基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武 濤，翁同洋，傅維柱，姚 洋

（國(guó)網(wǎng)六安市城郊供電公司，安徽 六安 237000）

1 背景介紹

1.1 電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展情況

我國(guó)電力行業(yè)的起步較晚，經(jīng)過(guò)幾十年的研發(fā)奮進(jìn)，終于在某些層面趕上了世界發(fā)達(dá)國(guó)家的行業(yè)水平，但是電力數(shù)據(jù)采集這種需要依靠先進(jìn)技術(shù)改進(jìn)的系統(tǒng)發(fā)展非常有限，尤其是隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)以及智能電網(wǎng)的發(fā)展實(shí)施，更是加劇了電力數(shù)據(jù)采集的優(yōu)化迫切程度。目前，我國(guó)大部分電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)以及終端監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)都較為簡(jiǎn)單，具體表現(xiàn)在應(yīng)用范圍窄、適應(yīng)能力小、采集頻率低，且不具備一定的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析能力。應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，可以大大提高電力行業(yè)的運(yùn)行效率，能為未來(lái)電力行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)極大的幫助[1]。

1.2 基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

為了滿足用戶在用電方面的各個(gè)需求，電力企業(yè)需要擴(kuò)大電力數(shù)據(jù)的采集范圍、增加電力數(shù)據(jù)的采集頻率，因此各個(gè)電力企業(yè)都需要建立自己的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，同時(shí)安排更多的人力投入到運(yùn)維等工作，這無(wú)疑會(huì)增加企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。如果應(yīng)用云技術(shù)，每個(gè)電力企業(yè)都可以將自己采集的數(shù)據(jù)直接上傳到云端服務(wù)器，不僅免去了自建存儲(chǔ)中心的經(jīng)濟(jì)壓力，而且增加了電力數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)安全，還不需要進(jìn)行額外的人力投資，總之大大節(jié)約了電力企業(yè)的運(yùn)行成本。

2 云技術(shù)介紹

云技術(shù)主要包括云計(jì)算和云存儲(chǔ)，是大數(shù)據(jù)時(shí)代和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的產(chǎn)物，順應(yīng)了社會(huì)發(fā)展需要。云計(jì)算是分布式處理、并行處理以及網(wǎng)格計(jì)算經(jīng)過(guò)發(fā)展后形成的技術(shù)，在計(jì)算過(guò)程中，云計(jì)算會(huì)將龐大的數(shù)據(jù)拆分成無(wú)數(shù)個(gè)小的子計(jì)算程序，由多個(gè)服務(wù)器并行計(jì)算分析后，將處理結(jié)果返回給用戶。

云技術(shù)是一種虛擬化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式，利用云存儲(chǔ)和云計(jì)算，能夠?qū)Ω鞯財(cái)?shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，只有系統(tǒng)分配了權(quán)限的用戶才能訪問(wèn)云網(wǎng)絡(luò)上面的一切功能，保證了數(shù)據(jù)的安全。同時(shí)，因?yàn)樵萍夹g(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)網(wǎng)格的獨(dú)立工作，保證了多個(gè)用戶同時(shí)操作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。最后，本文將云技術(shù)應(yīng)用在電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以保證系統(tǒng)能夠有效處理海量電力數(shù)據(jù)，支持智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)[2]。

3 基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能介紹

基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)3 個(gè)功能模塊，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算以及服務(wù)器存儲(chǔ)模塊，每個(gè)功能模塊有多個(gè)不同的功能實(shí)現(xiàn)，具體如圖1 所示。3 大功能模塊的設(shè)計(jì)主要為了支持?jǐn)?shù)據(jù)采集與通信、數(shù)據(jù)訪問(wèn)與計(jì)算等目的，有利于不同用戶不同需求的擴(kuò)展，也方便電力系統(tǒng)時(shí)刻發(fā)揮最佳性能，完美處理系統(tǒng)的各個(gè)功能。

