臺區智能終端配用電數據新型存取方法

楊旭昕

（國網信息通信產業集團有限公司，北京 100053）

0 引 言

隨著源網荷儲協調互動發展迅速，新技術應用和新型業務終端接入日益廣泛，新的網絡邊界不斷涌現，配用電主站需要監測的臺區側數據量和數據密度急劇上升，導致主站側數據處理能力及遠程通信能力在未來面臨著重大壓力[1]。通常終端設備中的數據種類和處理方法有一定的共同規律，也有各自的特殊規律，使得嵌入式數據存儲系統不能像企業級數據庫那樣通用，而是有著很大的差異性[2]。此外，隨著存儲設備的改變，其數據的存取策略和方法也隨之改變，現有的數據庫存儲管理理論與技術主要是基于內存數據庫或基于磁盤存儲結構的大型商業數據庫，不適用于嵌入式數據庫系統[3]。

傳統的集中式數據庫可用性和可靠性較低，可擴展性差，無法滿足日益增長的數據存儲需求[4]。文獻[5]提出了一種基于安全容器技術實現邊緣計算的配用電一體化裝置，文獻[6]研究了面向電網的邊緣算力優化與分布式數據存儲處理模型。本文聚焦配電變壓器臺區側的邊緣計算能力提升，提出了一種新的適用于臺區智能終端的新型配用電數據存取方法。所提方法系統性的解決了數據存取的效率問題和設備掉電后的數據恢復問題。

1 數據交互機制

針對現有存取方案的不足，本文通過結合臺區智能終端搭載的容器技術及MQTT消息協議實現了可跨容器存取數據的消息交互機制。消息內容的格式參考選用了JSON數據格式，提供一致的數據庫接口，一方面屏蔽了通信協議的差異性，另一方面大大簡化了各類實時應用的開發，極大地提升了開發和運維的效率[7]。可跨容器存取數據的消息交互機制如圖1所示。

圖1 可跨容器存取數據的消息交互機制

其中，消息總線提供了發布和訂閱主題接口，主題接口須遵循數據存取方案的接口規范。按照配電及用電數據的特點，本數據存取方案制定了10種主題接口。

編寫數據的應用程序時需要注意的是，當容器1中應用程序的數據更新后調用總線發布數據更新請求，總線接收到更新請求后將其轉發至容器2，容器2負責數據存儲及管理，并將存儲結果通過消息總線反饋給容器1的應用程序。讀數據的應用程序需要注意的是，容器1的應用程序調用消息總線發布數據讀取請求，消息總線將讀取請求轉發至容器2，容器2接收到數據讀取請求后，按照請求讀取本地數據，并將讀取結果經由消息總線反饋至容器1的應用程序。

2 數據存取方案

臺區智能終端需存儲多類配用電數據信息，根據數據來源分為低壓電網模型臺賬數據、二次設備定值配置數據、電網運行數據、營銷采集數據以及邊緣計算結果數據等。按照模型統一和本地化自管理的數據管理原則，需建立唯一的數據管理與讀寫通道，并建立數據存儲自維護機制，以提高數據融合與采集的效率，降低管理難度。數據存取方案如圖2所示。

圖2 面向配用電數據特點的存取方案

其中，應用程序調用消息總線發送數據存取請求，消息處理模塊接收到總線轉發的數據存取請求后進行消息分類，并將請求消息轉發至相應的接口模塊繼續處理。接口模塊用于分類處理不同的存取需求，各接口處理完畢的數據會存放在內存中隨即繼續處理下一條消息，最大限度地提升了處理效率。按照配電及用電數據的特點，本數據存取方案制定了4種類型的接口交互模塊，具體如下。

模型管理接口中，模型名稱查詢接口和查詢結果反饋接口用于查詢已存儲的數據模型，模型刪除接口和刪除結果反饋接口用于移除已存儲的數據模型，具體如表1所示。模型交互接口中，模型設置接口和設置結果反饋接口用于建立新的設備數據模型，模型內容查詢接口和查詢結果反饋接口用于查詢設備模型具體數據信息，具體如表2所示。

表1 模型管理接口

表2 模型交互接口

設備管理接口中，設備查詢接口和查詢結果反饋接口用于查詢已完成實例化的設備信息，設備取消注冊接口和取消結果反饋接口用于移除已完成實例化的設備信息，具體如表3所示。設備交互接口中，設備注冊接口和注冊結果反饋接口用于實例化具體設備或虛擬設備，具體如表4所示。

表3 設備管理接口

表4 設備交互接口

參數交互接口中，參數查詢接口和查詢結果反饋接口用于查詢設備定值和配置參數，參數刪除接口和刪除結果反饋接口用于移除設備定值和配置參數，參數設置接口和設置結果反饋接口用于存儲設備定值和配置參數，具體如表5所示。

