電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝洪星, 李剛, 汪亮, 陳雅倫，張翔宇

(1． 南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211106；2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 400000)

0 引 言

在國(guó)家電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)快速發(fā)展的環(huán)境下，當(dāng)前在運(yùn)電能計(jì)量裝置的總量達(dá)到億級(jí)，新型智能電能表、采集終端、互感器、計(jì)量箱等產(chǎn)品大量推廣應(yīng)用，計(jì)量裝置技術(shù)水平大幅提升，有效提升了國(guó)家電網(wǎng)公司精益化管理水平。然而電能計(jì)量裝置是供用電雙方貿(mào)易結(jié)算的法律依據(jù)，其計(jì)量結(jié)果直接關(guān)系到雙方貿(mào)易結(jié)算是否公平公正合理[1-2]，因此對(duì)電能計(jì)量裝置進(jìn)行全面監(jiān)督和高效管理，保證電能計(jì)量裝置的科學(xué)、可靠和準(zhǔn)確，提升電能計(jì)量裝置品質(zhì)管理的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，為電能計(jì)量裝置的運(yùn)維、改造和更換等工作提供技術(shù)支撐，是電力企業(yè)值得研究的重要課題。

在電能計(jì)量裝置相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量的研究和實(shí)踐。目前，國(guó)家電網(wǎng)公司頒布了電能計(jì)量裝置管理的相關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[3]，計(jì)量管理部門依據(jù)其要求采用定期輪換檢定的管理模式。但是這種管理模式涉及電能計(jì)量裝置各相關(guān)部門，不能實(shí)現(xiàn)信息集中和共享，無(wú)法將電能計(jì)量裝置關(guān)聯(lián)設(shè)備的設(shè)備質(zhì)量、設(shè)備配置和設(shè)備運(yùn)行等相關(guān)數(shù)據(jù)有效集成和充分利用。文獻(xiàn)[4-7]在分析運(yùn)行電能計(jì)量裝置運(yùn)維現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)運(yùn)行中的電能計(jì)量裝置進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估的必要性和解決措施，但是沒(méi)有完整監(jiān)測(cè)電能計(jì)量裝置的運(yùn)行情況，電能計(jì)量裝置整體運(yùn)維、改造和輪換工作缺乏有效的技術(shù)評(píng)估手段，沒(méi)有相關(guān)科學(xué)指導(dǎo)的數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)致計(jì)量專業(yè)整體運(yùn)營(yíng)管理能力不足。

本文對(duì)當(dāng)前電能計(jì)量裝置的管理發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行深入的調(diào)研，以評(píng)價(jià)模型為基礎(chǔ)，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究，整合了多種數(shù)據(jù)挖掘算法，用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)解決了大量數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理。采用數(shù)據(jù)集成管理、配置管理、運(yùn)行管理和智能決策管理，完成評(píng)價(jià)模型和統(tǒng)計(jì)分析，并將相關(guān)告警實(shí)時(shí)通報(bào)，解決了計(jì)量點(diǎn)關(guān)聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)分散、計(jì)量裝置評(píng)估手段薄弱的問(wèn)題。

1 電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

電能計(jì)量裝置由電能表、計(jì)量互感器、采集終端、計(jì)量箱(屏、柜)、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備以及二次回路等組成。電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)是以評(píng)價(jià)模型為基礎(chǔ)，利用營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)等營(yíng)銷類信息系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)收集與實(shí)施載體，將電能表、計(jì)量用互感器、采集終端、計(jì)量箱(屏、柜)、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備以及二次回路的基礎(chǔ)檔案和全壽命周期管理各環(huán)節(jié)影響產(chǎn)品質(zhì)量的信息進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的收集、匯總，根據(jù)電能計(jì)量裝置的設(shè)備配置、設(shè)備質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、施工工藝和數(shù)據(jù)采錄方面建立評(píng)價(jià)模型并按其確定的公式進(jìn)行計(jì)算處理，確定電能計(jì)量裝置品質(zhì)等級(jí)。評(píng)價(jià)結(jié)果可在實(shí)際工作中科學(xué)指導(dǎo)電能計(jì)量裝置的運(yùn)維、改造和更換等工作，為電網(wǎng)公司的投資導(dǎo)向提供客觀依據(jù)。

