國網用電信息采集系統2.0終端技術架構方案研究

摘要：國網用電信息采集系統2.0終端技術架構方案涉及全面的系統需求分析、總體架構設計，包括硬件和軟件兩大部分。硬件設計關注電源、數據采集、處理及人機交互等模塊；而軟件設計則側重開發環境配置、層次結構、功能模塊劃分及流程與界面設計。整個系統強調接口的標準化與安全性設計，以保障系統的高效穩定運行，并滿足未來電力市場的需求。

關鍵詞：用電信息采集系統終端技術架構硬件設計軟件設計安全設計

ResearchontheTechnicalArchitectureSchemeforStateGridPowerConsumptionInformationCollectionSystem2.0Terminal

XUWeiCHENMengABDUJILIAihaiti

StateGridYiliYihePowerSupplyCo.，Ltd.，YiningCity，YiliKazakhAutonomousPrefecture，XinjiangUygurAutonomousRegion，835000China

Abstract：TechnicalArchitectureSchemeforStateGridPowerConsumptionInformationCollectionSystem2.0Terminalinvolvescomprehensivesystemrequirementsanalysis，overallarchitecturedesign，includinghardwareandsoftware.Hardwaredesignfocusesonpowersupply，dataacquisition，processingandhuman-computerinteractionmodules，whilesoftwaredesignfocusesondevelopmentenvironmentconfiguration，hierarchicalstructure，functionalmoduledivisionandprocessandinterfacedesign.Thewholesystememphasizesthestandardizationofinterfacesandsecuritydesigntoguaranteetheefficientandstableoperationofthesystemandtomeettheneedsofthefuturepowermarket.

KeyWords：Powerconsumptioninformationcollectionsystem;Terminaltechnicalarchitecture;Hardwaredesign;Softwaredesign;Securitydesign

為了實現對電網運行狀態的實時監測和精細管理，國網逐步引入了用電信息采集系統，該系統通過在用戶端部署終端設備，實時采集和傳輸用電信息，為電網調度和管理提供了重要數據支撐。然而，由于原有終端技術存在一些問題，如傳輸速度慢、安全性不夠等，對電網監控和管理的效率和精度有一定的限制。因此，為了提升終端設備的性能和功能，國家電網正開展國網用電信息采集系統2.0終端技術架構的研究工作，旨在提高終端設備的傳輸速度、數據安全性和擴展性，進一步提升電網的管理水平和服務質量。

1用電信息采集系統2.0終端技術架構方案

1.1系統需求分析

用電信息采集系統2.0終端技術架構方案的需求即確保系統設計滿足當前和未來的業務需求，包括對實時數據采集、處理與分析的需求，以及對系統穩定性、可靠性和安全性的要求。系統應具備高速數據處理能力，支持多用戶并發訪問，并能夠輕松集成新技術，需考慮系統的可擴展性和兼容性，以適應不斷變化的電力市場和技術標準。

1.2系統總體架構設計

系統總體架構設計需要綜合考慮硬件和軟件的協同工作，以實現高效的用電信息采集，該架構應采用分層設計，包括數據采集層、網絡傳輸層、數據處理層和應用服務層。架構應支持模塊化和組件化，以便在未來能靈活地添加或更新功能模塊，總體架構還應考慮容錯能力和負載均衡，確保系統在各種條件下都能穩定運行[1]。

1.3系統硬件架構設計

硬件架構設計關注于終端設備的物理組成，包括電源模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、人機交互模塊等。電源模塊需提供穩定的電力供應；數據采集模塊負責收集各類傳感器的數據；數據處理模塊需要有足夠的計算能力來分析和處理數據；人機交互模塊則涉及顯示屏和操作界面的設計，以便用戶能夠直觀地監控系統狀態[1]。

1.4系統軟件架構設計

軟件架構設計需要確保系統的軟件層次清晰，模塊劃分合理。軟件應采用現代編程實踐，如面向對象編程，以提高代碼的可維護性和可擴展性。功能設計應涵蓋數據采集、處理、存儲和展示等方面，提供用戶友好的操作界面[2]。軟件流程設計要考慮數據的實時性和準確性，確保系統響應迅速且無誤差。

