郝洪星, 李剛, 汪亮, 陳雅倫，張翔宇

(1． 南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學研究院)，江蘇 南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 400000)

0 引 言

在國家電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)建設快速發(fā)展的環(huán)境下，當前在運電能計量裝置的總量達到億級，新型智能電能表、采集終端、互感器、計量箱等產(chǎn)品大量推廣應用，計量裝置技術(shù)水平大幅提升，有效提升了國家電網(wǎng)公司精益化管理水平。然而電能計量裝置是供用電雙方貿(mào)易結(jié)算的法律依據(jù)，其計量結(jié)果直接關系到雙方貿(mào)易結(jié)算是否公平公正合理[1-2]，因此對電能計量裝置進行全面監(jiān)督和高效管理，保證電能計量裝置的科學、可靠和準確，提升電能計量裝置品質(zhì)管理的規(guī)范化、標準化水平，為電能計量裝置的運維、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。

在電能計量裝置相關技術(shù)領域，國內(nèi)開展了大量的研究和實踐。目前，國家電網(wǎng)公司頒布了電能計量裝置管理的相關規(guī)程、標準和規(guī)范[3]，計量管理部門依據(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量裝置各相關部門，不能實現(xiàn)信息集中和共享，無法將電能計量裝置關聯(lián)設備的設備質(zhì)量、設備配置和設備運行等相關數(shù)據(jù)有效集成和充分利用。文獻[4-7]在分析運行電能計量裝置運維現(xiàn)狀的基礎上，提出了對運行中的電能計量裝置進行狀態(tài)評估的必要性和解決措施，但是沒有完整監(jiān)測電能計量裝置的運行情況，電能計量裝置整體運維、改造和輪換工作缺乏有效的技術(shù)評估手段，沒有相關科學指導的數(shù)據(jù)支撐，導致計量專業(yè)整體運營管理能力不足。

本文對當前電能計量裝置的管理發(fā)展狀況進行深入的調(diào)研，以評價模型為基礎，并對關鍵技術(shù)進行了詳細深入的研究，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)處理問題，實現(xiàn)了電能計量裝置品級評價管理。采用數(shù)據(jù)集成管理、配置管理、運行管理和智能決策管理，完成評價模型和統(tǒng)計分析，并將相關告警實時通報，解決了計量點關聯(lián)設備數(shù)據(jù)分散、計量裝置評估手段薄弱的問題。

1 電能計量裝置品級評價管理系統(tǒng)設計思想

電能計量裝置由電能表、計量互感器、采集終端、計量箱(屏、柜)、低壓開關設備以及二次回路等組成。電能計量裝置品級評價是以評價模型為基礎，利用營銷業(yè)務應用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和計量生產(chǎn)調(diào)度平臺等營銷類信息系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)收集與實施載體，將電能表、計量用互感器、采集終端、計量箱(屏、柜)、低壓開關設備以及二次回路的基礎檔案和全壽命周期管理各環(huán)節(jié)影響產(chǎn)品質(zhì)量的信息進行快速、準確的收集、匯總，根據(jù)電能計量裝置的設備配置、設備質(zhì)量、運行環(huán)境、施工工藝和數(shù)據(jù)采錄方面建立評價模型并按其確定的公式進行計算處理，確定電能計量裝置品質(zhì)等級。評價結(jié)果可在實際工作中科學指導電能計量裝置的運維、改造和更換等工作，為電網(wǎng)公司的投資導向提供客觀依據(jù)。

電能計量裝置品級評價管理系統(tǒng)采用集中式的部署模式。以省級電網(wǎng)公司為單位，部署一套系統(tǒng)，設立集中的數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器和數(shù)據(jù)采集服務器，承擔全省信息的采集、存儲和業(yè)務應用等功能。系統(tǒng)建設采用分層的體系架構(gòu)建設，建立一個多層次的、松耦合的、具有高度的靈活性的企業(yè)級管理分析系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的體系架構(gòu)示意圖如圖1所示，業(yè)務架構(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)務架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)功能

