面向電網(wǎng)協(xié)同業(yè)務(wù)場景的數(shù)據(jù)全鏈路檢測研究

李學(xué)齡,崔 焱,柴雁欣

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司平臺安全分公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力數(shù)據(jù)的規(guī)模急劇增加。電力行業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，電力行業(yè)的發(fā)展依賴于高效的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主要?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用之處[1]，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將電網(wǎng)中的各種設(shè)備連接起來，從而形成智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的突出特點(diǎn)是具有智能檢測功能，依賴智能交互、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的處理[2]。國內(nèi)外電力企業(yè)在這方面進(jìn)行了大量的投入，并逐漸積累了許多經(jīng)驗(yàn)和成果。美國郵政電力公司通過數(shù)據(jù)中心對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行資源整合，完成不同層級的業(yè)務(wù)交互，并對電網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行完整的運(yùn)營決策[3]。英國國網(wǎng)公司基于數(shù)據(jù)鏈路的融合與實(shí)時(shí)電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，對電能服務(wù)進(jìn)行有效的調(diào)度和預(yù)測，為公司的電費(fèi)價(jià)格機(jī)制和業(yè)務(wù)場景實(shí)現(xiàn)提供輔助研判手段[4]。而在國內(nèi)：華東電網(wǎng)集團(tuán)對電網(wǎng)軟件的數(shù)據(jù)整合能力進(jìn)行提升，通過其商業(yè)智能(business intelligence，BI)系統(tǒng)智能化地監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為電力供應(yīng)提供保證[5]；南方電網(wǎng)集團(tuán)采用集團(tuán)的系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品(system applications and products，SAP)平臺對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合管理，并逐漸搭建企業(yè)級的數(shù)據(jù)倉庫平臺，檢測電網(wǎng)業(yè)務(wù)的接口，提升服務(wù)能力[6]。

本文采用Web開發(fā)技術(shù)，針對電網(wǎng)業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)全鏈路檢測問題進(jìn)行研究，著重解決行業(yè)面臨的信息化規(guī)劃不統(tǒng)一、重復(fù)功能建設(shè)的痛點(diǎn)，對提升電力數(shù)據(jù)的各個(gè)分離系統(tǒng)協(xié)作、核心數(shù)據(jù)的橫向流動(dòng)具有積極的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循模塊化原則、可靠性原則以及擴(kuò)展性原則[7]。模塊化原則要求各功能塊具有高聚合性及良好的封裝性。各功能塊之間通過接口進(jìn)行交互?？煽啃栽瓌t保證開發(fā)技術(shù)的成熟性[8]，同時(shí)也是對電網(wǎng)業(yè)務(wù)安全、可靠運(yùn)行的必要性原則。而擴(kuò)展性原則是對電網(wǎng)運(yùn)營業(yè)務(wù)的后續(xù)擴(kuò)展采取交互接口的預(yù)留措施[9]。通過這些接口，可以方便地對各個(gè)功能進(jìn)行升級和擴(kuò)充，以便后續(xù)程序的應(yīng)用擴(kuò)展。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，B/S)模式和服務(wù)器/客戶機(jī)(client/server，C/S)模式相結(jié)合的方式。運(yùn)維人員的操作交互功能基于B/S的網(wǎng)絡(luò)交互模式，主要是用Web瀏覽器進(jìn)行業(yè)務(wù)通信。而電力企業(yè)的電網(wǎng)調(diào)度平臺、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)等電網(wǎng)運(yùn)維軟件的交互功能則是基于C/S的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

客戶端通過公司業(yè)務(wù)網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器進(jìn)行交互。Web服務(wù)器與實(shí)時(shí)通信服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)Web服務(wù)器的訪問請求，對SCADA系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)度平臺等軟件實(shí)行數(shù)據(jù)采集和反饋。

全鏈路檢測系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程也是以數(shù)據(jù)為核心設(shè)計(jì)的。數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)從數(shù)據(jù)源開始，經(jīng)歷數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)分析模型以及統(tǒng)計(jì)計(jì)算等環(huán)節(jié)[10]。其設(shè)計(jì)邏輯的總體架構(gòu)可以劃分成三個(gè)層次，依次是數(shù)據(jù)層、邏輯層和展示層[11]。三個(gè)層次之間既是邏輯上的組合，又存在交互依賴的關(guān)系，對整體的邏輯架構(gòu)進(jìn)行支撐。全鏈路數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)邏輯如圖2所示。

數(shù)據(jù)層維護(hù)操作數(shù)據(jù)存儲，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能。邏輯層對應(yīng)邏輯處理組件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算挖掘。展示層則是邏輯結(jié)果的可視化體現(xiàn)，展示各個(gè)組件的Web頁面，對數(shù)據(jù)結(jié)果以報(bào)表的形式進(jìn)行反饋。

2 功能子模塊設(shè)計(jì)

2.1 交互設(shè)計(jì)