2用電信息采集系統2.0終端硬件設計方案

2.1電源模塊

在用電信息采集系統2.0終端的硬件設計方案中，電源模塊是至關重要的組成部分，該模塊的主要功能是將輸入的交流電（AlternatingCurrent，AC）或直流電（DirectCurrent，DC）轉換為適合終端設備使用的穩定直流電壓。現代電源模塊通常采用開關電源技術，它相比線性電源提供了更高的能量轉換效率和更小的體積。開關電源以高頻開關電路和先進的電力電子組件，如MOSFETs或IGBTs，實現高效率的能量轉換，電源模塊設計時還需考慮隔離保護，以保障系統安全[3]。通常包括電磁兼容（ElectroMagneticCompatibility，EMC）濾波器、過壓保護（OverVoltageProtection，OVP）、過流保護（Overcurrentprotection，OCP）和短路保護等。為了適應不同的應用環境，電源模塊還需要具備寬輸入電壓范圍和良好的穩壓性能。

2.2數據采集模塊

數據采集模塊是用電信息采集系統2.0終端的核心部分，負責從電網的各種傳感器和測量設備中收集關鍵數據。這些數據通常包括電壓、電流、頻率、相位角等參數，現代數據采集模塊通常集成了高精度的模擬—數字轉換器（Analog-to-DigitalConverte，ADC）、可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC），以及多種通信接口如RS-485、以太網或無線通信模塊。這些組件使數據采集模塊能夠高效地處理和傳輸數據。為了提高模塊的抗干擾能力，設計時還會采用屏蔽技術、濾波器和防護電路來減少噪聲的影響。

2.3數據處理模塊

數據處理模塊在用電信息采集系統2.0終端中起著至關重要的作用，該模塊的核心任務是分析和處理從數據采集模塊收集到的數據。通常，這一模塊會包括一個或多個微處理器、數字信號處理器（DigitalSignalProcessing，DSP），或者現場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）。這些高性能硬件組件能夠執行復雜的數學運算和數據分析算法，如傅里葉變換或功率質量分析，以及實時監測電網狀態。現代的數據處理模塊還需集成機器學習或人工智能算法，用于預測電網負荷、故障檢測，以及優化能源分配。

2.4人機交互模塊

人機交互模塊為用電信息采集系統2.0終端提供了用戶與系統之間的交互界面。此模塊的設計關鍵在于使用戶能夠直觀、便捷地訪問系統信息和控制功能，它通常包括顯示屏、觸摸屏、按鍵、指示燈等組件。在硬件技術層面，高清液晶顯示屏（LiquidCrystalDisplay，LCD）或有機發光二極管（OrganicLight-EmittingDiode，OLED）屏幕可用于展示系統數據和圖形界面，而觸摸屏技術如電阻式、電容式或紅外觸摸屏則允許用戶直接觸摸進行操作。另外，人機交互模塊還包括物理按鍵、旋鈕或遠程控制接口。在設計時，考慮用戶的體驗，該模塊應具有清晰的指示標識、直觀的操作邏輯和快速的響應時間。

3用電信息采集系統2.0終端軟件設計方案

3.1系統軟件開發環境

在用電信息采集系統2.0終端的軟件設計方案中，選擇合適的系統軟件開發環境是至關重要的。開發環境應支持整個軟件生命周期，從編碼到測試、部署和維護。通常采用集成開發環境（IntegratedDriveElectronics，IDE），如Eclipse或VisualStudio，這些IDE提供代碼編輯、調試、版本控制和項目管理等工具。嵌入式系統可使用KeilMDK、IAREmbeddedWorkbench等專業嵌入式開發工具。編程語言的選擇也至關重要，C/C++常用于性能敏感的任務，而Python或Java用于高級應用層或腳本編寫。代碼示例：

```c

//一個簡單的C語言代碼片段，用于讀取傳感器數據

#include<stdio.h>

#include"sensor_library.h"

intmain（）{

intsensor_value=read_sensor_data（）;

if（sensor_value>=0）{

printf（"Sensorvalue：%d

"，sensor_value）;

}else{

printf（"Errorreadingsensordata.

"）;

}

return0;

}

```

3.2系統軟件層次結構

軟件層次結構通常包括硬件抽象層（HardwareAbstractionLayer，HAL）、操作系統層（OperatingSystem，OS）、中間件層、應用層和用戶界面層。