表5 參數交互接口

全數據交互接口中，全數據上報接口和全數據上報結果反饋接口主要用于定時向數據中心存儲設備的全數據；變化數據上報接口主要用于針對實時性要求較高的變化遙信及變化遙測類數據，將其及時轉發至主站；實時數據查詢接口和實時數據查詢結果反饋接口用于讀取設備的實時數據，可一次性讀取數據中心已存儲的全部數據，也可根據數據項、設備類型等方式進行精準定位讀取；歷史數據查詢接口和歷史數據查詢結果反饋接口用于讀取設備的歷史數據，可按照起止時間的時間段或存儲時間的時間段等方式讀取設備的歷史數據；SOE上報接口和SOE上報結果反饋用于存儲設備的SOE事件信息；SOE查詢接口和SOE查詢結果反饋用于讀取設備的SOE事件信息。具體如表6所示。

表6 數據交互接口

嵌入式環境下應當從全內存存儲及嵌入式系統的特點出發，數據庫管理系統應將內存數據庫以文件的形式備份在本地非易失性存儲器中，從而進行簡單、快速的數據庫備份和恢復[8]。常見的嵌入式數據庫，如Berkeley DB、SQLite等，雖然具備良好的數據管理能力，但是其架構和特性面向普通的嵌入式系統設計，在實時性和可靠性方面難以滿足配電及用電數據就地存取的要求[9]。本方案中數據管理模塊經過長期試驗和探索，綜合了文件與SQLite的優點，同時消除其單一使用的缺點。一方面是將緩存在內存中的實時數據在數據中心閑暇時復制到文件中保存，防止發生終端掉電或系統崩潰時導致數據丟失；另一方面是定時將緩存在內存中的實時數據寫入SQLite數據庫中，形成各類設備的歷史數據庫。

嵌入式實時數據庫系統的關鍵是數據模型的確立，它決定了數據被訪問和操作的方式，應用程序的性能和可靠性也大部分取決于此[10]。針對現有點表式數據存取方案下配用電數據模型不統一、模型不易擴展以及數據分類顆粒度較粗等問題，制定了圖3所示的數據存取原則。

圖3 數據存取原則

對于應用程序寫數據，在進行數據存儲時需要先調用設備模型交互接口，建立新的設備模型信息。建立好設備模型后再調用設備注冊接口，按照剛才建立的設備模型實例化需上報數據的設備，然后調用數據上報接口按照實例化的設備進行數據上報。其中設備模型在未發生變化時只需要建立一次，設備實例化只在接入新設備時才需要進行注冊。

對于應用程序讀數據，在進行數據讀取時需要先調用設備模型交互接口，查詢所需設備模型的具體模型信息，確定好設備模型后再調用設備注冊接口。查詢對應設備模型已實例化的具體設備，然后調用數據查詢接口查詢已實例化的設備數據信息。其中設備模型在未發生變化時只需要查詢一次，在未變更所需讀取的目標實例化設備時，設備注冊信息也只需查詢一次。

3 應用效果

實際應用場景中，文中提供的配用電數據的存取方法可在嵌入式設備臺區智能終端中實現，用于支撐營銷與配電的物聯網邊緣計算。該實現充分利用臺區智能終端的容器特點，安全且高效地存取配電及用電相關數據，解決了配用電數據需在配電變壓器臺區側的邊端跨容器就地存取問題。

目前，文中提供的配用電數據存取方法已應用在江蘇和山東等地多處臺區智能終端的試點現場。江蘇泰州某臺區試點拓撲如圖4所示，臺區智能終端接入了智能斷路器、SVG、無功補償裝置、換相開關以及智能電表等大量配用電設備，所有數據全部通過本文中提供的數據存取方案實現設備建模和數據就地存取交互的功能。在此基礎上，數據經邊緣計算后上送主站，實現了臺區的電能質量治理功能。主站數據展示截圖如圖5所示，經過試點現場長時間穩定運行，主站側數據展示真實、連貫且無斷點，體現了本方案在數據存取方面具有較好的穩定性及可行性。

圖4 江蘇泰州某臺區試點拓撲圖

圖5 主站數據展示截圖

4 結 論

本文提出了一種新的適用于臺區側配用電數據的存取方法，該方法在消息處理部分和數據存取部分，消息處理部分結合容器技術使用了MQTT消息協議作為消息總線的傳輸機制，消息內容的格式則采用了JSON數據交換格式來描述，實現了可跨容器的交互功能。在數據存取部分使用了內存存取加文件存取的方式作為實時數據的存取方式，不同于已有技術中使用配置文件映射關系指向型內存存取，且格式固定的方式，不需要應用程序進行二次數據處理，從而提高了數據存取的效率。同時歷史數據的存取方式則采用了SQLite數據庫，實現了數據的定時備份，避免了設備掉電后的數據難于恢復的問題。實際應用效果表明，所提方法安全、可靠且有效。