臺區(qū)智能終端適應(yīng)智能配電臺區(qū)的發(fā)展應(yīng)運而生，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)的運行管控提供所需的數(shù)據(jù)和邊緣計算能力。

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：

• 規(guī)約類型多，主要有DL/T 645—1997/2007、Q/GDW 11778—2017和《剩余電流動作保護器通信規(guī)約》。
• 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)、無功補償器狀態(tài)和充電樁數(shù)據(jù)等。
• 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只負責采集數(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風險和適合項目團隊開發(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)。

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)度模塊負責從數(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，當任務(wù)處于運行時間中，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。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)反復執(zhí)行，造成通道或設(shè)備阻塞，導致數(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)中心負責與運檢類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，重復的任務(wù)和無法執(zhí)行的任務(wù)直接回復否認，不予存儲，保證數(shù)據(jù)采集正常運行。

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)度模塊主導著整個數(shù)據(jù)集采APP的運行，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，導致報文收發(fā)失敗的概率變大。

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后，更新數(shù)據(jù)，判斷補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)補抄。當補抄輪次達到限制，任務(wù)結(jié)束。具體自動補抄流程如圖3所示。

圖2 任務(wù)調(diào)度模塊整體運行流程圖

圖3 任務(wù)調(diào)度模塊自動補抄流程圖

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)備回復報文，設(shè)備回復超時，回復任務(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維護軟件和104維護軟件召測的部分數(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)b

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。本文設(shè)計的APP是根據(jù)補抄周期和次數(shù)的方式進行自動補抄的，還有另一種方案是補抄一輪，優(yōu)先級降低一級，但不限制補抄次數(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。

本文編自2021年第2期《電氣技術(shù)》，論文標題為“臺區(qū)智能終端數(shù)據(jù)集采APP的設(shè)計和實現(xiàn)”，作者為田星星、李龍龍 等。