智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)研究

(國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

0 引言

隨著計算機時代的到來，信息網(wǎng)絡(luò)正在飛速的發(fā)展，電力行業(yè)也在逐年發(fā)展，隨著人類生產(chǎn)方式水平的不斷提高，人們對于生活的幸福度指數(shù)也在慢慢提升[1]。在這樣的大背景之下，電能表的質(zhì)量狀態(tài)評估變得非常重要，目前來講，以往的電能表質(zhì)量監(jiān)控方案已經(jīng)落后，工作效率低下無法滿足需求。如何提高智能電能表風(fēng)險防范工作，是目前亟待完善的難題[2-3]。

針對上述存在的問題，文獻[4]采用一種自動化設(shè)備用來檢測智能電能表[4]，雖然檢測非常精確，但是研究成本太高，不適合大范圍使用。文獻[5]公開了一種基于層次分析法智能系統(tǒng)對智能電能表的質(zhì)量進行分析[5]，這種方法雖然簡單，但是參入了專家主觀性的判斷，不具有科學(xué)性。為了貫徹國家有關(guān)電力行業(yè)安全管理的規(guī)定，建立完善的智能電能表質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，本文研究出一種方法，具體內(nèi)容闡述如下。

1 智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

針對上述技術(shù)存在的不足，本研究設(shè)計出一種新型的電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)采集服務(wù)端云平臺，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 采集服務(wù)端平臺架構(gòu)圖

如圖1所示，采集裝置服務(wù)端是為了采集生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，向可信采集平臺上傳生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)據(jù)的可配置化節(jié)點應(yīng)用，整個采集服務(wù)器端平臺主要由邊緣計算業(yè)務(wù)系統(tǒng)和云端質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)組成。在邊緣計算技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以便于更加契合與采集終端的關(guān)聯(lián)性，提高對智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)處理的效率。在云端質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中通過智能運維實現(xiàn)對智能電能表的質(zhì)量監(jiān)控，采用SVG和Ajax技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理。

在實際應(yīng)用中，智能電能表質(zhì)量控制主要包括研發(fā)設(shè)計、物料采購、生產(chǎn)制造、出廠供貨等四大環(huán)節(jié)，分析研究各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵質(zhì)控點，提取出各環(huán)節(jié)質(zhì)量基礎(chǔ)能力要素的主要關(guān)注點，這些質(zhì)量基礎(chǔ)能力特性指標與各環(huán)節(jié)質(zhì)控點密切相關(guān)，具有明顯的階段性特征，可以體現(xiàn)各環(huán)節(jié)質(zhì)量基礎(chǔ)能力的能力，保障各環(huán)節(jié)質(zhì)量水平[6-7]。關(guān)于智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)分類我們可以按照不同類型進行分類：

1)按照數(shù)據(jù)來源，把智能電表質(zhì)量數(shù)據(jù)分為研發(fā)設(shè)計、物料采購、生產(chǎn)制造、出廠供貨等數(shù)據(jù)，分別反映各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的質(zhì)量狀態(tài)和水平。

2)按照數(shù)據(jù)性質(zhì)，把智能電表質(zhì)量數(shù)據(jù)分為計量、標準、檢驗檢測、認證認可等四類數(shù)據(jù)，分別反映智能電能表健康情況。

2 智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 采集系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

面向數(shù)據(jù)監(jiān)控，物聯(lián)網(wǎng)市場開發(fā)，在高密度部署和成本間取得黃金平衡，是工業(yè)控制器設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和遠程控制需求的優(yōu)選方案。為解決電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)采集問題，本文設(shè)計了相應(yīng)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)中功能主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)上云、應(yīng)用程序的云端下發(fā)和邊緣部署功能，確保全過程質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置采集、驗證、清洗、分析質(zhì)量數(shù)據(jù)的可信、安全、實時[8-10]。關(guān)于智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如圖2所示，在實際應(yīng)用中，智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)來源，可以分為研發(fā)設(shè)計、物料采購、生產(chǎn)制造、出廠供貨四類。采集器會將這些數(shù)據(jù)信息傳送到各種類型的通信網(wǎng)絡(luò)中，其中有SMS無線網(wǎng)、GPRS/CDMA無線網(wǎng)和光纖網(wǎng)，無線傳輸網(wǎng)一般是公用的，而光纖網(wǎng)則是要自己專門創(chuàng)建。數(shù)據(jù)信息通過轉(zhuǎn)換，經(jīng)過路由器和防火墻之后，通過各種網(wǎng)絡(luò)類型的前置機到達了光端機，經(jīng)過交換機到達服務(wù)端平臺[11-12]。

