臺區(qū)智能終端數(shù)據(jù)集采APP的設(shè)計和實現(xiàn)

田星星 李龍龍 王 瑞

臺區(qū)智能終端數(shù)據(jù)集采APP的設(shè)計和實現(xiàn)

田星星 李龍龍 王 瑞

（科大智能電氣技術(shù)有限公司，合肥 230088）

臺區(qū)智能終端是智慧物聯(lián)網(wǎng)中的邊緣設(shè)備，滿足高性能并發(fā)、大容量存儲、多采集對象的需求，是集配電臺區(qū)供用電信息采集、電能表數(shù)據(jù)收集和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等功能于一體的智能化終端。針對臺區(qū)智能終端中各種數(shù)據(jù)集采的需求，設(shè)計一種用于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確按時采集的APP，實現(xiàn)方式是通過任務(wù)配置，把全臺區(qū)設(shè)備的不同數(shù)據(jù)，按時采集并上送到數(shù)據(jù)中心。此APP可以解決抄讀通道沖突、同一數(shù)據(jù)重復(fù)采集等問題，提高了臺區(qū)智能終端的數(shù)據(jù)集采性能。

臺區(qū)智能終端；數(shù)據(jù)集采；數(shù)據(jù)中心

0 引言

臺區(qū)智能終端適應(yīng)智能配電臺區(qū)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，智能配電臺區(qū)有別于傳統(tǒng)配電臺區(qū)，傳統(tǒng)配電臺區(qū)電力用戶僅僅使用電力，不會向電網(wǎng)輸電。隨著我國人民生活水平日益提高，綠色用電逐漸成為新的課題，百姓利用自家空間搭建太陽能電池板，滿足自己用電的同時，把余電輸送到電網(wǎng)，所以配電臺區(qū)也做了相應(yīng)的調(diào)整。保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低電力用戶的年停電時間，提高供電質(zhì)量也推動了配電臺區(qū)的發(fā)展，催生了智能配電臺區(qū)的誕生。

臺區(qū)智能終端是智能配電臺區(qū)的核心設(shè)備，能夠獲取智能配電臺區(qū)所有設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)，其中包括高壓側(cè)電壓、電流，低壓側(cè)電壓、電流，變壓器油溫、環(huán)境濕度，低壓智能斷路器和低壓換向開關(guān)狀態(tài)，電力用戶的用電量和電壓、電流，智能電容器和充電樁等設(shè)備的工作狀態(tài)。采集到如此多的數(shù)據(jù)后，臺區(qū)智能終端可以實現(xiàn)電壓、電流越限告警、無功功率就地平衡、治理三相不平衡、計算臺區(qū)線損、研判并上報臺數(shù)故障信息等功能，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行管控提供所需的數(shù)據(jù)和邊緣計算能力[1-4]。

由此可知臺區(qū)智能終端采集的設(shè)備多樣，有以下3個特點：

1）規(guī)約類型多，主要有DL/T 645—1997/2007、Q/GDW 11778—2017和《剩余電流動作保護(hù)器通信規(guī)約》。

2）采集的數(shù)據(jù)項多，不僅有常規(guī)的電壓、電流、功率和電能量等，還有溫度、濕度、斷路器狀態(tài)、無功補(bǔ)償器狀態(tài)和充電樁數(shù)據(jù)等。

3）設(shè)備被抄通道多樣，有485總線、微功率無線、電力線載波、CAN總線等。并且整個智能配電臺區(qū)的設(shè)備數(shù)量大，一般臺區(qū)電力用戶電能表數(shù)量在400只左右，加上低壓感知設(shè)備、換向開關(guān)和斷路器等，總體設(shè)備估計500個左右。智能配電臺區(qū)是國網(wǎng)運(yùn)檢、營銷業(yè)務(wù)的交合點，為了支持兩個業(yè)務(wù)部門的日常工作，臺區(qū)智能終端需要把臺區(qū)設(shè)備數(shù)據(jù)同時按需上報到兩個部門。由以上特點，設(shè)計一個APP統(tǒng)一采集所有設(shè)備數(shù)據(jù)是一個很好的方案，此APP只負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，可以有效避免不同需求方抄同一數(shù)據(jù)的通道阻塞和設(shè)備阻塞。