電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)采用集中式的部署模式。以省級(jí)電網(wǎng)公司為單位，部署一套系統(tǒng)，設(shè)立集中的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，承擔(dān)全省信息的采集、存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)應(yīng)用等功能。系統(tǒng)建設(shè)采用分層的體系架構(gòu)建設(shè)，建立一個(gè)多層次的、松耦合的、具有高度的靈活性的企業(yè)級(jí)管理分析系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的體系架構(gòu)示意圖如圖1所示，業(yè)務(wù)架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)功能

電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)功能主要分為4部分：數(shù)據(jù)集成管理、配置管理、計(jì)量裝置運(yùn)行管理和智能決策管理。

2.1 數(shù)據(jù)集成管理

數(shù)據(jù)集成是實(shí)現(xiàn)企業(yè)系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)間信息的共享和集成的解決方案中最普遍的一種形式[8-9]。系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成管理包括數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)加載。

(1)數(shù)據(jù)抽?。簩I(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)等營(yíng)銷類信息系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)收集與實(shí)施載體，通過(guò)接口將電能表、計(jì)量互感器、采集終端、計(jì)量箱(屏、柜)、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備以及二次回路的基礎(chǔ)檔案和全壽命周期管理各環(huán)節(jié)影響產(chǎn)品質(zhì)量的信息抽取到計(jì)量操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(ODS)。在抽取過(guò)程中這些數(shù)據(jù)與原業(yè)務(wù)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系上都基本保持一致，極大降低了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性。

(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：在計(jì)量ODS中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，主要操作包括：將各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的某個(gè)字段進(jìn)行字段映射、若干個(gè)數(shù)值型字段進(jìn)行字段運(yùn)算、多個(gè)字段存儲(chǔ)進(jìn)行字段合并；對(duì)重復(fù)記錄、違反自然規(guī)則或業(yè)務(wù)規(guī)則、違反外鍵規(guī)則、空值等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清理。

(3)數(shù)據(jù)加載：首先將抽取并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入到指標(biāo)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，由于系統(tǒng)采用多線程方式處理數(shù)據(jù)，而多線程方式不保證記錄原有的順序，因此對(duì)加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序的數(shù)據(jù)整理，最后對(duì)索引進(jìn)行更新、刪除和重建等索引管理。

2.2 配置管理

配置管理包括評(píng)價(jià)模型配置、挖掘算法配置和告警配置。

(1)評(píng)價(jià)模型配置：通過(guò)圖形展示的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的創(chuàng)建和維護(hù)，并在圖形界面上展示當(dāng)前各評(píng)價(jià)模型的狀態(tài)并對(duì)各模型進(jìn)行操作。

(2)挖掘算法配置：配置XML支持的挖掘模型，通過(guò)解析XML文件，獲取具體的模型信息，確定采用的算法以及算法的具體參數(shù)，在算法模塊中查找指定Class文件或Jar包。

(3)告警配置：針對(duì)電能計(jì)量裝置各個(gè)設(shè)備類別的特點(diǎn)，制訂告警規(guī)則維護(hù)信息，包括告警類型、閾值等，并設(shè)定評(píng)分等級(jí)。

2.3 計(jì)量裝置運(yùn)行管理

對(duì)電能計(jì)量裝置以及各類設(shè)備的檔案、狀態(tài)、品級(jí)和告警進(jìn)行綜合管理，包括計(jì)量裝置分布監(jiān)視、品級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果監(jiān)視、評(píng)價(jià)趨勢(shì)分析管理和評(píng)價(jià)告警信息管理。

(1)計(jì)量裝置分布監(jiān)視：以圖形展示的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)全省計(jì)量裝置分布情況的監(jiān)視和維護(hù)，在界面上按照用電類別、計(jì)量方式和電能計(jì)量裝置類型等維度查詢計(jì)量裝置以及各類設(shè)備的檔案和當(dāng)前狀態(tài)。

(2)品級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果監(jiān)視：監(jiān)視全省計(jì)量裝置評(píng)價(jià)等級(jí)分布情況和各個(gè)等級(jí)的計(jì)量裝置的數(shù)量以及占比，通過(guò)逐級(jí)鉆取的方式展示地市計(jì)量點(diǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)分布情況。

