台区智能终端数据集采APP的设计和实现

田星星 李龙龙 王 瑞

台区智能终端数据集采APP的设计和实现

田星星 李龙龙 王 瑞

（科大智能电气技术有限公司，合肥 230088）

台区智能终端是智慧物联网中的边缘设备，满足高性能并发、大容量存储、多采集对象的需求，是集配电台区供用电信息采集、电能表数据收集和设备状态监测等功能于一体的智能化终端。针对台区智能终端中各种数据集采的需求，设计一种用于数据准确按时采集的APP，实现方式是通过任务配置，把全台区设备的不同数据，按时采集并上送到数据中心。此APP可以解决抄读通道冲突、同一数据重复采集等问题，提高了台区智能终端的数据集采性能。

台区智能终端；数据集采；数据中心

0 引言

台区智能终端适应智能配电台区的发展应运而生，智能配电台区有别于传统配电台区，传统配电台区电力用户仅仅使用电力，不会向电网输电。随着我国人民生活水平日益提高，绿色用电逐渐成为新的课题，百姓利用自家空间搭建太阳能电池板，满足自己用电的同时，把余电输送到电网，所以配电台区也做了相应的调整。保证电网的稳定运行，降低电力用户的年停电时间，提高供电质量也推动了配电台区的发展，催生了智能配电台区的诞生。

台区智能终端是智能配电台区的核心设备，能够获取智能配电台区所有设备的相关运行参数和数据，其中包括高压侧电压、电流，低压侧电压、电流，变压器油温、环境湿度，低压智能断路器和低压换向开关状态，电力用户的用电量和电压、电流，智能电容器和充电桩等设备的工作状态。采集到如此多的数据后，台区智能终端可以实现电压、电流越限告警、无功功率就地平衡、治理三相不平衡、计算台区线损、研判并上报台数故障信息等功能，为电力系统的运行管控提供所需的数据和边缘计算能力[1-4]。

由此可知台区智能终端采集的设备多样，有以下3个特点：

1）规约类型多，主要有DL/T 645—1997/2007、Q/GDW 11778—2017和《剩余电流动作保护器通信规约》。

2）采集的数据项多，不仅有常规的电压、电流、功率和电能量等，还有温度、湿度、断路器状态、无功补偿器状态和充电桩数据等。

3）设备被抄通道多样，有485总线、微功率无线、电力线载波、CAN总线等。并且整个智能配电台区的设备数量大，一般台区电力用户电能表数量在400只左右，加上低压感知设备、换向开关和断路器等，总体设备估计500个左右。智能配电台区是国网运检、营销业务的交合点，为了支持两个业务部门的日常工作，台区智能终端需要把台区设备数据同时按需上报到两个部门。由以上特点，设计一个APP统一采集所有设备数据是一个很好的方案，此APP只负责采集数据，可以有效避免不同需求方抄同一数据的通道阻塞和设备阻塞。

1 数据集采APP整体设计

数据集采APP的核心设计思路是按照任务配置准时把设备数据采集到数据中心，供台区智能终端内其他APP使用。为了降低APP风险和适合项目团队开发，按照正交性设计原理，把此APP划分为5个功能专一的模块，每个模块是一个独立的线程运行，模块之间使用消息队列遥测传输协议（message queuing telemetry transport, MQTT）交互数据[5]。图1为数据集采APP整体设计方案，任务调度模块为数据集采APP的主控模块，数据中心为任务方案参数和数据存储模块，串口模块、交采模块和载波模块为通道管理模块。

图1 数据集采APP整体设计

数据集采APP的主要处理流程是任务调度模块负责从数据中心读取任务方案，管理每个任务的执行时间和逻辑，当任务处于运行时间中，组织抄读报文，并按照设备通道类型发给相应的通道管理模块。通道管理模块回复后，任务调度模块解析数据，并把解析后的数据传给数据中心。

2 关键技术研究

2.1 MQTT

程序设计一般都采用模块化设计，这样可以降低风险，有问题的代码区域容易被隔离起来，例如串口模块的代码有问题，只需要把此模块暂时屏蔽，整个数据集采APP依然可以正常运行。模块化设计会带来模块间通信难的问题，在研究了管道、信号量、共享内存等方式后，最后选择了MQTT。

MQTT是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通信协议。使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，可以解除模块间的耦合[6]。MQTT有3种消息发布服务质量：至多一次、至少一次和只有一次。其中只有一次方式非常适合数据集采APP中各个模块间的通信，任务调度模块发给管理通道的报文保证管理通道能够收到，返回的报文也能保证任务调度模块能够收到，从而保证了模块间的同步。

2.2 数据中心

数据集采APP需要具备同时与运检类APP和营销类APP的交互能力，同时还要防止相同任务反复执行，造成通道或设备阻塞，导致数据采集执行不成功，影响台区智能终端功能的正常运行。

为了解决这个问题，设计上采用数据中心思想，把任务方案和数据封装一个单独模块处理，此模块就是数据中心。数据中心负责与运检类APP和营销类APP交互，这两类APP把需要采集的数据组成任务方案发给数据中心，数据中心接收后审查对比，重复的任务和无法执行的任务直接回复否认，不予存储，保证数据采集正常运行。任务调度模块执行任务方案时，不区分任务为哪类APP下发的，按照优先级从高到低执行，执行后把数据发给数据中心，数据中心统一处理，这样可以保证相同数据的唯一性，并可以给两类APP同时使用。台区智能终端具有边缘计算的能力，使用数据中心方式，能够很好地为各种边缘计算APP提供数据支撑。