圖1 電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能示意

3.1 本地監(jiān)控

本地監(jiān)控屬于數(shù)據(jù)采集模塊，監(jiān)控功能主要負(fù)責(zé)對(duì)企業(yè)和工廠的用電情況進(jìn)行檢查，包括工廠制造、電力調(diào)度等實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)。監(jiān)控功能為電力企業(yè)和電力用戶提供2 種監(jiān)控窗口，前者主要為電力數(shù)據(jù)流，可以自動(dòng)分析用戶是否違規(guī)用電，提供了警報(bào)、數(shù)據(jù)報(bào)表、自動(dòng)斷電等功能；后者主要為電力數(shù)據(jù)可視化，用戶可以自行查看當(dāng)前用電情況，方便其為后續(xù)工作安排提供數(shù)據(jù)支持[3]。

本地監(jiān)控除了上述提到的功能外，還能夠解決電力數(shù)據(jù)交易的信任問(wèn)題。由于電力數(shù)據(jù)交易多數(shù)情況下由電力企業(yè)在數(shù)據(jù)中心查看電力數(shù)據(jù)資源，很容易產(chǎn)生“黑箱”，用戶無(wú)法參與電力數(shù)據(jù)產(chǎn)生、計(jì)算以及分析的每個(gè)環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)因?yàn)椴恍⌒倪`規(guī)用電而導(dǎo)致罰款的現(xiàn)象，用戶會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)懷疑，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)電力企業(yè)不信任的狀態(tài)出現(xiàn)。本地監(jiān)控提供的數(shù)據(jù)可視化功能有效解決了信任問(wèn)題，從電力企業(yè)的角度，將數(shù)據(jù)從“黑箱”狀態(tài)轉(zhuǎn)為可視化，讓企業(yè)對(duì)每一次的數(shù)據(jù)分析和處理顯得更讓人信服，有效確認(rèn)數(shù)據(jù)是否達(dá)標(biāo)，無(wú)論是提供警報(bào)還是斷電，都有數(shù)據(jù)可依；從電力用戶的角度，數(shù)據(jù)可視化能幫助自己合理化用電，同時(shí)了解電力數(shù)據(jù)的定價(jià)是否合規(guī)，如果出現(xiàn)不公正待遇，也有數(shù)據(jù)支持用戶維權(quán)。

3.2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)冗余

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)冗余屬于數(shù)據(jù)采集模塊，是本地監(jiān)控的備用方案，主要由主監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和備份監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成。在數(shù)據(jù)通路程序啟動(dòng)后，主節(jié)點(diǎn)和備份節(jié)點(diǎn)隨時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)通信，此時(shí)主節(jié)點(diǎn)連接到數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)備，數(shù)據(jù)采集結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)上傳到云端服務(wù)器。與此同時(shí)，產(chǎn)生本地?cái)?shù)據(jù)記錄和趨勢(shì)圖，并在備用節(jié)點(diǎn)備份，一旦主節(jié)點(diǎn)通信失敗或可視化功能出現(xiàn)問(wèn)題，備份監(jiān)控節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)與硬件設(shè)備連接，并自動(dòng)上傳采集數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器，同時(shí)將備份數(shù)據(jù)記錄和趨勢(shì)圖顯示在可視化設(shè)備中，保證監(jiān)控功能不中斷。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控屬于數(shù)據(jù)采集模塊，與本地監(jiān)控的區(qū)別在于，電力用戶可以利用瀏覽器或App 客戶端，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看當(dāng)前工廠的電力數(shù)據(jù)情況。此外，遠(yuǎn)程監(jiān)控功能為用戶提供了斷電選項(xiàng)，如果電力設(shè)備出現(xiàn)故障，導(dǎo)致短時(shí)間電流或電壓過(guò)大，且電力企業(yè)未采取有效措施時(shí)，用戶可以選擇自行斷電，以保證設(shè)備和電力線路的安全。