硬件抽象層（HAL）提供了與硬件通信的接口，封裝了對硬件操作的細節，例如HAL包含用于初始化ADC和讀取傳感器數據的函數；操作系統層（OS）負責資源管理和任務調度，嵌入式系統常用的操作系統有FreeRTOS、VxWorks或Linux。操作系統層提供了線程管理、內存管理、文件系統等服務[4]；中間件層提供了網絡通信、數據庫存儲、安全服務等功能，如使用MQTT或CoAP作為通信協議，SQLite作為輕量級數據庫管理系統。應用層包含了業務邏輯和數據處理算法，是實現系統功能的核心。代碼示例：

```

//代碼示例，展示數據處理的一個簡單算法

voidprocess_data（Data*raw_data）{

CleanedDatacleaned_data=clean_noise（raw_data）;

AnalyzedDataanalyzed_data=analyze_trends（cleaned_data）;

store_to_database（&analyzed_data）;

}

```

3.3系統軟件模塊劃分

在用電信息采集系統2.0終端的軟件設計中，合理的模塊劃分至關重要。主要的軟件模塊包括：

（1）數據采集模塊：負責從傳感器收集原始數據，它應高效地與硬件通信，周期性地讀取和緩存數據，代碼示例常涉及定時器中斷服務程序和ADC讀取函數。（2）數據處理模塊：分析并處理原始數據，提取有用信息，此模塊包含數字信號處理算法，如快速傅里葉變換（FastFourierTransformation，FFT）。（3）數據庫管理模塊：負責數據的持久化存儲和高效查詢，使用嵌入式數據庫管理系統，如SQLite，或直接以文件系統操作數據文件。（4）通信模塊：負責將處理后的數據發送至外部系統，同時處理來自遠程的命令和控制請求，此模塊需要實現網絡協議棧和通信協議[5]。（5）人機交互模塊：提供圖形用戶界面（GraphicalUserInterface，GUI），允許用戶監控系統狀態、查看數據和修改配置，涉及使用圖形庫和UI框架；（6）系統監控和診斷模塊：監控系統運行狀況，執行故障檢測和系統維護任務。

3.4系統軟件功能設計

用電信息采集系統2.0終端的軟件功能設計需要緊密結合各項技術需求，確保系統的高效性和穩定性，主要的軟件功能模塊包括以下幾個方面。

（1）數據采集與處理。利用高精度的ADC和定時器中斷技術實現對電網參數的實時監測，以數字信號處理技術如快速傅里葉變換（FFT）進行電網信號分析，識別和記錄電能質量事件。（2）數據存儲與管理。采用嵌入式數據庫如SQLite來存儲歷史數據和系統日志，同時使用文件系統操作來實現數據備份和恢復功能。（3）通信接口。集成TCP/IP協議棧和無線通信模塊，支持通過以太網或Wi-Fi等方式將采集到的數據上傳至中心服務器或云平臺，實現MQTT或CoAP等輕量級通信協議。（4）用戶交互。開發基于GUI框架（如Qt）的用戶界面，提供實時數據顯示、歷史數據查詢、系統配置等功能。（5）系統監控與診斷。實現系統自檢功能，定期檢測硬件和軟件的健康狀態，并通過日志記錄和告警機制來報告異常情況。

4結語

研究對國網用電信息采集系統2.0的終端技術架構方案進行了全面設計和分析，優化終端技術架構能提高系統的性能和可靠性，進一步滿足電力行業對用電信息采集系統的需求。未來，需進一步完善系統的功能和性能，結合新技術不斷創新，推動智能電網建設及用電信息管理的發展。

參考文獻

[1]陶忠.電力用戶用電信息采集系統終端電源接入技術[J].電力安全技術，2021，23（11）：59-61.

[2]陳非凡，趙浩杰.用電信息采集終端故障分類與處理解決對策[J].計算機產品與流通，2019（11）：91.

[3]夏水斌，張芹，謝瑋，等.電力用戶用電信息采集系統建設研究[J].自動化與儀器儀表，2018（10）：48-50.

[4]吳麗娜.用電信息采集數據分析監控技術的應用[J].中外企業家，2017（35）：118-119.

[5]牛光輝，李家樂，胡海輝，等.一種適用于用電信息采集終端的通訊中繼設備的設計與應用[J].自動化應用，2017（2）：65-67.