臺區智能終端適應智能配電臺區的發展應運而生，智能配電臺區有別于傳統配電臺區，傳統配電臺區電力用戶僅僅使用電力，不會向電網輸電。隨著我國人民生活水平日益提高，綠色用電逐漸成為新的課題，百姓利用自家空間搭建太陽能電池板，滿足自己用電的同時，把余電輸送到電網，所以配電臺區也做了相應的調整。保證電網的穩定運行，降低電力用戶的年停電時間，提高供電質量也推動了配電臺區的發展，催生了智能配電臺區的誕生。

臺區智能終端是智能配電臺區的核心設備，能夠獲取智能配電臺區所有設備的相關運行參數和數據，其中包括高壓側電壓、電流，低壓側電壓、電流，變壓器油溫、環境濕度，低壓智能斷路器和低壓換向開關狀態，電力用戶的用電量和電壓、電流，智能電容器和充電樁等設備的工作狀態。

采集到如此多的數據后，臺區智能終端可以實現電壓、電流越限告警、無功功率就地平衡、治理三相不平衡、計算臺區線損、研判并上報臺數故障信息等功能，為電力系統的運行管控提供所需的數據和邊緣計算能力。

由此可知臺區智能終端采集的設備多樣，有以下3個特點：

• 規約類型多，主要有DL/T 645—1997/2007、Q/GDW 11778—2017和《剩余電流動作保護器通信規約》。
• 采集的數據項多，不僅有常規的電壓、電流、功率和電能量等，還有溫度、濕度、斷路器狀態、無功補償器狀態和充電樁數據等。
• 設備被抄通道多樣，有485總線、微功率無線、電力線載波、CAN總線等。并且整個智能配電臺區的設備數量大，一般臺區電力用戶電能表數量在400只左右，加上低壓感知設備、換向開關和斷路器等，總體設備估計500個左右。智能配電臺區是國網運檢、營銷業務的交合點，為了支持兩個業務部門的日常工作，臺區智能終端需要把臺區設備數據同時按需上報到兩個部門。

由以上特點，設計一個APP統一采集所有設備數據是一個很好的方案，此APP只負責采集數據，可以有效避免不同需求方抄同一數據的通道阻塞和設備阻塞。

1 數據集采APP整體設計

數據集采APP的核心設計思路是按照任務配置準時把設備數據采集到數據中心，供臺區智能終端內其他APP使用。為了降低APP風險和適合項目團隊開發，按照正交性設計原理，把此APP劃分為5個功能專一的模塊，每個模塊是一個獨立的線程運行，模塊之間使用消息隊列遙測傳輸協議（message queuing telemetry transport, MQTT）交互數據。

圖1為數據集采APP整體設計方案，任務調度模塊為數據集采APP的主控模塊，數據中心為任務方案參數和數據存儲模塊，串口模塊、交采模塊和載波模塊為通道管理模塊。

圖1 數據集采APP整體設計

數據集采APP的主要處理流程是任務調度模塊負責從數據中心讀取任務方案，管理每個任務的執行時間和邏輯，當任務處于運行時間中，組織抄讀報文，并按照設備通道類型發給相應的通道管理模塊。通道管理模塊回復后，任務調度模塊解析數據，并把解析后的數據傳給數據中心。

2 關鍵技術研究

2.1 MQTT

程序設計一般都采用模塊化設計，這樣可以降低風險，有問題的代碼區域容易被隔離起來，例如串口模塊的代碼有問題，只需要把此模塊暫時屏蔽，整個數據集采APP依然可以正常運行。模塊化設計會帶來模塊間通信難的問題，在研究了管道、信號量、共享內存等方式后，最后選擇了MQTT。

MQTT是一種基于發布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通信協議。使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，可以解除模塊間的耦合。MQTT有3種消息發布服務質量：至多一次、至少一次和只有一次。其中只有一次方式非常適合數據集采APP中各個模塊間的通信，任務調度模塊發給管理通道的報文保證管理通道能夠收到，返回的報文也能保證任務調度模塊能夠收到，從而保證了模塊間的同步。

2.2 數據中心

數據集采APP需要具備同時與運檢類APP和營銷類APP的交互能力，同時還要防止相同任務反復執行，造成通道或設備阻塞，導致數據采集執行不成功，影響臺區智能終端功能的正常運行。

為了解決這個問題，設計上采用數據中心思想，把任務方案和數據封裝一個單獨模塊處理，此模塊就是數據中心。數據中心負責與運檢類APP和營銷類APP交互，這兩類APP把需要采集的數據組成任務方案發給數據中心，數據中心接收后審查對比，重復的任務和無法執行的任務直接回復否認，不予存儲，保證數據采集正常運行。

任務調度模塊執行任務方案時，不區分任務為哪類APP下發的，按照優先級從高到低執行，執行后把數據發給數據中心，數據中心統一處理，這樣可以保證相同數據的唯一性，并可以給兩類APP同時使用。臺區智能終端具有邊緣計算的能力，使用數據中心方式，能夠很好地為各種邊緣計算APP提供數據支撐。