電能計量裝置品級評價管理系統(tǒng)功能主要分為4部分：數(shù)據(jù)集成管理、配置管理、計量裝置運行管理和智能決策管理。

2.1 數(shù)據(jù)集成管理

數(shù)據(jù)集成是實現(xiàn)企業(yè)系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫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銷業(yè)務應用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和計量生產(chǎn)調(diào)度平臺等營銷類信息系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)收集與實施載體，通過接口將電能表、計量互感器、采集終端、計量箱(屏、柜)、低壓開關設備以及二次回路的基礎檔案和全壽命周期管理各環(huán)節(jié)影響產(chǎn)品質(zhì)量的信息抽取到計量操作數(shù)據(jù)存儲(ODS)。在抽取過程中這些數(shù)據(jù)與原業(yè)務系統(tǒng)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)之間的邏輯關系上都基本保持一致，極大降低了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的復雜性。

(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：在計量ODS中對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，主要操作包括：將各個應用系統(tǒng)的某個字段進行字段映射、若干個數(shù)值型字段進行字段運算、多個字段存儲進行字段合并；對重復記錄、違反自然規(guī)則或業(yè)務規(guī)則、違反外鍵規(guī)則、空值等數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清理。

(3)數(shù)據(jù)加載：首先將抽取并經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入到指標數(shù)據(jù)倉庫，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，因此對加載的數(shù)據(jù)進行重新排序的數(shù)據(jù)整理，最后對索引進行更新、刪除和重建等索引管理。

2.2 配置管理

配置管理包括評價模型配置、挖掘算法配置和告警配置。

(1)評價模型配置：通過圖形展示的方式實現(xiàn)對模型的創(chuàng)建和維護，并在圖形界面上展示當前各評價模型的狀態(tài)并對各模型進行操作。

(2)挖掘算法配置：配置XML支持的挖掘模型，通過解析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：針對電能計量裝置各個設備類別的特點，制訂告警規(guī)則維護信息，包括告警類型、閾值等，并設定評分等級。

2.3 計量裝置運行管理

對電能計量裝置以及各類設備的檔案、狀態(tài)、品級和告警進行綜合管理，包括計量裝置分布監(jiān)視、品級評價結(jié)果監(jiān)視、評價趨勢分析管理和評價告警信息管理。

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

(2)品級評價結(jié)果監(jiān)視：監(jiān)視全省計量裝置評價等級分布情況和各個等級的計量裝置的數(shù)量以及占比，通過逐級鉆取的方式展示地市計量點評價等級分布情況。

(3)評價趨勢分析管理：通過計量裝置最近一年的綜合得分、等級變化以及通過各種數(shù)據(jù)挖掘算法獲得的各類分析數(shù)據(jù)生成趨勢折線圖，評估計量裝置的狀態(tài)和品級。

(4)評價告警信息管理：系統(tǒng)同時將告警信息和相關的實時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，相關人員根據(jù)告警信息生成工單對計量裝置進行改造，并根據(jù)改造情況維護告警信息，以備服務質(zhì)量統(tǒng)計考核分析。

2.4 智能決策管理

在指標得分庫和基礎數(shù)據(jù)庫的基礎上對電能表、互感器、采集終端、計量箱(屏、柜)、開關以及二次回路現(xiàn)狀的品級評價得分進行綜合分析，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)合實際業(yè)務通過數(shù)據(jù)挖掘?qū)σ欢〞r間段內(nèi)需改造的設備進行統(tǒng)計，生成改造計劃，為投資決策提供依據(jù)。并將通過數(shù)據(jù)挖掘得到的最新報警信息和重要數(shù)據(jù)超出設定的告警限值產(chǎn)生的告警信息發(fā)送到實時告警窗口，并將告警信息按照告警級別以短信方式發(fā)送到相關人員手中，使運行管理人員能在第一時間作出反應。

3 關鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)集成技術(shù)

數(shù)據(jù)集成最核心的三項技術(shù)是數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和加載，這三個執(zhí)行步驟可以根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境特點調(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)集成過程中最困難的部分，在具體操作過程中，大部分要解決的技術(shù)難點集中在這一點[10-11]。電能計量裝置品級評價管理系統(tǒng)目前主要集成營銷業(yè)務應用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和計量生產(chǎn)調(diào)度平臺的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的復雜性、規(guī)模性、完整性，數(shù)據(jù)抽取采用全量抽取和增量抽取。具體操作準則如下：營銷業(yè)務應用系統(tǒng)和計量生產(chǎn)調(diào)度平臺中數(shù)據(jù)量很小和無法分離出的增量數(shù)據(jù)采用全量抽取，而計量生產(chǎn)調(diào)度平臺的檢定數(shù)據(jù)和用電信息采集系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)采用時間戳的增量抽取，在每一次抽取結(jié)束時記錄本次抽取時間戳字段的最大值，下一次抽取時抽取時間戳的值大于本次時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)倉庫系統(tǒng)的一個過程。其中關鍵技術(shù)如下：