目前，電網(wǎng)數(shù)據(jù)的全鏈路檢測功能是通過電網(wǎng)公司已布署的管理平臺軟件來實(shí)現(xiàn)的。這類管理平臺軟件一般是電網(wǎng)調(diào)度平臺、SCADA系統(tǒng)、GIS、AGC等[12]。全鏈路檢測功能依靠跨平臺的交互進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)需求分析，研發(fā)人員確定交互數(shù)據(jù)的類型和來源。全鏈路檢測功能模塊顯示的數(shù)據(jù)狀態(tài)包括負(fù)荷率、供電效率、容量信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)以及電功率的峰谷值等。

數(shù)據(jù)交互功能主要是依靠異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的共享服務(wù)機(jī)制，在各平臺的接口增加共享服務(wù)接口。Web服務(wù)器通過后臺交互服務(wù)與實(shí)時(shí)通信服務(wù)器進(jìn)行通信交互[13]。采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信技術(shù)，由服務(wù)器進(jìn)行接收。Web服務(wù)器的跨平臺通信基于傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)[14]，依靠Socket套接字進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互功能框架如圖3所示。

2.2 功能設(shè)計(jì)

對于全鏈路數(shù)據(jù)檢測的功能設(shè)計(jì)，依照數(shù)據(jù)系統(tǒng)所要求的功能進(jìn)行拆分與封裝，從而對各個(gè)模塊化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)系和組合。面對各個(gè)協(xié)同業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)全鏈路的檢測系統(tǒng)可以從供電能力檢測、運(yùn)行效率檢測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測四個(gè)方面入手。供電能力檢測模塊囊括了供電系統(tǒng)、變電站、主設(shè)備的負(fù)荷檢測，同時(shí)也包含電力設(shè)施的輕載和過載的分布檢測能力。運(yùn)行效率檢測除了上述的電力設(shè)施檢測之外，還有片區(qū)的預(yù)警、業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)度預(yù)警和均衡度檢測等子模塊。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析包含數(shù)據(jù)全鏈路中設(shè)備的關(guān)聯(lián)分析、可用容量分析以及供電區(qū)域聚類分析等子模塊的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測功能是本檢測系統(tǒng)對各個(gè)軟件平臺的存儲數(shù)據(jù)的一致性判斷管理。該功能通過核查運(yùn)行數(shù)據(jù)和檔案數(shù)據(jù)的匹配程度，有助于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行規(guī)則下的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和錯(cuò)誤明細(xì)。整體功能設(shè)計(jì)劃分如圖4所示。

3 全鏈路檢測功能實(shí)現(xiàn)與測試

3.1 數(shù)據(jù)庫布署

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用微軟公司的SQL Server 2015企業(yè)版作為主數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫在Web服務(wù)器進(jìn)行端口注冊和配置通信端口。Web服務(wù)器的布署采用獨(dú)立主機(jī)方式。在系統(tǒng)展示層布署Web數(shù)據(jù)展示頁面和HTTP訪問功能。數(shù)據(jù)庫采用IIS Internet Information Service組件搭建Web服務(wù)。數(shù)據(jù)庫的配置方式設(shè)置為Release模式。數(shù)據(jù)庫的協(xié)議類型設(shè)置為HTTP類型。數(shù)據(jù)庫的.NET CLR的版本設(shè)置為v4.5。數(shù)據(jù)庫的托管管道設(shè)置為CLASSIC模式。通過上述步驟，完成Web服務(wù)器主機(jī)的搭建。

Web服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)交互功能流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)交互的通信功能利用.NET平臺的定時(shí)器和TCP Socket套接字實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集周期用定時(shí)器的監(jiān)聽間隔來設(shè)置，通過事件觸發(fā)實(shí)現(xiàn)交互通信。代碼封裝在Web服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)交互功能Windows服務(wù)類的啟動(dòng)函數(shù)OnStart()中，同時(shí)在OnStop()函數(shù)中進(jìn)行定時(shí)器處理。

3.2 功能模塊實(shí)現(xiàn)

依據(jù)3.1節(jié)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)供電能力檢測功能模塊的界面。根據(jù)查詢時(shí)間或者查詢類型等查詢條件，界面可顯示查詢時(shí)間段內(nèi)供電區(qū)負(fù)荷的最大值、最小值以及平均值，并對電網(wǎng)公司的供電區(qū)用電負(fù)荷的數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行檢測。該界面通過Web頁面，以圖形化的方式進(jìn)行展示。

系統(tǒng)負(fù)荷和變電站負(fù)荷數(shù)據(jù)根據(jù)所選擇區(qū)域和時(shí)間，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，并在獲取之后利用amCharts組件顯示在客戶端的界面上。打開變電站負(fù)荷監(jiān)測功能的運(yùn)行頁面，可根據(jù)查詢條件，查到某一設(shè)備在變電站內(nèi)主變壓器的平均負(fù)荷值。Web頁面也會(huì)顯示最大負(fù)荷與最小負(fù)荷以及負(fù)荷均值等。通過該檢測方法可以看出設(shè)備類型和時(shí)間范圍。

