台区智能终端配用电数据新型存取方法

杨旭昕

（国网信息通信产业集团有限公司，北京 100053）

0 引 言

随着源网荷储协调互动发展迅速，新技术应用和新型业务终端接入日益广泛，新的网络边界不断涌现，配用电主站需要监测的台区侧数据量和数据密度急剧上升，导致主站侧数据处理能力及远程通信能力在未来面临着重大压力[1]。通常终端设备中的数据种类和处理方法有一定的共同规律，也有各自的特殊规律，使得嵌入式数据存储系统不能像企业级数据库那样通用，而是有着很大的差异性[2]。此外，随着存储设备的改变，其数据的存取策略和方法也随之改变，现有的数据库存储管理理论与技术主要是基于内存数据库或基于磁盘存储结构的大型商业数据库，不适用于嵌入式数据库系统[3]。

传统的集中式数据库可用性和可靠性较低，可扩展性差，无法满足日益增长的数据存储需求[4]。文献[5]提出了一种基于安全容器技术实现边缘计算的配用电一体化装置，文献[6]研究了面向电网的边缘算力优化与分布式数据存储处理模型。本文聚焦配电变压器台区侧的边缘计算能力提升，提出了一种新的适用于台区智能终端的新型配用电数据存取方法。所提方法系统性的解决了数据存取的效率问题和设备掉电后的数据恢复问题。

1 数据交互机制

针对现有存取方案的不足，本文通过结合台区智能终端搭载的容器技术及MQTT消息协议实现了可跨容器存取数据的消息交互机制。消息内容的格式参考选用了JSON数据格式，提供一致的数据库接口，一方面屏蔽了通信协议的差异性，另一方面大大简化了各类实时应用的开发，极大地提升了开发和运维的效率[7]。可跨容器存取数据的消息交互机制如图1所示。

图1 可跨容器存取数据的消息交互机制

其中，消息总线提供了发布和订阅主题接口，主题接口须遵循数据存取方案的接口规范。按照配电及用电数据的特点，本数据存取方案制定了10种主题接口。

编写数据的应用程序时需要注意的是，当容器1中应用程序的数据更新后调用总线发布数据更新请求，总线接收到更新请求后将其转发至容器2，容器2负责数据存储及管理，并将存储结果通过消息总线反馈给容器1的应用程序。读数据的应用程序需要注意的是，容器1的应用程序调用消息总线发布数据读取请求，消息总线将读取请求转发至容器2，容器2接收到数据读取请求后，按照请求读取本地数据，并将读取结果经由消息总线反馈至容器1的应用程序。

2 数据存取方案

台区智能终端需存储多类配用电数据信息，根据数据来源分为低压电网模型台账数据、二次设备定值配置数据、电网运行数据、营销采集数据以及边缘计算结果数据等。按照模型统一和本地化自管理的数据管理原则，需建立唯一的数据管理与读写通道，并建立数据存储自维护机制，以提高数据融合与采集的效率，降低管理难度。数据存取方案如图2所示。

图2 面向配用电数据特点的存取方案

其中，应用程序调用消息总线发送数据存取请求，消息处理模块接收到总线转发的数据存取请求后进行消息分类，并将请求消息转发至相应的接口模块继续处理。接口模块用于分类处理不同的存取需求，各接口处理完毕的数据会存放在内存中随即继续处理下一条消息，最大限度地提升了处理效率。按照配电及用电数据的特点，本数据存取方案制定了4种类型的接口交互模块，具体如下。

模型管理接口中，模型名称查询接口和查询结果反馈接口用于查询已存储的数据模型，模型删除接口和删除结果反馈接口用于移除已存储的数据模型，具体如表1所示。模型交互接口中，模型设置接口和设置结果反馈接口用于建立新的设备数据模型，模型内容查询接口和查询结果反馈接口用于查询设备模型具体数据信息，具体如表2所示。

表1 模型管理接口

表2 模型交互接口

设备管理接口中，设备查询接口和查询结果反馈接口用于查询已完成实例化的设备信息，设备取消注册接口和取消结果反馈接口用于移除已完成实例化的设备信息，具体如表3所示。设备交互接口中，设备注册接口和注册结果反馈接口用于实例化具体设备或虚拟设备，具体如表4所示。

表3 设备管理接口

表4 设备交互接口

参数交互接口中，参数查询接口和查询结果反馈接口用于查询设备定值和配置参数，参数删除接口和删除结果反馈接口用于移除设备定值和配置参数，参数设置接口和设置结果反馈接口用于存储设备定值和配置参数，具体如表5所示。

