基于光纖通信的新式智能電能表數(shù)據(jù)采集架構(gòu)與實現(xiàn)

董永樂,李軒,余佳,張理放,白露薇

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院,呼和浩特 010020)

0 引 言

智能用電技術(shù)作為智能電網(wǎng)必不可少的組成部分,在供電、發(fā)電、輸變電等多個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。2009年,美國提出智能電網(wǎng)計劃,宣布美國家庭安裝智能電能表[1-3]。隨后,英法等各國也相繼提出電力系統(tǒng)智能化方案[4]。我國近年也推出了電力光纖的試點項目,為建設(shè)智能電網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)[5]。

智能電能表是智能電網(wǎng)系統(tǒng)的一種重要設(shè)備,基于智能通信管理和信息平臺,實現(xiàn)了遠距離自動化抄表采集數(shù)據(jù),取代了手動采集,提高了抄表效率和正確率,降低了人工成本[6-7]。我國學(xué)者針對智能電能表進行相關(guān)研究,文獻[8]簡述了遠程費控智能電能表的功能及其應(yīng)用價值;文獻[9]分析了新一代智能電能表的功能定位和設(shè)計需求;文獻[10]對智能電能表的關(guān)鍵部件進行了風(fēng)險評估 。傳統(tǒng)智能電能表受限于傳輸鏈路的復(fù)雜、通訊接入覆蓋深度不夠、以及電能表串口模塊自身技術(shù)等諸多因素的影響,仍然存在著數(shù)據(jù)傳輸效率低、數(shù)據(jù)采集指標(biāo)匱乏、設(shè)備在線率無法實施監(jiān)控等多種弊端。究其原因是現(xiàn)行電能表采集模式采用的是三層結(jié)構(gòu)體系,即電能表-集中器-主站系統(tǒng)。電能表作為用電的計量設(shè)備是電量信息數(shù)據(jù)的發(fā)起端,集中器類似于中間存儲,電能表通過電力線載波將數(shù)據(jù)凍結(jié)在集中器端,再通過2G無線通信信道發(fā)送到主站系統(tǒng)。由于集中器只是簡單的存儲中轉(zhuǎn)設(shè)備,不具備數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計功能,因此數(shù)據(jù)在集中器端并不能有效的得到控制和利用,同時也無法對電能表進行實施的監(jiān)控。三層結(jié)構(gòu)中的任何一層設(shè)備出現(xiàn)故障,其他兩層的設(shè)備均無法同時感知,例如:電能表部分出現(xiàn)故障,主站系統(tǒng)無法第一時間獲知;主站系統(tǒng)出現(xiàn)故障,集中器依舊會對電能表數(shù)據(jù)進行采集并凍結(jié),如果此時主站系統(tǒng)不及時對集中器數(shù)據(jù)進行提取,數(shù)據(jù)將會丟失。此外,由于儀表數(shù)據(jù)通過電力線載波傳輸?shù)郊衅?通過2G無線網(wǎng)絡(luò)上傳到主站,鏈路復(fù)雜、傳輸效率不高對數(shù)據(jù)指標(biāo)采集完整性有很大影響?，F(xiàn)階段主站系統(tǒng)采集的指標(biāo)僅僅能夠支撐日常業(yè)務(wù),大量的數(shù)據(jù)指標(biāo)無法得到采集,也阻礙了后期電力大數(shù)據(jù)的建設(shè)和發(fā)展。

在此背景下,文中提出了一種基于光纖傳輸和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集體系結(jié)構(gòu)方案,實現(xiàn)高并發(fā)采集百萬臺電能表數(shù)據(jù),達到數(shù)據(jù)實時傳輸、數(shù)據(jù)指標(biāo)定制化、設(shè)備在線率監(jiān)控等多種目的。

1 設(shè)計方案

新式數(shù)據(jù)采集架構(gòu)方案是在傳統(tǒng)智能電能表基礎(chǔ)上增加了以下幾部分模塊:光纖接入與光電轉(zhuǎn)換模塊、千兆以太網(wǎng)交換機、高速電力線載波數(shù)據(jù)模塊和相關(guān)接口模塊。通過光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)為可處理的電信號,經(jīng)過以太網(wǎng)交換機將一路以太網(wǎng)變?yōu)閮陕芬蕴W(wǎng),其中一路信號通過串口模塊進行交互采集電能表數(shù)據(jù)后返回到光模塊,將數(shù)據(jù)信息封裝成數(shù)據(jù)包通過光纖進行輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能光纖電能表使得海量電能表數(shù)據(jù)包可以通過光纖進行高速傳輸,在整體應(yīng)用架構(gòu)上分為五層,包括展現(xiàn)層、應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層,其中最核心的是應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層,智能電能表應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能電能表應(yīng)用架構(gòu)