3.4 遠(yuǎn)程診斷

遠(yuǎn)程診斷功能屬于數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，主要涉及到實(shí)時(shí)電力數(shù)據(jù)的計(jì)算方面，這里的計(jì)算并不是針對(duì)某個(gè)用戶的診斷，而是對(duì)某個(gè)電力區(qū)域的診斷。在數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)異常，則可以根據(jù)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)情況和計(jì)算結(jié)果執(zhí)行修改命令，如某個(gè)區(qū)域的電力數(shù)據(jù)短時(shí)間反饋較少，則表示該區(qū)域的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，又如某個(gè)區(qū)域用電功率突然大減，則表示該區(qū)域的電路出現(xiàn)問(wèn)題等。總之，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算能夠幫助電力企業(yè)及時(shí)做出調(diào)整，讓工程維護(hù)變得及時(shí)、高效，大大降低了工程維護(hù)成本。

3.5 電力數(shù)據(jù)處理

電力數(shù)據(jù)處理屬于數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)下，電力數(shù)據(jù)采集頻率增加、采集范圍增大，使得云端數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的電力數(shù)據(jù)擁有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模，這種呈現(xiàn)大規(guī)模特性的數(shù)據(jù)非常適合進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘計(jì)算，計(jì)算結(jié)果能夠有效反映出某些規(guī)律，如電力用戶的用電規(guī)律、集中用電時(shí)段、違規(guī)用電趨勢(shì)，甚至還可以根據(jù)用電分析出用戶在某個(gè)時(shí)間段的接單量。電力數(shù)據(jù)挖掘能夠幫助電力企業(yè)合理安排供電，合理制定收費(fèi)規(guī)則，為用戶提供用電建議，適應(yīng)不同用戶的各種用電需求，優(yōu)化和完善電力運(yùn)營(yíng)管理，使其更加現(xiàn)代化和智能化[4]。

3.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能屬于服務(wù)器存儲(chǔ)模塊，是云技術(shù)的云端數(shù)據(jù)支撐。對(duì)于電力數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，電力企業(yè)一般會(huì)將用戶的用電數(shù)據(jù)永久保存，這些是云計(jì)算和數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)鍵，能夠支持系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析等工作，更好地預(yù)測(cè)未來(lái)用電發(fā)展趨勢(shì)。電力數(shù)據(jù)中的一些個(gè)人隱私型數(shù)據(jù)，一般不會(huì)應(yīng)用在數(shù)據(jù)挖掘中，可以根據(jù)用戶的自我意愿決定是否刪除。所有采集到的電力數(shù)據(jù)都會(huì)上傳到云端服務(wù)器中，這些數(shù)據(jù)會(huì)被云端統(tǒng)一管理，利用數(shù)據(jù)地址空間和地址節(jié)點(diǎn)名做區(qū)分。

3.7 權(quán)限分配

權(quán)限分配功能屬于服務(wù)器存儲(chǔ)模塊，能夠保證所有用戶都可以擁有訪問(wèn)和刪除數(shù)據(jù)的權(quán)限。首先，分配權(quán)限可以保證“游客”類用戶不會(huì)輕易拿到隱私類數(shù)據(jù)；其次，電力用戶可以自行查詢與自身相關(guān)的電力數(shù)據(jù)和有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果；再次，用戶可以申請(qǐng)升級(jí)權(quán)限，這類用戶能夠向系統(tǒng)提供不同的使用需求，為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供必要的幫助，同時(shí)這類用戶也可以更好地保護(hù)自己的隱私，擁有刪除部分電力數(shù)據(jù)的權(quán)限；最后，電力企業(yè)系統(tǒng)管理員擁有最高的權(quán)限，能夠增加、分配和刪除其他用戶，也只有他們能在必要時(shí)改動(dòng)電力數(shù)據(jù)。權(quán)限分配的目的是提高系統(tǒng)的安全性、靈活性以及明確性，方便數(shù)據(jù)計(jì)算模塊采用分級(jí)的數(shù)據(jù)處理能力，方便系統(tǒng)為不同計(jì)算需求分配計(jì)算資源。