1 數(shù)據(jù)集采APP整體設(shè)計

數(shù)據(jù)集采APP的核心設(shè)計思路是按照任務(wù)配置準(zhǔn)時把設(shè)備數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)中心，供臺區(qū)智能終端內(nèi)其他APP使用。為了降低APP風(fēng)險和適合項目團(tuán)隊開發(fā)，按照正交性設(shè)計原理，把此APP劃分為5個功能專一的模塊，每個模塊是一個獨立的線程運(yùn)行，模塊之間使用消息隊列遙測傳輸協(xié)議（message queuing telemetry transport, MQTT）交互數(shù)據(jù)[5]。圖1為數(shù)據(jù)集采APP整體設(shè)計方案，任務(wù)調(diào)度模塊為數(shù)據(jù)集采APP的主控模塊，數(shù)據(jù)中心為任務(wù)方案參數(shù)和數(shù)據(jù)存儲模塊，串口模塊、交采模塊和載波模塊為通道管理模塊。

圖1 數(shù)據(jù)集采APP整體設(shè)計

數(shù)據(jù)集采APP的主要處理流程是任務(wù)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)中心讀取任務(wù)方案，管理每個任務(wù)的執(zhí)行時間和邏輯，當(dāng)任務(wù)處于運(yùn)行時間中，組織抄讀報文，并按照設(shè)備通道類型發(fā)給相應(yīng)的通道管理模塊。通道管理模塊回復(fù)后，任務(wù)調(diào)度模塊解析數(shù)據(jù)，并把解析后的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)中心。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 MQTT

程序設(shè)計一般都采用模塊化設(shè)計，這樣可以降低風(fēng)險，有問題的代碼區(qū)域容易被隔離起來，例如串口模塊的代碼有問題，只需要把此模塊暫時屏蔽，整個數(shù)據(jù)集采APP依然可以正常運(yùn)行。模塊化設(shè)計會帶來模塊間通信難的問題，在研究了管道、信號量、共享內(nèi)存等方式后，最后選擇了MQTT。

MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通信協(xié)議。使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，可以解除模塊間的耦合[6]。MQTT有3種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：至多一次、至少一次和只有一次。其中只有一次方式非常適合數(shù)據(jù)集采APP中各個模塊間的通信，任務(wù)調(diào)度模塊發(fā)給管理通道的報文保證管理通道能夠收到，返回的報文也能保證任務(wù)調(diào)度模塊能夠收到，從而保證了模塊間的同步。

2.2 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)集采APP需要具備同時與運(yùn)檢類APP和營銷類APP的交互能力，同時還要防止相同任務(wù)反復(fù)執(zhí)行，造成通道或設(shè)備阻塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集執(zhí)行不成功，影響臺區(qū)智能終端功能的正常運(yùn)行。

為了解決這個問題，設(shè)計上采用數(shù)據(jù)中心思想，把任務(wù)方案和數(shù)據(jù)封裝一個單獨模塊處理，此模塊就是數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)與運(yùn)檢類APP和營銷類APP交互，這兩類APP把需要采集的數(shù)據(jù)組成任務(wù)方案發(fā)給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心接收后審查對比，重復(fù)的任務(wù)和無法執(zhí)行的任務(wù)直接回復(fù)否認(rèn)，不予存儲，保證數(shù)據(jù)采集正常運(yùn)行。任務(wù)調(diào)度模塊執(zhí)行任務(wù)方案時，不區(qū)分任務(wù)為哪類APP下發(fā)的，按照優(yōu)先級從高到低執(zhí)行，執(zhí)行后把數(shù)據(jù)發(fā)給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一處理，這樣可以保證相同數(shù)據(jù)的唯一性，并可以給兩類APP同時使用。臺區(qū)智能終端具有邊緣計算的能力，使用數(shù)據(jù)中心方式，能夠很好地為各種邊緣計算APP提供數(shù)據(jù)支撐。