展現(xiàn)層位于架構(gòu)的最頂層,直接與客戶進行業(yè)務(wù)交互,處理電能表數(shù)據(jù)的上報、采集、匯總、查詢統(tǒng)計等業(yè)務(wù)功能。

應(yīng)用層是處理系統(tǒng)業(yè)務(wù)的核心模塊,電能表數(shù)據(jù)的處理功能(查詢、計算、分析等)大部分位于這一層,該層的業(yè)務(wù)處理劃分為業(yè)務(wù)層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫層。

支撐層主要包含工作流、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計報表、權(quán)限認證,用于支撐整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)完善、數(shù)據(jù)規(guī)范嚴格、權(quán)限劃分嚴密等。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)存儲、交互、計算、同步數(shù)據(jù)的核心,建立安全、高效、實時交互的數(shù)據(jù)體系是采集平臺的重點任務(wù),在完成數(shù)據(jù)存儲統(tǒng)計計算等功能外,也為日后電表系統(tǒng)的信息化發(fā)展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

基礎(chǔ)層是整個平臺系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境,其中包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機房建設(shè)、存儲設(shè)備、安全設(shè)施。整個平臺系統(tǒng)從業(yè)務(wù)運行、數(shù)據(jù)管理、安全三個方面建立了完善了運行管理體系、數(shù)據(jù)規(guī)范體系和安全保障體系。具體核心設(shè)計如下。

1.1 通信接口設(shè)計

通過內(nèi)置通訊接口模塊與主站進行數(shù)據(jù)交互以及采集,接口規(guī)范以及通信協(xié)議由前置機和主站共同約定,形成統(tǒng)一的通訊標(biāo)準。前置機和主站共同約定如圖3所示。

圖3 前置機和主站共同約定

接口規(guī)范中約定了雙方通訊的協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸格式、數(shù)據(jù)存儲形態(tài)、數(shù)據(jù)指標(biāo)以及命令參數(shù)等。在數(shù)據(jù)傳輸安全性方面,采用非對稱加密方式對電能表數(shù)據(jù)進行一級加密解密,前置機與主站各保存私鑰以及對方的公鑰,用私鑰進行加密公鑰進行解密,如需提高安全級別,可以采用對稱加密的方式再次對私鑰與公鑰進行二級加密解密,確保數(shù)據(jù)通過接口傳輸?shù)陌踩?/p>

接口轉(zhuǎn)發(fā)層位于整個架構(gòu)的最下端,主要實現(xiàn)與供電公司的主站系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換,為主站系統(tǒng)分擔(dān)來自電能表的高并發(fā)請求,保證在光纖通訊的高速傳輸交互下業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常使用。通過基于Http協(xié)議的WebService接口,也可以通過基于TCP的遠程方法調(diào)用(RPC),同時還支持異步消息隊列的方式傳遞數(shù)據(jù),并可以控制與主站數(shù)據(jù)交互的頻率、指標(biāo)項以及數(shù)據(jù)量等。

1.2 負載均衡設(shè)計

當(dāng)面臨大量用戶訪問、高并發(fā)請求和不斷增加的數(shù)據(jù)量時,單臺機器的容量性能將達到極限。為了解決高峰時段用戶請求對服務(wù)器造成的壓力,在建設(shè)初期考慮業(yè)務(wù)拆分和分布式部署。在拆分應(yīng)用程序之后,它們被部署到不同的機器上,以實現(xiàn)大規(guī)模的分布式系統(tǒng)。分發(fā)和服務(wù)拆分解決了從集中到分發(fā)的問題,但是每個部署的獨立服務(wù)仍然存在單點和訪問統(tǒng)一門戶的問題。為了解決單點故障,采用冗余方法,將同一應(yīng)用程序部署到多臺機器上。為了解決統(tǒng)一入口的接入問題,可以在集群前增加負載均衡設(shè)備,實現(xiàn)流量分配。