(3)評(píng)價(jià)趨勢(shì)分析管理：通過(guò)計(jì)量裝置最近一年的綜合得分、等級(jí)變化以及通過(guò)各種數(shù)據(jù)挖掘算法獲得的各類分析數(shù)據(jù)生成趨勢(shì)折線圖，評(píng)估計(jì)量裝置的狀態(tài)和品級(jí)。

(4)評(píng)價(jià)告警信息管理：系統(tǒng)同時(shí)將告警信息和相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，相關(guān)人員根據(jù)告警信息生成工單對(duì)計(jì)量裝置進(jìn)行改造，并根據(jù)改造情況維護(hù)告警信息，以備服務(wù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)考核分析。

2.4 智能決策管理

在指標(biāo)得分庫(kù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上對(duì)電能表、互感器、采集終端、計(jì)量箱(屏、柜)、開(kāi)關(guān)以及二次回路現(xiàn)狀的品級(jí)評(píng)價(jià)得分進(jìn)行綜合分析，利用交互界面接收用戶的檢索、查詢要求和數(shù)據(jù)挖掘策略，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘?qū)σ欢〞r(shí)間段內(nèi)需改造的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成改造計(jì)劃，為投資決策提供依據(jù)。并將通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘得到的最新報(bào)警信息和重要數(shù)據(jù)超出設(shè)定的告警限值產(chǎn)生的告警信息發(fā)送到實(shí)時(shí)告警窗口，并將告警信息按照告警級(jí)別以短信方式發(fā)送到相關(guān)人員手中，使運(yùn)行管理人員能在第一時(shí)間作出反應(yīng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)集成技術(shù)

數(shù)據(jù)集成最核心的三項(xiàng)技術(shù)是數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和加載，這三個(gè)執(zhí)行步驟可以根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境特點(diǎn)調(diào)整順序。本系統(tǒng)采用典型的ETL順序，ETL體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 ETL體系結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)抽取是數(shù)據(jù)集成過(guò)程中最困難的部分，在具體操作過(guò)程中，大部分要解決的技術(shù)難點(diǎn)集中在這一點(diǎn)[10-11]。電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)目前主要集成營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性、規(guī)模性、完整性，數(shù)據(jù)抽取采用全量抽取和增量抽取。具體操作準(zhǔn)則如下：營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)中數(shù)據(jù)量很小和無(wú)法分離出的增量數(shù)據(jù)采用全量抽取，而計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)的檢定數(shù)據(jù)和用電信息采集系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)采用時(shí)間戳的增量抽取，在每一次抽取結(jié)束時(shí)記錄本次抽取時(shí)間戳字段的最大值，下一次抽取時(shí)抽取時(shí)間戳的值大于本次時(shí)間戳字段的最大值的數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)加載是將抽取并經(jīng)過(guò)清洗、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)統(tǒng)一加載到指定的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的一個(gè)過(guò)程。其中關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的加載任務(wù)很龐大，系統(tǒng)采用多CPU、多I/O和多線程方式處理數(shù)據(jù)，并行操作提高數(shù)據(jù)加載性能，以達(dá)到盡量減少數(shù)據(jù)加載的時(shí)間。

(2)系統(tǒng)采用調(diào)用相關(guān)編程API對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加載的實(shí)現(xiàn)途徑，這種方法應(yīng)用靈活，但是需要基于API進(jìn)行編程，并熟悉相關(guān)API。

(3)系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)加載策略包括：檔案數(shù)據(jù)初始化采用刪除表后重建，即若目標(biāo)表存在，則將目標(biāo)表先刪除后重新創(chuàng)建，若目標(biāo)表不存在，在直接創(chuàng)建新表；加載數(shù)據(jù)量少的數(shù)據(jù)采用清除數(shù)據(jù)后插入，即清空目標(biāo)表所有數(shù)據(jù)，再添加新的數(shù)據(jù)到目標(biāo)表中。

3.2 基于關(guān)鍵指標(biāo)分析的電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)技術(shù)

