基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集與管理終端系統(tǒng)

王忠文 劉志芳

1.京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520

1 概述

目前的電力數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端系統(tǒng)所采集的范圍小、頻率低，不具備實(shí)時(shí)的分析管理能力。在未來(lái)的電力管理系統(tǒng)中,不僅系統(tǒng)的采樣頻率需要明顯提高,電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的范圍也將大大擴(kuò)展。智能電表以及各種智能家電的嵌入式系統(tǒng)都可能向管理系統(tǒng)提供大量的實(shí)時(shí)信息。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將是非常驚人的,以電力系統(tǒng)現(xiàn)有的信息處理能力將不足以完成對(duì)海量數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)和分析功能?？傊?電力系統(tǒng)現(xiàn)有的計(jì)算和信息處理平臺(tái)不足以支持智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn),構(gòu)建新的電力數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)就成為值得考慮的重要問(wèn)題。針對(duì)上述情況，本文研究了云技術(shù)在電力數(shù)據(jù)采集與分析管理中的應(yīng)用，為系統(tǒng)提供海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理與高性能計(jì)算環(huán)境。

云計(jì)算是分布式處理(Distributed C o m p u t i n g)、并行處理(P a r a l l e l Computing)和網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)的發(fā)展，是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將龐大的計(jì)算處理程序自動(dòng)分拆成無(wú)數(shù)個(gè)較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶。通過(guò)云計(jì)算技術(shù)，電力通信網(wǎng)關(guān)成為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者，處理來(lái)自本地電力二次設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息，保證信息及時(shí)有效處理，達(dá)到和“超級(jí)計(jì)算機(jī)”同樣強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

云存儲(chǔ)的概念與云計(jì)算類(lèi)似，它是指通過(guò)集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類(lèi)型的存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)應(yīng)用軟件集合起來(lái)協(xié)同工作，共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問(wèn)功能的一個(gè)系統(tǒng)。在這里，我們的電力數(shù)據(jù)采集和管理終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、云計(jì)算、區(qū)域數(shù)據(jù)分析、分類(lèi)顯示和交互訪問(wèn)等支撐功能。

2 物理組成

一套完整的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，包含了較多的子系統(tǒng)，由不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。主要的組成分為三部分：集中云計(jì)算與存儲(chǔ)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集與處理終端、電力數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。其示意圖如圖1所示。

集中云計(jì)算與存儲(chǔ)管理平臺(tái)是鑒于電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、大容量、寬范圍, 在電力系統(tǒng)完全利用現(xiàn)有的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立電力系統(tǒng)的云計(jì)算和云存儲(chǔ)管理中心。利用這種云技術(shù)模式, 電力系統(tǒng)完全控制云計(jì)算方式,這樣的云儲(chǔ)存和計(jì)算資源的訪問(wèn)可以完全由電力系統(tǒng)自己控制, 而不是公用的云計(jì)算服務(wù)的提供商, 相當(dāng)于使用系統(tǒng)自己建立的電力系統(tǒng)智能云。面向智能電網(wǎng)的電力系統(tǒng)云計(jì)算、云存儲(chǔ)就是為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集與處理終端系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析、顯示、智能交互于一體的區(qū)域數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是區(qū)域性電力數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集是將各個(gè)用戶單元、用戶節(jié)點(diǎn)的電力電表數(shù)據(jù)收集到一起，根據(jù)不同的地址空間和節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)來(lái)區(qū)分；采集了改區(qū)域的數(shù)據(jù)后利用自身的硬件資源來(lái)計(jì)算該部分的各種數(shù)據(jù)，然后充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的云存儲(chǔ)，與之交互，與本地資源相對(duì)比分析，分門(mén)別類(lèi)的根據(jù)要求顯示不同種類(lèi)不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)特性。

電力數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)則是智能電網(wǎng)的最基本的組成部分，直接與用戶的實(shí)際用電情況相關(guān)，一般為智能電表，直接與數(shù)據(jù)采集與處理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為上層的系統(tǒng)管理提供最直接的數(shù)據(jù)信息。

圖1 系統(tǒng)物理組成

3 系統(tǒng)層次架構(gòu)