(1)數(shù)據(jù)倉庫的加載任務很龐大，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，以達到盡量減少數(shù)據(jù)加載的時間。

(2)系統(tǒng)采用調(diào)用相關編程API對數(shù)據(jù)進行加載的實現(xiàn)途徑，這種方法應用靈活，但是需要基于API進行編程，并熟悉相關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，即若目標表存在，則將目標表先刪除后重新創(chuàng)建，若目標表不存在，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，即清空目標表所有數(shù)據(jù)，再添加新的數(shù)據(jù)到目標表中。

3.2 基于關鍵指標分析的電能計量裝置品級評價技術(shù)

電能計量裝置品級評價管理系統(tǒng)采集到大量的數(shù)據(jù)和信息，若能對這些數(shù)據(jù)有效地分析和處理，將能客觀評價和反映電能計量裝置運行質(zhì)量水平，幫助電網(wǎng)企業(yè)更好地進行運籌決策，為投資導向提供客觀依據(jù)。電能計量裝置的設備配置、設備質(zhì)量、運行環(huán)境、施工工藝和數(shù)據(jù)采錄這5個方面指標能綜合發(fā)現(xiàn)整個電能計量裝置的運行情況。通過對這些關鍵指標的綜合分析和評估，能從整體上了解當前電能計量裝置發(fā)展的狀況，能實時得到電能計量裝置運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救，從而實現(xiàn)電能計量裝置品級評價管理。

評價模型將影響因素分類分級，共分為四級指標。一級指標包括電能表、計量用互感器、采集終端、開關設備、計量箱(屏、柜)、接線安裝和二次回路共六類。二級指標按照不同設備的運行特征進行不同設置，包括設備配置、設備質(zhì)量、運行環(huán)境、施工工藝、數(shù)據(jù)采錄等。三、四級指標根據(jù)對設備運行的具體影響因素設置不同層級的評價項目。某一套電能計量裝置的總體評級模型如式(1)所示。

(1)

式中：Q為某一套電能計量裝置品級評價分值；Pi為該套電能計量裝置對應的部件的評價分值，其可能是電能表、計量用互感器、采集終端、計量箱(屏、柜)、低壓開關設備或接線安裝及二次回路中的一種或多種；Ki為該部件對應的權(quán)重系數(shù)。

(2)

式中：UIi為品級評價某一上級指標的評價分值；LIj為該上級指標對應包含的各項下級指標的評價分值;εj為該下級指標相應的權(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求服務的契約，是開發(fā)、管理和使用軟件組件的基礎，是組件同外界唯一的交互途徑[12]。本系統(tǒng)通過提供相應的接口集成其他數(shù)據(jù)挖掘算法，配置組件元信息，利用Java的注解和反射機制實現(xiàn)了算法組件功能，提高系統(tǒng)可擴展性。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)列表等相關信息。實現(xiàn)算法組件功能需要完成兩步:首先，通過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)接收組件通過參數(shù)描述信息傳遞的參數(shù)值，使系統(tǒng)能夠動態(tài)調(diào)用所添加的挖掘算法組件。

4 結(jié)束語

為滿足國家電網(wǎng)公司對電能計量裝置的業(yè)務需求，本文針對電能計量裝置存在的問題，設計了電能計量裝置品級評價管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)功能進行了實現(xiàn)。整個系統(tǒng)有效集中了電能計量裝置關聯(lián)的設備數(shù)據(jù)信息，提供了電能計量裝置整體運維、改造和輪換工作有效的技術(shù)評估手段，改善了運行電能計量裝置運維現(xiàn)狀，在宏觀和微觀層面給予相關科學指導的數(shù)據(jù)支撐，提高了計量專業(yè)整體運營管理能力。