電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)采集到大量的數(shù)據(jù)和信息，若能對(duì)這些數(shù)據(jù)有效地分析和處理，將能客觀評(píng)價(jià)和反映電能計(jì)量裝置運(yùn)行質(zhì)量水平，幫助電網(wǎng)企業(yè)更好地進(jìn)行運(yùn)籌決策，為投資導(dǎo)向提供客觀依據(jù)。電能計(jì)量裝置的設(shè)備配置、設(shè)備質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、施工工藝和數(shù)據(jù)采錄這5個(gè)方面指標(biāo)能綜合發(fā)現(xiàn)整個(gè)電能計(jì)量裝置的運(yùn)行情況。通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵指標(biāo)的綜合分析和評(píng)估，能從整體上了解當(dāng)前電能計(jì)量裝置發(fā)展的狀況，能實(shí)時(shí)得到電能計(jì)量裝置運(yùn)行中不合理和不正常的地方，然后輔助給出處理措施予以補(bǔ)救，從而實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理。

評(píng)價(jià)模型將影響因素分類分級(jí)，共分為四級(jí)指標(biāo)。一級(jí)指標(biāo)包括電能表、計(jì)量用互感器、采集終端、開(kāi)關(guān)設(shè)備、計(jì)量箱(屏、柜)、接線安裝和二次回路共六類。二級(jí)指標(biāo)按照不同設(shè)備的運(yùn)行特征進(jìn)行不同設(shè)置，包括設(shè)備配置、設(shè)備質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、施工工藝、數(shù)據(jù)采錄等。三、四級(jí)指標(biāo)根據(jù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的具體影響因素設(shè)置不同層級(jí)的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。某一套電能計(jì)量裝置的總體評(píng)級(jí)模型如式(1)所示。

(1)

式中：Q為某一套電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)分值；Pi為該套電能計(jì)量裝置對(duì)應(yīng)的部件的評(píng)價(jià)分值，其可能是電能表、計(jì)量用互感器、采集終端、計(jì)量箱(屏、柜)、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備或接線安裝及二次回路中的一種或多種；Ki為該部件對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

(2)

式中：UIi為品級(jí)評(píng)價(jià)某一上級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)分值；LIj為該上級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)包含的各項(xiàng)下級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)分值;εj為該下級(jí)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)挖掘算法組件技術(shù)

接口是組件提供和請(qǐng)求服務(wù)的契約，是開(kāi)發(fā)、管理和使用軟件組件的基礎(chǔ)，是組件同外界唯一的交互途徑[12]。本系統(tǒng)通過(guò)提供相應(yīng)的接口集成其他數(shù)據(jù)挖掘算法，配置組件元信息，利用Java的注解和反射機(jī)制實(shí)現(xiàn)了算法組件功能，提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性。算法組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 算法組件結(jié)構(gòu)示意圖

算法組件的配置信息是添加組件和調(diào)度組件的紐帶，包括算法名稱、算法說(shuō)明、挖掘類型、存放位置、入口函數(shù)名稱和入口函數(shù)參數(shù)列表等相關(guān)信息。實(shí)現(xiàn)算法組件功能需要完成兩步:首先，通過(guò)注解的方式添加組件元信息，提交并集成到系統(tǒng)中；其次，系統(tǒng)在收到組件后，利用反射機(jī)制掃描組件中提供的算法名稱定位算法組件，算法組件的入口函數(shù)接收組件通過(guò)參數(shù)描述信息傳遞的參數(shù)值，使系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)調(diào)用所添加的挖掘算法組件。

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)電能計(jì)量裝置的業(yè)務(wù)需求，本文針對(duì)電能計(jì)量裝置存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電能計(jì)量裝置品級(jí)評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)有效集中了電能計(jì)量裝置關(guān)聯(lián)的設(shè)備數(shù)據(jù)信息，提供了電能計(jì)量裝置整體運(yùn)維、改造和輪換工作有效的技術(shù)評(píng)估手段，改善了運(yùn)行電能計(jì)量裝置運(yùn)維現(xiàn)狀，在宏觀和微觀層面給予相關(guān)科學(xué)指導(dǎo)的數(shù)據(jù)支撐，提高了計(jì)量專業(yè)整體運(yùn)營(yíng)管理能力。