岳 浩，吳義文，王 勇，張小龍，程 鑫

（安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

智能用電信息采集物聯(lián)終端（以下稱“智能用采終端”）是用電信息采集系統(tǒng)的樞紐設備，承擔著臺區(qū)電量數(shù)據(jù)采集、用電信息精準計量、數(shù)據(jù)管理以及轉發(fā)或執(zhí)行控制命令的核心任務。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，智能用采終端產業(yè)在國內逐漸興起，終端數(shù)量與采集信息量不斷增多，傳統(tǒng)用采終端完全依賴主站做出智能判斷與行動決策的交互模式，已無法滿足采集管控信息量日益增多的需求。面對電力行業(yè)對海量數(shù)據(jù)智能化實時處理的強烈需求，如果完全依賴主站集中分析處理電力系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)，不僅會造成主站網(wǎng)絡流量壓力過大，而且大量設備協(xié)同工作的實時性難以得到保證。為減小主站計算壓力，設計一種APP對智能用采終端所有采集任務進行統(tǒng)一分析、管理以及調度，允許終端自身分析運行狀態(tài)并做出智能決策的方案勢在必行。

1 需求分析

采集任務調度管理APP須支持以下功能：

（1）篩查冗余的采集任務，剔除冗余的采集方案或采集數(shù)據(jù)項；

（2）支持多級采集任務優(yōu)先級管理，支持按業(yè)務類型編排優(yōu)先級，抄表端口按照優(yōu)先級進行排序，確保高優(yōu)先級業(yè)務優(yōu)先執(zhí)行；

（3）執(zhí)行采集任務前，先從數(shù)據(jù)中心查詢該數(shù)據(jù)項是否已存在，如已存在（抄讀成功）不再重復抄讀，避免浪費端口資源；

（4）為提高采集效率，采集數(shù)據(jù)支持本地緩存功能，按需或定時將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)中心；

（5）采集數(shù)據(jù)對外提供數(shù)據(jù)庫接口和消息訂閱接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；

（6）可接收主動上報數(shù)據(jù)或事件，按需將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)中心。

采集任務調度管理APP負責所有采集任務的管理，對采集任務的配置執(zhí)行相應抄表過程，通過本地抄表模塊管理APP進行抄表，將數(shù)據(jù)采集結果存儲到數(shù)據(jù)中心，與高級APP實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2 系統(tǒng)整體架構

2.1 平臺整體架構

采集任務調度管理APP處于邊緣計算APP容器中，負責對通過本地抄表模塊完成數(shù)據(jù)采集的采集任務進行分析、管理以及調度，由采集任務調度管理APP完成采集任務的執(zhí)行，并將采集結果存儲到數(shù)據(jù)中心供各業(yè)務APP或邊緣計算APP查詢。平臺整體架構如圖1所示。

圖1 平臺架構

2.2 業(yè)務架構

采集任務調度管理APP通過時間觸發(fā)或者命令觸發(fā)生成自動抄表任務和透明傳輸任務，執(zhí)行抄表流程；抄表通道分載波通道和485通道，采集任務調度管理APP負責對通過本地抄表APP或者485通道完成數(shù)據(jù)采集的采集任務進行分析、管理以及調度。有抄表需求的業(yè)務APP，將抄表任務配置到數(shù)據(jù)庫APP，由采集任務調度管理APP完成采集任務的優(yōu)化和執(zhí)行，調用采集規(guī)約進行組幀和解幀，并將采集結果存儲到數(shù)據(jù)中心供各業(yè)務APP或邊緣計算APP查詢。APP的業(yè)務架構如圖2所示。

圖2 業(yè)務架構

3 系統(tǒng)設計方案

采集任務調度管理APP啟動后首先在系統(tǒng)管理APP中進行注冊，建立與消息中心的鏈路。注冊完成后從數(shù)據(jù)中心循環(huán)讀取采集方案和采集任務，進行冗余篩查，去除重復的采集方案或者采集數(shù)據(jù)項，最終形成統(tǒng)一的采集任務集合。采集任務調度管理APP上電或者收到參數(shù)變更通知時讀取一次采集方案和采集任務。