3 模塊軟件設計

3.1 任務調度模塊設計

任務調度模塊主導著整個數據集采APP的運行，此模塊啟動時，載入任務方案相關參數，這些參數包括采集設備信息、采集任務、普通采集方案，具體參數項見表1。其中采集設備信息內的用戶類型是1～255的整數，其用途是根據設備類型、電力用戶類型和重點用戶情況綜合分類，在配置采集方案時可以實現不同用戶類型采集不同的數據，采集頻率和存儲深度也可以區分，滿足運維和營銷的靈活數據采集的需求。

表1 任務調度模塊需要載入的任務方案

任務方案載入之后，輪詢任務、組織報文、發送報文、等待報文和解析報文，最后傳數據到數據中心，這是任務調度模塊的整體流程，詳細流程如圖2所示。所有任務每秒都輪詢一遍，保證任務狀態切換時間不超過1s，確保任務按時執行和結束。

臺區智能終端的3種數據采集物理通道中RS 485通道和載波通道都存在報文收發失敗的情況，尤其載波通道，它容易受到電網電流、諧波和噪聲的影響，導致報文收發失敗的概率變大。

為了消除通道報文收發失敗造成采集失敗的情況，在任務調度模塊內加入自動補抄功能。具體原理是每個任務開始采集數據時，先向數據中心查待抄數據項的存儲情況，然后只組織沒有存儲的數據項報文，去除不必要抄讀的報文，提高效率。

通道管理模塊把所有要抄報文回復后，更新數據，判斷補抄輪次是否小于限制，若小于限制，則重新啟動此任務。若所有數據項全部抄回，則任務結束；若沒有全部抄回，則繼續補抄。當補抄輪次達到限制，任務結束。具體自動補抄流程如圖3所示。

圖2 任務調度模塊整體運行流程圖

圖3 任務調度模塊自動補抄流程圖

3.2 串口模塊設計

按照數據集采APP的整體設計，串口模塊需具備報文轉發和管理功能：

• 1）任務調度模塊請求抄讀的報文，此模塊按照轉發請求發到對應RS 485通道或RS 232通道，串口參數可配。
• 2）按照等待時間，等待通道對應的設備回復報文，設備回復超時，回復任務調度模塊為空報文。
• 3）支持任務調度模塊批量請求抄讀報文，并按優先級從高到底執行。
• 4）串口模塊管理的所有RS 485通道和RS 232通道能夠實現并行收發，使采集效率達到最大化。

基于以上4個具體功能，圖4為串口模塊接口的詳細定義。

圖4 串口模塊接口定義

另外兩個通道管理模塊雖然管理的通道類型不同，但設計思路與串口模塊一致，并且與任務調度模塊的接口一致，使用JSON格式。故此文不再對載波模塊和交采模塊做詳細介紹。

4 測試驗證

按照以上整體和分模塊的設計，在Linux下編寫代碼，搭建數據集采APP，然后在一個典型的使用環境中驗證此APP的功能。選定的配電臺區中需要采集的設備信息見表2。

針對以上設備數據采集有多種方式，但為了驗證數據集采APP的功能，配置以下4個基本采集任務。

1）所有電表和交流采樣的日凍結任務，數據項有正向有功電能示值和反向有功電能示值。

表2 配電臺區需要采集的設備信息

2）三相表的15min曲線任務，數據項有三相電壓、電流和有功功率。

3）單相表的1h曲線任務，數據項有單相電壓和電流。

4）斷路器和電容器的實時數據采集任務，數據項有投合狀態、電壓和電流。

設備信息和采集任務配置后，數據集采APP按配置任務自動抄表，采集數據后傳到數據中心，通過698.45維護軟件和104維護軟件召測的部分數據見表3和表4。

表3 交流采樣和部分電表日凍結數據b

通過表3的數據可知，交流采樣數據在00:00:05就采集并存儲完成，電表的日凍結在00:05:00之后才陸續采集回來，是由于電表的日凍結任務延遲5min執行，留出電表凍結數據的時間，確保一次采集成功率。表4是智能斷路器的實時數據，表中寫的是漏保，是因為漏保是智能斷路器的一種。

表4 斷路器實時數據

通過測試驗證，本文設計的數據集采APP能夠采集整個配電臺區的設備數據，并能根據任務靈活配置，達到臺區智能終端的微應用APP的需求。

5 結論

根據臺區智能終端的數據采集需求，本文設計了一種能對智能配電臺區所有設備進行數據集采的APP，在實際現場應用中，此APP能夠采集設備的電壓、電流、電能示值、低壓智能斷路器和電容器的狀態等，同時可以通過數據中心把數據上送到營銷和運檢的主站中，解決了臺區智能終端所有設備數據集采和數據上送的難題。

遵循此APP的設計方案，方便擴展接入水表、氣表、熱表、局放、水侵和煙感等感知設備，可以支撐智能配電臺區朝著全面感知和分級智能的方向發展。本文設計的APP是根據補抄周期和次數的方式進行自動補抄的，還有另一種方案是補抄一輪，優先級降低一級，但不限制補抄次數，這種方式理論上更能保證數據采集的成功率，但需要以后的實驗驗證。

本文編自2021年第2期《電氣技術》，論文標題為“臺區智能終端數據集采APP的設計和實現”，作者為田星星、李龍龍 等。