負載均衡是指均衡負載(工作任務(wù)、訪問請求),并將其分配給多個操作單元(服務(wù)器、組件)執(zhí)行。它是高性能、單點故障(高可用性)和可擴展性(水平擴展)的終極解決方案。負載平衡原則:系統(tǒng)擴展可分為垂直(垂直)擴展和水平(水平)擴展?？v向擴展是從單臺機器的角度出發(fā),通過增加硬件處理能力,如CPU處理能力、內(nèi)存容量、磁盤等方面來增加服務(wù)器的處理能力,不能滿足大規(guī)模分布式系統(tǒng)(網(wǎng)站)、大流量、高并發(fā)性和海量數(shù)據(jù)等問題。因此,有必要采用橫向擴展的方式,通過增加機器來滿足大型網(wǎng)站服務(wù)的處理能力。例如,如果一臺機器不能滿足要求,將增加兩臺或多臺機器來分擔(dān)訪問壓力。這兩個應(yīng)用程序集群將同一個應(yīng)用程序部署到多臺機器上,形成一個處理集群,該集群接收由負載平衡設(shè)備分發(fā)的請求,對其進行處理,并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。負載均衡設(shè)備根據(jù)負載均衡算法向集群中的處理服務(wù)器分發(fā)用戶訪問請求(向服務(wù)器群集中的可用服務(wù)器分發(fā)網(wǎng)絡(luò)請求的設(shè)備)。負載均衡設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 負載均衡設(shè)計圖

負責(zé)均衡采用LVS+KeepAlived+Nginx組合實現(xiàn)。LVS是Linux Virtual Server的簡寫,意為Linux虛擬服務(wù)器,是虛擬的服務(wù)器集群系統(tǒng),可在UNIX/LINUX平臺下實現(xiàn)負載均衡集群功能,通過核心IP負載均衡技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換,將一組服務(wù)器構(gòu)建成一個高性能的虛擬服務(wù)器集群。

KeepAlived通過VRRP協(xié)議實現(xiàn)高可用功能,解決負載均衡集群中單點故障問題,保證集群的高可用性(HA)。通過測試發(fā)現(xiàn)以LVS+KeepAlived實現(xiàn)的負載均衡集群可以達到F5性能的60%～70%。

Nginx是一個高性能的HTTP和反向代理服務(wù)器,同時支持TCP長連接,是負載均衡與實時交互的連接層,負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)長連接請求到交互層。整個負載均衡層是實現(xiàn)應(yīng)對百萬臺終端請求高并發(fā)連接的核心。

采用Nginx作為HTTP負載平衡器,將流量分配到多個應(yīng)用服務(wù)器上提高性能,可擴展性和高可用性。解決了網(wǎng)站服務(wù)器對外可見的問題,提高了網(wǎng)站服務(wù)器的安全性,節(jié)約了有限的IP地址資源,后端服務(wù)器均可使用私有IP地址與代理服務(wù)器進行通信,加速了系統(tǒng)的訪問速度,減輕了真實Web服務(wù)器的負荷。

1.3 緩存系統(tǒng)設(shè)計

對于Web系統(tǒng)來說,大量的用戶請求不斷的與服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫進行交互,高并發(fā)、海量數(shù)據(jù)會給整個系統(tǒng)帶來嚴重的負荷,而與服務(wù)器請求的數(shù)據(jù)往往都是使用頻繁或是一些固定的資源如熱點數(shù)據(jù)(新聞、政策、時事)、靜態(tài)的圖片、文檔等,這些資源訪問頻率高、每次都從數(shù)據(jù)庫中獲取會給數(shù)據(jù)庫帶來不小的壓力,因此,設(shè)計一套完善的緩存機制可以有效提高整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問性能,減少延遲。因為請求是從緩存服務(wù)器(更靠近客戶機)而不是從源服務(wù)器發(fā)出的,所以這個過程花費的時間更少,從而使Web服務(wù)器看起來更快。減少網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗;客戶可以節(jié)省帶寬費用,控制帶寬的需求的增長并更易于管理。通常情況下,用戶與系統(tǒng)交互最高的資源是數(shù)據(jù),對于訪問以及使用頻率較高的數(shù)據(jù),如用戶信息、班組信息、日報數(shù)據(jù)等可以放入緩存(通常為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,內(nèi)存數(shù)據(jù)庫提供更快更高效的訪問性能)中,應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)時,先到緩存中取,如緩存中沒有或失效,再到數(shù)據(jù)庫中取出,重新寫入緩存以供下一次訪問。因此,可以很好地改善系統(tǒng)性能,提高數(shù)據(jù)讀取速度,降低存儲訪問壓力。緩存系統(tǒng)設(shè)計圖如圖5所示。