采集任務調度管理APP對采集任務集合進行優(yōu)先級管理，確保高優(yōu)先級任務優(yōu)先執(zhí)行。達到采集任務開始周期時任務啟動，首先從數(shù)據(jù)中心中查詢需要采集的數(shù)據(jù)項是否已存在，如果存在則無須抄讀，如果不存在則進行抄讀。組成抄表幀下發(fā)至本地通信管理APP進行抄表。抄表完成后先將數(shù)據(jù)記錄在緩沖區(qū)，按需或者定時將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)中心；采集任務調度管理APP還可支持本地通信管理APP主動上報的數(shù)據(jù)或者事件，按需將這部分數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)中心。

3.1 任務管理模塊

采集任務調度管理APP負責所有采集任務的管理，通過采集任務的配置執(zhí)行相應的抄表過程。APP上電時從數(shù)據(jù)中心讀取所有采集任務，按照一定條件進行篩選，加入到任務隊列中，例如去除無效的任務；再對任務按照優(yōu)先級進行排序，確保優(yōu)先級高的任務優(yōu)先執(zhí)行。

3.1.1 任務隊列建立

采集任務調度管理APP啟動時從數(shù)據(jù)中心讀取所有采集任務，進行初步的篩查，剔除無效的任務，讀取每個任務對應的采集方案，對其進行參數(shù)解析后加入到任務列表中。當采集任務調度管理APP收到采集任務變更的消息后，重新進行上述操作，更新采集任務列表，否則任務列表保持不變。

3.1.2 任務狀態(tài)管理

每個采集任務都具有四種狀態(tài)：無效、有效、激活以及完成。每個任務按照所處的狀態(tài)進行統(tǒng)一調度，具體如下：

（1）無效：任務配置為“停用”狀態(tài)，任務不可執(zhí)行；

（2）有效：任務配置為“啟用”狀態(tài)，須按配置周期執(zhí)行；

（3）激活：任務滿足執(zhí)行條件（開始時間、結束時間、延時等），但任務配置的數(shù)據(jù)項未全部抄讀完成；

（4）完成：任務配置的數(shù)據(jù)項抄讀成功率100%或者任務超過執(zhí)行周期。

狀態(tài)切換規(guī)則如下：

（1）有效與無效：兩種狀態(tài)的切換通過任務參數(shù)配置完成；

（2）有效與激活：根據(jù)任務配置參數(shù)，滿足運行條件后執(zhí)行，從有效切換至激活狀態(tài)，清除所有任務執(zhí)行狀態(tài)標記，激活狀態(tài)不能切換至有效狀態(tài)；

（3）激活與完成：當此任務抄讀成功率為100%，或者任務超過執(zhí)行周期，轉為“完成”狀態(tài)；

（4）完成與激活：按配置周期，滿足運行條件后執(zhí)行，從完成切換至激活狀態(tài)。

3.1.3 任務優(yōu)先級管理

采集任務調度管理支持255個任務、256種優(yōu)先級，可以多個任務同一優(yōu)先級。當優(yōu)先級相同時，按照任務序號順序執(zhí)行。通過對任務隊列的排序進行任務優(yōu)先級的管理。

采集任務的執(zhí)行須按照表計檔案的配置端口分別進行管理，可以按照端口并發(fā)執(zhí)行。如果某一端口配置的表計，其高優(yōu)先級采集任務全部執(zhí)行完成，可以繼續(xù)執(zhí)行低優(yōu)先級任務，與其他端口的高優(yōu)先級采集任務狀態(tài)無關。采集任務排序流程如圖3所示。

圖3 采集任務排序流程

功能實現(xiàn)程序如下：

3.2 抄表管理模塊

3.2.1 數(shù)據(jù)項抄讀

抄讀數(shù)據(jù)項的流程如下：

（1）采集任務調度管理APP可連續(xù)發(fā)送多條抄讀命令，然后等待上報數(shù)據(jù)。如果某數(shù)據(jù)項在超時時間內未有任何響應，表示此數(shù)據(jù)項抄讀失?。ㄎ错憫?，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)項抄讀流程