表5 参数交互接口

全数据交互接口中，全数据上报接口和全数据上报结果反馈接口主要用于定时向数据中心存储设备的全数据；变化数据上报接口主要用于针对实时性要求较高的变化遥信及变化遥测类数据，将其及时转发至主站；实时数据查询接口和实时数据查询结果反馈接口用于读取设备的实时数据，可一次性读取数据中心已存储的全部数据，也可根据数据项、设备类型等方式进行精准定位读取；历史数据查询接口和历史数据查询结果反馈接口用于读取设备的历史数据，可按照起止时间的时间段或存储时间的时间段等方式读取设备的历史数据；SOE上报接口和SOE上报结果反馈用于存储设备的SOE事件信息；SOE查询接口和SOE查询结果反馈用于读取设备的SOE事件信息。具体如表6所示。

表6 数据交互接口

嵌入式环境下应当从全内存存储及嵌入式系统的特点出发，数据库管理系统应将内存数据库以文件的形式备份在本地非易失性存储器中，从而进行简单、快速的数据库备份和恢复[8]。常见的嵌入式数据库，如Berkeley DB、SQLite等，虽然具备良好的数据管理能力，但是其架构和特性面向普通的嵌入式系统设计，在实时性和可靠性方面难以满足配电及用电数据就地存取的要求[9]。本方案中数据管理模块经过长期试验和探索，综合了文件与SQLite的优点，同时消除其单一使用的缺点。一方面是将缓存在内存中的实时数据在数据中心闲暇时复制到文件中保存，防止发生终端掉电或系统崩溃时导致数据丢失；另一方面是定时将缓存在内存中的实时数据写入SQLite数据库中，形成各类设备的历史数据库。

嵌入式实时数据库系统的关键是数据模型的确立，它决定了数据被访问和操作的方式，应用程序的性能和可靠性也大部分取决于此[10]。针对现有点表式数据存取方案下配用电数据模型不统一、模型不易扩展以及数据分类颗粒度较粗等问题，制定了图3所示的数据存取原则。

图3 数据存取原则

对于应用程序写数据，在进行数据存储时需要先调用设备模型交互接口，建立新的设备模型信息。建立好设备模型后再调用设备注册接口，按照刚才建立的设备模型实例化需上报数据的设备，然后调用数据上报接口按照实例化的设备进行数据上报。其中设备模型在未发生变化时只需要建立一次，设备实例化只在接入新设备时才需要进行注册。

对于应用程序读数据，在进行数据读取时需要先调用设备模型交互接口，查询所需设备模型的具体模型信息，确定好设备模型后再调用设备注册接口。查询对应设备模型已实例化的具体设备，然后调用数据查询接口查询已实例化的设备数据信息。其中设备模型在未发生变化时只需要查询一次，在未变更所需读取的目标实例化设备时，设备注册信息也只需查询一次。

3 应用效果

实际应用场景中，文中提供的配用电数据的存取方法可在嵌入式设备台区智能终端中实现，用于支撑营销与配电的物联网边缘计算。该实现充分利用台区智能终端的容器特点，安全且高效地存取配电及用电相关数据，解决了配用电数据需在配电变压器台区侧的边端跨容器就地存取问题。

目前，文中提供的配用电数据存取方法已应用在江苏和山东等地多处台区智能终端的试点现场。江苏泰州某台区试点拓扑如图4所示，台区智能终端接入了智能断路器、SVG、无功补偿装置、换相开关以及智能电表等大量配用电设备，所有数据全部通过本文中提供的数据存取方案实现设备建模和数据就地存取交互的功能。在此基础上，数据经边缘计算后上送主站，实现了台区的电能质量治理功能。主站数据展示截图如图5所示，经过试点现场长时间稳定运行，主站侧数据展示真实、连贯且无断点，体现了本方案在数据存取方面具有较好的稳定性及可行性。

图4 江苏泰州某台区试点拓扑图

图5 主站数据展示截图

4 结 论

本文提出了一种新的适用于台区侧配用电数据的存取方法，该方法在消息处理部分和数据存取部分，消息处理部分结合容器技术使用了MQTT消息协议作为消息总线的传输机制，消息内容的格式则采用了JSON数据交换格式来描述，实现了可跨容器的交互功能。在数据存取部分使用了内存存取加文件存取的方式作为实时数据的存取方式，不同于已有技术中使用配置文件映射关系指向型内存存取，且格式固定的方式，不需要应用程序进行二次数据处理，从而提高了数据存取的效率。同时历史数据的存取方式则采用了SQLite数据库，实现了数据的定时备份，避免了设备掉电后的数据难于恢复的问题。实际应用效果表明，所提方法安全、可靠且有效。