4 基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 物理組成

想要完成電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，相應(yīng)硬件設(shè)備的使用必不可少。首先，根據(jù)電力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，需要在云端搭建先進(jìn)的云計(jì)算和云存儲(chǔ)管理中心，必要時(shí)可以租用云服務(wù)提供商的智能云系統(tǒng)；其次，數(shù)據(jù)采集與云端系統(tǒng)是互相支撐的，在數(shù)據(jù)采集終端需要安裝智能電表、電力監(jiān)控可視化顯示器，采集到的數(shù)據(jù)可以與服務(wù)器端直接進(jìn)行交互；最后，為了保證采集到的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)，云端需要配置不同種類的服務(wù)器，包括數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、通信控制服務(wù)器、數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)器以及歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器等，多臺(tái)服務(wù)器組成系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同功能的靈活配置[5]。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分為4 個(gè)層次，分別是數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用接口層以及訪問(wèn)控制層。不同層次提供了不同的功能服務(wù)，使得系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)流更加清晰，這種設(shè)計(jì)方便各個(gè)層次獨(dú)立進(jìn)行功能擴(kuò)展。

（1）數(shù)據(jù)采集層。將智能電表和各種總線接口相連，使得電表可以采集到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后會(huì)經(jīng)過(guò)換算和安全校驗(yàn)，從通信接口將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器中，與此同時(shí)，在主監(jiān)控設(shè)備中可視化顯示當(dāng)前電力數(shù)據(jù)和使用趨勢(shì)。

（2）基礎(chǔ)管理層。基礎(chǔ)管理層包括數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、通信控制服務(wù)器以及數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)器，與數(shù)據(jù)采集層交互，對(duì)其傳輸?shù)母黝愲娏?shù)據(jù)進(jìn)行初步計(jì)算和存儲(chǔ)，主要分析當(dāng)前時(shí)間段的用電情況，同時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)智能電表和可視化設(shè)備的使用情況，對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)處理。

（3）應(yīng)用接口層。提供不同的接口和服務(wù)，與各級(jí)電網(wǎng)和各級(jí)別權(quán)限用戶對(duì)接，具有承上啟下的作用。不同用戶的不同需求可以通過(guò)接口層來(lái)到訪問(wèn)控制層，利用其分配的云計(jì)算資源完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、未來(lái)走勢(shì)預(yù)測(cè)、歷史情況整理等計(jì)算任務(wù)。

（4）訪問(wèn)控制層。系統(tǒng)的最核心層，管理著云計(jì)算和云存儲(chǔ)的各種高級(jí)功能。大量的數(shù)據(jù)交匯后，有著不同的調(diào)度管理以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算和維護(hù)，這些都需要在訪問(wèn)控制層實(shí)現(xiàn)。

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采用“雙進(jìn)程、多線程”的混合模式架構(gòu)，充分利用云技術(shù)的分布式處理能力，完成多個(gè)任務(wù)的并行運(yùn)行。雙進(jìn)程包括守護(hù)進(jìn)程和應(yīng)用進(jìn)程，應(yīng)用進(jìn)程分為多個(gè)線程，可以并行處理多個(gè)任務(wù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)計(jì)算分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度、交互，最重要的是可以實(shí)時(shí)恢復(fù)進(jìn)程，當(dāng)守護(hù)進(jìn)程發(fā)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程異常時(shí)，可以立即讓設(shè)備復(fù)位重啟，從而快速恢復(fù)運(yùn)行。

5 結(jié) 論

在基于云技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幫助下，電力行業(yè)將會(huì)發(fā)生很大變化，其電力數(shù)據(jù)采集能力和實(shí)時(shí)計(jì)算與存儲(chǔ)能力將會(huì)變得非常高效，并且該電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠解決當(dāng)下電力行業(yè)的諸多問(wèn)題，優(yōu)化資源，提供科學(xué)的管理和決策手段，為未來(lái)智能化電力系統(tǒng)的建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。