫σ苿討貌杉瘮祿念悇e、字段、內容進行控制,同時可以查看管理移動應用采集的數據。

3）用戶管理模塊是對使用該系統的用戶賬戶進行管理,同時可以分組對用戶的權限進行管理^[12]。

4）日志查看模塊主要是記錄該系統所有用戶進行的操作,一定程度上保證系統的安全,并為出現的安全問題提供追查方式。

2.4 移動端應用程序

移動端應用程序是基于JAVA開發的Android應用程序,主要分為3個模塊（見圖3）。

數據采集模塊為核心模塊,實質功能為數據采集,分為新增數據采集和已采集數據更新。

數據查看模塊可以對基礎數據進行瀏覽,同時可以對已經上報的數據進行瀏覽。

圖3 移動端應用程序功能結構Fig.3 Mobile application functional structure

系統設置模塊則可以退出登錄保證數據安全,對個人信息進行查看修改。

2.5 系統數據庫

為滿足數據結構的多樣條件,系統數據庫采取MySQL存儲關系型數據（人員信息、分組信息、權限信息等）和MongoDB存儲非關系型數據（采集數據、基礎數據等）2種數據庫混合使用的方式。

2.6 運行網絡環境設計

系統網絡環境如圖4所示?；诰W絡情況的復雜條件,分為3種情況：使用GPRS網絡傳輸數據時,移動終端經過GPRS基站將數據通過互聯網傳輸到電力專網^[13],這時需要通過專網的邊界服務器,才能到達系統應用服務器;通過電力數據通信網絡,根據IPv4或IPv6相關網絡設備進行數據傳輸,因此應用服務器要同時支持采用2001:2501:2100:2000::/64前綴的IPv6以及210.40.2.66和210.40.2.67這個地址段的IPv4網絡。

圖4 系統網絡環境Fig.4 System network environment

 3 系統核心開發

因為系統開發并非本研究主要內容,所以在此僅對核心IPv6相關功能開發進行說明。

3.1 接口服務的IPv4與IPv6的混合實現

數據接口服務程序使用Node.js下的Express進行開發。Express基于HTTP服務,因此對于IPv6是兼容的。在實際使用中只需在創建服務監聽時將傳入IP地址的參數賦值IPv6地址即可：

var serverv6 = http.createServer(app);

serverv6.listen(port, “IPv6地址");

而對于需要同時監聽IPv4和IPv6的情況,只需多建立一個對IPv4的監聽即可：

var