3 模塊軟件設(shè)計

3.1 任務(wù)調(diào)度模塊設(shè)計

任務(wù)調(diào)度模塊主導(dǎo)著整個數(shù)據(jù)集采APP的運(yùn)行，此模塊啟動時，載入任務(wù)方案相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)包括采集設(shè)備信息、采集任務(wù)、普通采集方案，具體參數(shù)項見表1。其中采集設(shè)備信息內(nèi)的用戶類型是1～255的整數(shù)，其用途是根據(jù)設(shè)備類型、電力用戶類型和重點用戶情況綜合分類，在配置采集方案時可以實現(xiàn)不同用戶類型采集不同的數(shù)據(jù)，采集頻率和存儲深度也可以區(qū)分，滿足運(yùn)維和營銷的靈活數(shù)據(jù)采集的需求。

表1 任務(wù)調(diào)度模塊需要載入的任務(wù)方案

任務(wù)方案載入之后，輪詢?nèi)蝿?wù)、組織報文、發(fā)送報文、等待報文和解析報文，最后傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心，這是任務(wù)調(diào)度模塊的整體流程，詳細(xì)流程如圖2所示。所有任務(wù)每秒都輪詢一遍，保證任務(wù)狀態(tài)切換時間不超過1s，確保任務(wù)按時執(zhí)行和結(jié)束。

臺區(qū)智能終端的3種數(shù)據(jù)采集物理通道中RS 485通道和載波通道都存在報文收發(fā)失敗的情況，尤其載波通道，它容易受到電網(wǎng)電流、諧波和噪聲的影響，導(dǎo)致報文收發(fā)失敗的概率變大[7-11]。為了消除通道報文收發(fā)失敗造成采集失敗的情況，在任務(wù)調(diào)度模塊內(nèi)加入自動補(bǔ)抄功能。具體原理是每個任務(wù)開始采集數(shù)據(jù)時，先向數(shù)據(jù)中心查待抄數(shù)據(jù)項的存儲情況，然后只組織沒有存儲的數(shù)據(jù)項報文，去除不必要抄讀的報文，提高效率。通道管理模塊把所有要抄報文回復(fù)后，更新數(shù)據(jù)，判斷補(bǔ)抄輪次是否小于限制，若小于限制，則重新啟動此任務(wù)。若所有數(shù)據(jù)項全部抄回，則任務(wù)結(jié)束；若沒有全部抄回，則繼續(xù)補(bǔ)抄。當(dāng)補(bǔ)抄輪次達(dá)到限制，任務(wù)結(jié)束。具體自動補(bǔ)抄流程如圖3所示。

圖2 任務(wù)調(diào)度模塊整體運(yùn)行流程圖

圖3 任務(wù)調(diào)度模塊自動補(bǔ)抄流程圖

3.2 串口模塊設(shè)計

按照數(shù)據(jù)集采APP的整體設(shè)計，串口模塊需具備報文轉(zhuǎn)發(fā)和管理功能：

1）任務(wù)調(diào)度模塊請求抄讀的報文，此模塊按照轉(zhuǎn)發(fā)請求發(fā)到對應(yīng)RS 485通道或RS 232通道，串口參數(shù)可配。

2）按照等待時間，等待通道對應(yīng)的設(shè)備回復(fù)報文，設(shè)備回復(fù)超時，回復(fù)任務(wù)調(diào)度模塊為空報文。

3）支持任務(wù)調(diào)度模塊批量請求抄讀報文，并按優(yōu)先級從高到底執(zhí)行。

4）串口模塊管理的所有RS 485通道和RS 232通道能夠?qū)崿F(xiàn)并行收發(fā)，使采集效率達(dá)到最大化。

基于以上4個具體功能，圖4為串口模塊接口的詳細(xì)定義。

圖4 串口模塊接口定義

另外兩個通道管理模塊雖然管理的通道類型不同，但設(shè)計思路與串口模塊一致，并且與任務(wù)調(diào)度模塊的接口一致，使用JSON格式。故此文不再對載波模塊和交采模塊做詳細(xì)介紹。

4 測試驗證

按照以上整體和分模塊的設(shè)計，在Linux下編寫代碼，搭建數(shù)據(jù)集采APP，然后在一個典型的使用環(huán)境中驗證此APP的功能。選定的配電臺區(qū)中需要采集的設(shè)備信息見表2。