（2）對于連續(xù)多次都無響應的表計，不再抄讀，直接切表；在一個任務執(zhí)行周期內，所有表計全部請求完成后，須將所有未響應的數(shù)據(jù)項狀態(tài)清零，再次請求抄讀。

（3）如果表計回復否認，將此數(shù)據(jù)項加入不支持數(shù)據(jù)列表，后續(xù)將不再抄讀此數(shù)據(jù)，然后抄讀下一個數(shù)據(jù)項。

（4）如果表計正常返回，保存數(shù)據(jù)。

3.2.2 補抄功能設計

終端上電或者首次下發(fā)檔案，判斷是否需要補抄。如果需要補抄，將需要補抄的表計及數(shù)據(jù)項存入補抄信息的私有文件；每輪任務抄表結束后，將該任務中抄表失敗的表計數(shù)據(jù)項存儲到私有文件中。補抄任務運行時檢測文件并讀取文件中需要補抄的信息，進行補抄任務。每輪抄表過程中，只有未響應的表計數(shù)據(jù)項需要存儲到補抄文件中，如果表計明確回復不支持，則不需要進行補抄。補抄執(zhí)行優(yōu)先級最低，在所有正常任務執(zhí)行完成之后才啟動補抄任務。

3.3 事件上報功能設計

當采集任務調度管理接收到本地通信管理APP上報的事件數(shù)據(jù)時，將上報數(shù)據(jù)轉換成規(guī)定的存儲格式存儲到數(shù)據(jù)中心，供高級APP讀出后上報給主站，關鍵程序如下：

4 測試驗證

按照以上整體和分模塊的設計，在Linux開發(fā)環(huán)境下編寫代碼，搭建采集任務調度管理APP；然后在一個典型的使用環(huán)境中驗證此APP的功能。選定的用電臺區(qū)中需要采集的設備信息見表1所列。

表1 臺區(qū)智能用采物聯(lián)終端需采集的設備信息

針對以上設備數(shù)據(jù)采集有多種方式，但為了驗證采集任務調度管理APP的功能，配置以下4個基本采集任務：

（1）所有電表和交流采樣的日凍結任務：數(shù)據(jù)項包含正向有功電能示值和反向有功電能示值。

（2）三相表的15 min曲線任務：數(shù)據(jù)項包含三相電壓、電流和有功功率。

（3）單相表的1 h曲線任務：數(shù)據(jù)項包含單相電壓和電流。

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

設備信息和采集任務配置后，采集任務調度管理APP按配置任務自動抄表，采集數(shù)據(jù)后傳到數(shù)據(jù)中心。通過698.45維護軟件和104維護軟件召測的部分數(shù)據(jù)見表2和表3所列。

表2 交流采樣和部分電表日凍結數(shù)據(jù)

通過表2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，電表的日凍結在00:05:00之后才陸續(xù)采集回來。這是由于電表的日凍結任務延遲5 min執(zhí)行，留出電表凍結數(shù)據(jù)的時間，確保一次采集成功率。表3是智能斷路器的實時數(shù)據(jù)，其中漏保是一種智能斷路器。

表3 智能斷路器實時數(shù)據(jù)

通過測試驗證，本文設計的采集任務調度管理APP能夠采集整個用電臺區(qū)的設備數(shù)據(jù)，并能根據(jù)任務靈活配置，實現(xiàn)臺區(qū)用采設備物物相連，滿足智能用采物聯(lián)終端的微應用APP的需求。

5 結 語

針對智能用采物聯(lián)終端多任務并發(fā)、多采集對象、多數(shù)據(jù)類型的新業(yè)務需求，本文設計了一種能對智能用電臺區(qū)所有設備進行采集任務調度管理的APP。在實際現(xiàn)場應用中，此APP能夠采集設備的電壓、電流、電能示值、低壓智能斷路器等；同時可以通過數(shù)據(jù)中心把數(shù)據(jù)上送到主站中，解決多級采集任務管理困難、抄讀通道沖突、同一數(shù)據(jù)重復采集等問題，提高了臺區(qū)智能用采物聯(lián)終端的數(shù)據(jù)集采性能，能夠支撐智能用電臺區(qū)朝著物物相連、全面感知和分級智能的方向發(fā)展。