圖5 緩存系統(tǒng)設(shè)計圖

有時在高并發(fā)的情況下,讀操作要遠遠高于寫操作,用戶的寫操作請求要等待很長時間才能得到響應(yīng),嚴重影響了系統(tǒng)的性能,降低了客戶體驗。在設(shè)計緩存時,可以考慮將用戶的寫操作數(shù)據(jù)存入緩存中,在同步到數(shù)據(jù)庫中,避開系統(tǒng)訪問的高峰期。

1.4 實時交互設(shè)計

實時交互層是負責(zé)處理連接請求,與電能表實時交互數(shù)據(jù)的重要部件,位于負載均衡層之下,主要有應(yīng)用服務(wù)器集群組成,并通過分布式一致性框架Zookeeper實現(xiàn)統(tǒng)一配置和管理,實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)器集群組的動態(tài)擴容,并監(jiān)控每個應(yīng)用服務(wù)器的運行狀態(tài)以及連接負荷。整個應(yīng)用集群在邏輯上分為三部分。

一、數(shù)據(jù)實時交互處理,用于處理電能表連接請求交互數(shù)據(jù);

二、接口轉(zhuǎn)發(fā)層通路,用于傳遞數(shù)據(jù)到接口轉(zhuǎn)發(fā)層,屬于整個架構(gòu)體系中的內(nèi)部接口調(diào)用組件;

三、熱插拔擴展接口,由于數(shù)據(jù)前置主要實現(xiàn)的是負載請求,交互數(shù)據(jù)以及接口遠程調(diào)用等功能,并不對電能表數(shù)據(jù)進行處理,后期通過熱插拔擴展接口可以動態(tài)的實現(xiàn)第三方業(yè)務(wù)服務(wù),如數(shù)據(jù)分析加工處理服務(wù)、數(shù)據(jù)動態(tài)展示服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)等,實現(xiàn)動態(tài)整合集成到數(shù)據(jù)前置機中。

2 電能表系統(tǒng)功能及測試結(jié)果

該電能表除保持原有功能外,還新增以下新的功能。

2.1 基于光纖數(shù)據(jù)回傳的抄表功能

通過嵌入到電能表中的光纖傳輸模塊,將原電能表中通過電力線載波抄表的全部電能計量信息通過連接到電能表的高速光纖進行數(shù)據(jù)上傳,而不再采用過去信息經(jīng)電力線載波到集中器傳輸方式。這樣就徹底解決了今后移動網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準不斷變化帶來的電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式的更新?lián)Q代問題,大大節(jié)約了人力物力資源。

2.2 光纖高速寬帶上網(wǎng)接入功能

目前家庭上網(wǎng)主要采取運營商提供的光貓(光纖接入)或ADSL(電纜接入),通過家庭鋪設(shè)有線或無線WIFI方式組建家庭網(wǎng)絡(luò)需要預(yù)先家庭墻壁上進行布線施工或使用有一定輻射危害的大功率路由器?！皢蜗嘀悄苜M控網(wǎng)絡(luò)電能表”具備了中國移動運營商光纖寬帶接入功能,可以實現(xiàn)在同一入戶電能表下,通過低壓配電線(380 V/220 V用戶線)為家庭用戶提供高速上網(wǎng)功能,用戶通過房間任意電源插座連接的電力貓即可方便快速上網(wǎng)。

2.3 基于大數(shù)據(jù)的智能數(shù)據(jù)處理功能

需求側(cè)管理是指通過采取有效的激勵措施,引導(dǎo)電力用戶改變用電模式,提高終端用電效率,優(yōu)化資源配置,改善和保護環(huán)境,實現(xiàn)電力服務(wù)成本最小化而開展的電力管理活動。促進電力工業(yè)與國民經(jīng)濟和社會協(xié)調(diào)發(fā)展是一項系統(tǒng)工程。