3 模块软件设计

3.1 任务调度模块设计

任务调度模块主导着整个数据集采APP的运行，此模块启动时，载入任务方案相关参数，这些参数包括采集设备信息、采集任务、普通采集方案，具体参数项见表1。其中采集设备信息内的用户类型是1～255的整数，其用途是根据设备类型、电力用户类型和重点用户情况综合分类，在配置采集方案时可以实现不同用户类型采集不同的数据，采集频率和存储深度也可以区分，满足运维和营销的灵活数据采集的需求。

表1 任务调度模块需要载入的任务方案

任务方案载入之后，轮询任务、组织报文、发送报文、等待报文和解析报文，最后传数据到数据中心，这是任务调度模块的整体流程，详细流程如图2所示。所有任务每秒都轮询一遍，保证任务状态切换时间不超过1s，确保任务按时执行和结束。

台区智能终端的3种数据采集物理通道中RS 485通道和载波通道都存在报文收发失败的情况，尤其载波通道，它容易受到电网电流、谐波和噪声的影响，导致报文收发失败的概率变大[7-11]。为了消除通道报文收发失败造成采集失败的情况，在任务调度模块内加入自动补抄功能。具体原理是每个任务开始采集数据时，先向数据中心查待抄数据项的存储情况，然后只组织没有存储的数据项报文，去除不必要抄读的报文，提高效率。通道管理模块把所有要抄报文回复后，更新数据，判断补抄轮次是否小于限制，若小于限制，则重新启动此任务。若所有数据项全部抄回，则任务结束；若没有全部抄回，则继续补抄。当补抄轮次达到限制，任务结束。具体自动补抄流程如图3所示。

图2 任务调度模块整体运行流程图

图3 任务调度模块自动补抄流程图

3.2 串口模块设计

按照数据集采APP的整体设计，串口模块需具备报文转发和管理功能：

1）任务调度模块请求抄读的报文，此模块按照转发请求发到对应RS 485通道或RS 232通道，串口参数可配。

2）按照等待时间，等待通道对应的设备回复报文，设备回复超时，回复任务调度模块为空报文。

3）支持任务调度模块批量请求抄读报文，并按优先级从高到底执行。

4）串口模块管理的所有RS 485通道和RS 232通道能够实现并行收发，使采集效率达到最大化。

基于以上4个具体功能，图4为串口模块接口的详细定义。

图4 串口模块接口定义

另外两个通道管理模块虽然管理的通道类型不同，但设计思路与串口模块一致，并且与任务调度模块的接口一致，使用JSON格式。故此文不再对载波模块和交采模块做详细介绍。

4 测试验证

按照以上整体和分模块的设计，在Linux下编写代码，搭建数据集采APP，然后在一个典型的使用环境中验证此APP的功能。选定的配电台区中需要采集的设备信息见表2。

针对以上设备数据采集有多种方式，但为了验证数据集采APP的功能，配置以下4个基本采集任务。

1）所有电表和交流采样的日冻结任务，数据项有正向有功电能示值和反向有功电能示值。

表2 配电台区需要采集的设备信息

2）三相表的15min曲线任务，数据项有三相电压、电流和有功功率。

3）单相表的1h曲线任务，数据项有单相电压和电流。

4）断路器和电容器的实时数据采集任务，数据项有投合状态、电压和电流。

设备信息和采集任务配置后，数据集采APP按配置任务自动抄表，采集数据后传到数据中心，通过698.45维护软件和104维护软件召测的部分数据见表3和表4。

表3 交流采样和部分电表日冻结数据

通过表3的数据可知，交流采样数据在00:00:05就采集并存储完成，电表的日冻结在00:05:00之后才陆续采集回来，是由于电表的日冻结任务延迟5min执行，留出电表冻结数据的时间，确保一次采集成功率。表4是智能断路器的实时数据，表中写的是漏保，是因为漏保是智能断路器的一种。

表4 断路器实时数据

通过测试验证，本文设计的数据集采APP能够采集整个配电台区的设备数据，并能根据任务灵活配置，达到台区智能终端的微应用APP的需求。

5 结论

根据台区智能终端的数据采集需求，本文设计了一种能对智能配电台区所有设备进行数据集采的APP，在实际现场应用中，此APP能够采集设备的电压、电流、电能示值、低压智能断路器和电容器的状态等，同时可以通过数据中心把数据上送到营销和运检的主站中，解决了台区智能终端所有设备数据集采和数据上送的难题。遵循此APP的设计方案，方便扩展接入水表、气表、热表、局放、水侵和烟感等感知设备，可以支撑智能配电台区朝着全面感知和分级智能的方向发展[12]。本文设计的APP是根据补抄周期和次数的方式进行自动补抄的，还有另一种方案是补抄一轮，优先级降低一级，但不限制补抄次数，这种方式理论上更能保证数据采集的成功率，但需要以后的实验验证。

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Design and implementation of data collection APP for smart distribution transformer terminal

TIAN Xingxing LI Longlong WANG Rui

(CSG Smart Science&Technology Co., Ltd, Hefei 230088)

The intelligent terminal in the power distribution station is an edge device in the intelligent Internet of Things (IoT), which meets the needs of high-performance concurrency, mass storage, and multiple collections. It integrates functions such as information gathering of power supply, data collecting of energy meter, and condition monitoring of equipment in the power distribution station. Aiming at the needs for various data collection in the intelligent terminal, an APP is designed to realize accurate and timely data collection. It, through task configuration, collect and upload the different data of the equipment in the entire power distribution station to data center on time. This APP can avoid read/write channel conflicts, repeated collection of the same data, etc., thus improving the data collection performance of smart distribution transformer terminal.

smart distribution transformer terminal；data collection；data center

2020-06-24

2020-07-30

田星星（1987—），男，安徽省亳州市人，学士，助理工程师，主要从事智能配电网相关设备研发工作。