電力系統(tǒng)智能云技術(shù)通過(guò)集群應(yīng)用、分布式計(jì)算等系統(tǒng)功能將電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中的幾乎所有網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算應(yīng)用軟件集合起來(lái)協(xié)同工作, 共同對(duì)各級(jí)電網(wǎng)和計(jì)算機(jī)終端提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和計(jì)算服務(wù)。本文的終端系統(tǒng)將數(shù)據(jù)集群功能、云計(jì)算處理、云存儲(chǔ)、分布式分析與顯示等功能聯(lián)合起來(lái), 通過(guò)各個(gè)軟硬件接口, 為電力系統(tǒng)各級(jí)電網(wǎng)和計(jì)算機(jī)終端提供智能終端服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的層次架構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集層：是電力終端管理系統(tǒng)最基本的數(shù)據(jù)匯集，通過(guò)各種總線接口與各個(gè)智能電表節(jié)點(diǎn)相連，為系統(tǒng)采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。包含了最底層的通訊接口、數(shù)據(jù)采集換算和安全校驗(yàn)。

基礎(chǔ)管理層：改終端系統(tǒng)的云計(jì)算和存儲(chǔ)中心，主要是與數(shù)據(jù)采集層交互，將采集的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的大量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算、分解存儲(chǔ)、集中管理，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)監(jiān)控各個(gè)智能電表節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，完成相應(yīng)合理的應(yīng)對(duì)措施。

應(yīng)用接口層： 是該系統(tǒng)最靈活的部分,不僅有承上啟下的作用，是管理遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和本地?cái)?shù)據(jù)交互的橋梁，而且各級(jí)電網(wǎng)可以根據(jù)需要、權(quán)限, 提供不同的接口和服務(wù)。應(yīng)用層通過(guò)用戶權(quán)限的驗(yàn)證后，可以開(kāi)啟相應(yīng)的功能，對(duì)權(quán)限范圍內(nèi)的各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，以各種形式圖形化的顯示電力耗能、歷史情況和未來(lái)走勢(shì)等。

高級(jí)訪問(wèn)控制層：是系統(tǒng)云技術(shù)的核心，通過(guò)遠(yuǎn)程電力監(jiān)控管理中心的云計(jì)算和云存儲(chǔ)，與本地的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)、小型云計(jì)算數(shù)據(jù)交互的高級(jí)接口。在大量數(shù)據(jù)的融合交互的情況下，體現(xiàn)云服務(wù)的概念，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的高級(jí)終端要求、系統(tǒng)調(diào)度、計(jì)劃管理和相應(yīng)的維護(hù)。

圖2 系統(tǒng)層次架構(gòu)

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)以雙進(jìn)程和多線程的混合模式架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。系統(tǒng)開(kāi)始后進(jìn)行初始化，并創(chuàng)建守護(hù)進(jìn)程和應(yīng)用進(jìn)程。守護(hù)進(jìn)程用來(lái)守護(hù)應(yīng)用程序的正常運(yùn)行，在應(yīng)用程序出現(xiàn)異常時(shí)讓設(shè)備復(fù)位重啟，快速恢復(fù)正常運(yùn)行。應(yīng)用進(jìn)程則是該電力數(shù)據(jù)采樣和管理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，分為多個(gè)線程并行處理。兩個(gè)進(jìn)程間通信采用消息隊(duì)列的方式，進(jìn)程間通信異常時(shí)，守護(hù)進(jìn)程是設(shè)備復(fù)位，產(chǎn)生系統(tǒng)自愈。應(yīng)用進(jìn)程下的各個(gè)線程按功能模塊劃分，分別完成不同的功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)計(jì)算分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)安全防護(hù)、實(shí)時(shí)調(diào)度和實(shí)時(shí)交互等功能。

圖3 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

按照應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采集、計(jì)算、分析后，能夠存儲(chǔ)并對(duì)比顯示，直觀的呈現(xiàn)給用戶。如圖4所示，是一片大樓區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

圖4 數(shù)據(jù)分析顯示實(shí)例

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述, 云技術(shù)在電力系統(tǒng)中的運(yùn)用，將對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)信息交互、計(jì)算和存儲(chǔ)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用, 在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備資源下, 最大限度挖掘系統(tǒng)現(xiàn)有計(jì)算和儲(chǔ)存資源能力, 提高當(dāng)前系統(tǒng)的整體性能。能夠解決當(dāng)前電力系統(tǒng)中的諸多難點(diǎn)，從而極大地提高未來(lái)支持電力系統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)處理能力、資源優(yōu)化配置能力、科學(xué)決策管理能力和靈活高效調(diào)控能力。為智能電網(wǎng)在我國(guó)的建立和實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

[1]劉鵬. 云計(jì)算[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2]曹陽(yáng),高志遠(yuǎn)等.云計(jì)算模式在電力調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)電力,2012,45(6)：14-17.

[3]陳小潮.云計(jì)算在智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 華東電力,2010,38(6)：

801-803.

[4]趙俊華,文福拴,薛禹勝等.云計(jì)算：構(gòu)建未來(lái)電力系統(tǒng)的核心計(jì)算平臺(tái)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(15)：1-8.