系統(tǒng)運(yùn)行效率、設(shè)備協(xié)調(diào)度也以圖形化的形式進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)展示結(jié)果包括均衡度檢測和片區(qū)效率檢測、效率預(yù)警和協(xié)調(diào)度預(yù)警等信息。這些數(shù)據(jù)結(jié)果都是通過跨平臺交互獲取的電網(wǎng)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了更好地展示數(shù)據(jù)檢測結(jié)果，可利用儀表盤、柱狀圖等多種形式，讓功能模塊實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)表達(dá)更加清晰、直觀。系統(tǒng)運(yùn)行效率模塊可根據(jù)查詢操作，顯示出系統(tǒng)運(yùn)行效率、系統(tǒng)協(xié)調(diào)度、主設(shè)備運(yùn)行效率、主設(shè)備均衡度等界面。

以下對電網(wǎng)公司的各個(gè)業(yè)務(wù)運(yùn)營指標(biāo)關(guān)聯(lián)關(guān)系加以分析，采用影響度指標(biāo)界面進(jìn)行說明。系統(tǒng)按照電網(wǎng)管理人員提交的統(tǒng)計(jì)維度、統(tǒng)計(jì)年份、設(shè)備類型等條件，以電力設(shè)備的出廠日期作為橫軸、額定容量作為縱軸，對設(shè)備運(yùn)行效率進(jìn)行關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)。Web界面體現(xiàn)了影響度分析、關(guān)聯(lián)分析、可用容量分析、主設(shè)備對比分析、行政區(qū)聚類分析、供電區(qū)聚類分析、主設(shè)備聚類分析等功能。

電網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢測功能子模塊，是對電網(wǎng)運(yùn)營過程中的運(yùn)行類數(shù)據(jù)展開錯(cuò)誤核查，同時(shí)提供本系統(tǒng)和其他電網(wǎng)管理軟件之間數(shù)據(jù)一致性的核查功能。根據(jù)城市類型、設(shè)備類型和查詢時(shí)間等查詢條件，界面可顯示當(dāng)前的設(shè)備總數(shù)、存在問題的設(shè)備數(shù)量以及核查日期。同時(shí)，界面也會(huì)顯示核查規(guī)則。

3.3 系統(tǒng)測試分析

本數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)的測試采用LoadRunner自動(dòng)化測試工具。系統(tǒng)測試?yán)迷摴ぞ叩腎nternet Explorer測試模式實(shí)施，對系統(tǒng)的性能和功能進(jìn)行測試驗(yàn)證。在測試驗(yàn)證中，以系統(tǒng)功能模塊的檢測功能作為測試驗(yàn)證點(diǎn)，驗(yàn)證其功能響應(yīng)和Web數(shù)據(jù)界面的展示是否正確。全鏈路檢測系統(tǒng)的測試參數(shù)如表1所示。

表1 全鏈路檢測系統(tǒng)的測試參數(shù)表

由表1可知，全鏈路檢測對系統(tǒng)進(jìn)行了20 min的性能測試。通過4輪加壓訪問請求測試，每隔5 min增加15個(gè)并發(fā)量。在每次測試完成后，對系統(tǒng)Bug進(jìn)行修復(fù)，然后繼續(xù)測試驗(yàn)證系統(tǒng)功能。該測試直至功能表現(xiàn)達(dá)到要求為止。測試參數(shù)以及具體測試結(jié)果為：系統(tǒng)共進(jìn)行了4輪測試，分別檢測到的Bug數(shù)量為91個(gè)、23個(gè)、8個(gè)、3個(gè)；在第4輪測試過程，60個(gè)并發(fā)量同時(shí)發(fā)生，檢測系統(tǒng)的運(yùn)行均正常，系統(tǒng)對于網(wǎng)絡(luò)吞吐量的需求也得到了滿足。

4 結(jié)論

本文針對電網(wǎng)協(xié)同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)進(jìn)行分析。首先，本文在分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀之后，針對數(shù)據(jù)全鏈路檢測的整體架構(gòu)展開設(shè)計(jì)與探究。本文闡述了基于Web開發(fā)技術(shù)對通信交互和檢測功能的設(shè)計(jì)，對其中的功能子模塊問題進(jìn)行重點(diǎn)分析和研究。其次，本文通過對涉及生產(chǎn)專業(yè)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程進(jìn)行需求分析、功能模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)，以幫助業(yè)務(wù)部門解決實(shí)際生產(chǎn)工作中信息化規(guī)劃不統(tǒng)一、重復(fù)功能建設(shè)的痛點(diǎn)。然后，本文對整個(gè)數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)進(jìn)行效果實(shí)現(xiàn)，并通過amChart組件完成運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)的展示。最后，本文對實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)進(jìn)行性能測試驗(yàn)證，說明數(shù)據(jù)全鏈路檢測系統(tǒng)具有對電網(wǎng)協(xié)同業(yè)務(wù)場景的管理和檢測功能。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將原本需要人工手動(dòng)維護(hù)管理的相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)施，建立起自動(dòng)化的電網(wǎng)運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)并予以圖形化展示。在未來的研究中，對數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的采用是十分重要的研究方向，如將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理的輔助決策等。