針對以上設(shè)備數(shù)據(jù)采集有多種方式，但為了驗證數(shù)據(jù)集采APP的功能，配置以下4個基本采集任務(wù)。

1）所有電表和交流采樣的日凍結(jié)任務(wù)，數(shù)據(jù)項有正向有功電能示值和反向有功電能示值。

表2 配電臺區(qū)需要采集的設(shè)備信息

2）三相表的15min曲線任務(wù)，數(shù)據(jù)項有三相電壓、電流和有功功率。

3）單相表的1h曲線任務(wù)，數(shù)據(jù)項有單相電壓和電流。

4）斷路器和電容器的實時數(shù)據(jù)采集任務(wù)，數(shù)據(jù)項有投合狀態(tài)、電壓和電流。

設(shè)備信息和采集任務(wù)配置后，數(shù)據(jù)集采APP按配置任務(wù)自動抄表，采集數(shù)據(jù)后傳到數(shù)據(jù)中心，通過698.45維護(hù)軟件和104維護(hù)軟件召測的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表3和表4。

表3 交流采樣和部分電表日凍結(jié)數(shù)據(jù)

通過表3的數(shù)據(jù)可知，交流采樣數(shù)據(jù)在00:00:05就采集并存儲完成，電表的日凍結(jié)在00:05:00之后才陸續(xù)采集回來，是由于電表的日凍結(jié)任務(wù)延遲5min執(zhí)行，留出電表凍結(jié)數(shù)據(jù)的時間，確保一次采集成功率。表4是智能斷路器的實時數(shù)據(jù)，表中寫的是漏保，是因為漏保是智能斷路器的一種。

表4 斷路器實時數(shù)據(jù)

通過測試驗證，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)集采APP能夠采集整個配電臺區(qū)的設(shè)備數(shù)據(jù)，并能根據(jù)任務(wù)靈活配置，達(dá)到臺區(qū)智能終端的微應(yīng)用APP的需求。

5 結(jié)論

根據(jù)臺區(qū)智能終端的數(shù)據(jù)采集需求，本文設(shè)計了一種能對智能配電臺區(qū)所有設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)集采的APP，在實際現(xiàn)場應(yīng)用中，此APP能夠采集設(shè)備的電壓、電流、電能示值、低壓智能斷路器和電容器的狀態(tài)等，同時可以通過數(shù)據(jù)中心把數(shù)據(jù)上送到營銷和運(yùn)檢的主站中，解決了臺區(qū)智能終端所有設(shè)備數(shù)據(jù)集采和數(shù)據(jù)上送的難題。遵循此APP的設(shè)計方案，方便擴(kuò)展接入水表、氣表、熱表、局放、水侵和煙感等感知設(shè)備，可以支撐智能配電臺區(qū)朝著全面感知和分級智能的方向發(fā)展[12]。本文設(shè)計的APP是根據(jù)補(bǔ)抄周期和次數(shù)的方式進(jìn)行自動補(bǔ)抄的，還有另一種方案是補(bǔ)抄一輪，優(yōu)先級降低一級，但不限制補(bǔ)抄次數(shù)，這種方式理論上更能保證數(shù)據(jù)采集的成功率，但需要以后的實驗驗證。

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Design and implementation of data collection APP for smart distribution transformer terminal

TIAN Xingxing LI Longlong WANG Rui

(CSG Smart Science&Technology Co., Ltd, Hefei 230088)

The intelligent terminal in the power distribution station is an edge device in the intelligent Internet of Things (IoT), which meets the needs of high-performance concurrency, mass storage, and multiple collections. It integrates functions such as information gathering of power supply, data collecting of energy meter, and condition monitoring of equipment in the power distribution station. Aiming at the needs for various data collection in the intelligent terminal, an APP is designed to realize accurate and timely data collection. It, through task configuration, collect and upload the different data of the equipment in the entire power distribution station to data center on time. This APP can avoid read/write channel conflicts, repeated collection of the same data, etc., thus improving the data collection performance of smart distribution transformer terminal.

smart distribution transformer terminal；data collection；data center

2020-06-24

2020-07-30

田星星（1987—），男，安徽省亳州市人，學(xué)士，助理工程師，主要從事智能配電網(wǎng)相關(guān)設(shè)備研發(fā)工作。