結(jié)合大數(shù)據(jù)的技術(shù)優(yōu)勢和電力系統(tǒng)的應(yīng)用需求,發(fā)揮大數(shù)據(jù)的價值。從電能表到大數(shù)據(jù)處理平臺采集用戶用電數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)圖表等多種顯示方式對用電信息進行挖掘、分析和詳細比較。從而創(chuàng)造個性化的節(jié)電和節(jié)能策略,讓用戶真正感受到智能電網(wǎng)的互動性、信息化和自動化。

2.4 實驗測試方案及結(jié)果

為了測試新式智能電能表的數(shù)據(jù)采集功能的準確性,依據(jù)《電能量信息采集與監(jiān)控終端技術(shù)規(guī)范》,進行準確度測試,電能表誤差在1 %以內(nèi)。選取測試區(qū)321戶居民作為測試區(qū),安裝新式智能電能表,采用光纖通信進行采集數(shù)據(jù)。對整個測試區(qū)進行了10萬次不間斷采集測試,其中采集頻率最高可達0.5 s/次,測試結(jié)果100 %完全成功。

為了測試新式智能電能表的數(shù)據(jù)采集速率,對測試區(qū)所有電能表進行抄讀,最長耗時2.3 s,最短耗時0.7 s。分別采用100 Mbps上行速率測試全天24小時網(wǎng)線和Wi-Fi通信速率如圖6所示,其中網(wǎng)線下行速率平均可達82.90 Mbps,Wi-Fi通信速率可達37.44 Mbps。設(shè)備平均溫度51.21 ℃。

圖6 24小時數(shù)據(jù)采集圖

為了測試新式智能電能表高并發(fā)采集的性能,使用LoaderRunner 工具測試,模擬百萬個終端同時在線,測試時間 633分鐘,每秒處理事務(wù)平均數(shù) 1 758個,執(zhí)行用戶數(shù)成功率可達99.7 %,能夠完全達到設(shè)計指標(biāo)。

從測試結(jié)果可以看出,光纖遠程收集方案不僅大大提高了電能信息采集的成功率。尤其在并發(fā)采集上完全達到設(shè)計指標(biāo)。利用光纖遠程采集系統(tǒng)實現(xiàn)高速、實時的電力信息采集效率。同時與傳統(tǒng)方式相比,利用光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計可以提供雙向的高帶寬、更長的距離和更廣的覆蓋范圍,提供全業(yè)務(wù)的接入能力。在傳輸過程中,信號損耗小,傳輸過程不需要繼電器設(shè)備,且傳輸距離長,安全性高;作為一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò),完全避免了雷擊和電磁干擾的影響,非常適合在惡劣的自然條件下使用。

為了進一步提升采集成功率及出賬率,保障應(yīng)用數(shù)據(jù)的完整性、準確性,通過對采集數(shù)據(jù)進行智能分析,從而對采集數(shù)據(jù)合理性進行判別,提升采集數(shù)據(jù)質(zhì)量。在每個用戶前一年采集電量分析基礎(chǔ)上,形成預(yù)測下一階段的用電量最大值。針對每個用戶的用電量進行量化分析,找出該用戶用電規(guī)律,相對采用統(tǒng)一判斷規(guī)則更具有針對性,能兼顧不同類型用戶用電規(guī)律。支撐線損精細化、反竊電、在線監(jiān)測。

3 結(jié)束語

文中提出了一種應(yīng)對百萬臺智能電能表高并發(fā)采集的數(shù)據(jù)采集前置機方案,該方法基于光纖通信技術(shù)TCP/IP協(xié)議,從邏輯上將架構(gòu)分為三層,數(shù)據(jù)實時分布式采集配置項、資源協(xié)調(diào)服務(wù)中心配置項、數(shù)據(jù)存儲配置項,實現(xiàn)了電能表數(shù)據(jù)回傳抄表功能,高速寬帶上網(wǎng)接入功能實時數(shù)據(jù)傳輸和智能數(shù)據(jù)處理功能,測試結(jié)果表明新式智能電能表數(shù)據(jù)采集方案能夠完整地實現(xiàn)設(shè)計功能,執(zhí)行用戶數(shù)成功率可達99.7%,設(shè)備運行穩(wěn)定,網(wǎng)速測試結(jié)果滿意。該方法為光纖通信采集電能表數(shù)據(jù)提供了重要的基礎(chǔ)保證。