2.2 采集規(guī)范

采集服務(wù)端平臺中的采集模塊通過兩種模式(實際使用時采用一種或多種)采集質(zhì)量數(shù)據(jù)[13]。

①設(shè)備直采模式：終端應(yīng)用和邊緣采集終端建立連接，向采集終端發(fā)送采集指令，邊緣采集終端向設(shè)備發(fā)送采集指令，設(shè)備反饋數(shù)據(jù)給邊緣采集終端，邊緣采集終端將數(shù)據(jù)反饋給終端應(yīng)用。

②設(shè)備主動上報模式：終端應(yīng)用和邊緣采集終端建立連接，設(shè)備主動將數(shù)據(jù)上報給邊緣采集終端，邊緣采集終端將數(shù)據(jù)實時反饋給終端應(yīng)用。

按照質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方式可分為自動采集、接口導(dǎo)入和人工采集，如圖3所示。

圖3 質(zhì)量數(shù)據(jù)采集

2.3 安全機制

應(yīng)用輕量級證書及可信快速驗簽機制、分布式授權(quán)終端認證接入、分布式可信授權(quán)認證管理模型技術(shù)等可信認證方法，在數(shù)據(jù)接口接入過程中，按照應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)傳輸方式使用對應(yīng)的可信認證方式，使得在智能電能表數(shù)據(jù)采集過程中保證數(shù)據(jù)讀寫的安全。

在數(shù)據(jù)讀寫的傳輸過程中，普遍使用數(shù)字密碼加密的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全防范，在區(qū)域與區(qū)域傳輸線路中建立密碼體系，直接對交互數(shù)據(jù)進行加密，防止非法用戶進行竊取關(guān)鍵信息，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性[14]。傳統(tǒng)方法構(gòu)造防火墻來防御外來非法用戶入侵，但是再完美的防御技術(shù)始終存在一定的漏洞，因此本研究引入入侵檢測和模擬攻防系統(tǒng)，在遇到危險應(yīng)用時主動挖掘定位得到漏洞信息，并進行鏟除。除了相應(yīng)的數(shù)據(jù)安全保護，面對海量的安全風(fēng)險數(shù)據(jù)還需要進行科學(xué)合理化管理，提高整個系統(tǒng)運行性能條件[15]。

3 SVG與Ajax技術(shù)

為解決大量智能電能表質(zhì)量不達標的問題，本研究基于SVG和Ajax技術(shù)構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)以實現(xiàn)對智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)的實施監(jiān)控。下面講具體描述技術(shù)過程。

SVG是一個標準開放的矢量圖像格式，使用簡單的文本命令，便可得出各種數(shù)據(jù)圖像效果，使電能表質(zhì)量狀況通過某個維度清晰地展現(xiàn)在用戶面前。SVG圖像主要還是基于XML的應(yīng)用，其本身除了有

圖4 智能電能表圖像代碼

如圖4所示，本研究采用JavaScript語言對SVG交互技術(shù)進行編碼，JavaScript語言的優(yōu)勢在于能夠直接在Web上進行解析而不需要特定的編譯，利用 JavaScript腳本技術(shù)可以解決SVG圖像的交互問題。SVG圖形交互是采用事件觸發(fā)機制進行實現(xiàn)。在定義SVG元素中對某個對象定義特定事件，當(dāng)事件發(fā)生時觸發(fā)腳本程序完成所需要的功能[19]。

在實現(xiàn)SVG圖像交互過程中，本文發(fā)現(xiàn)服務(wù)器延遲時間依舊很長，智能電能表質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸效率低，針對這種問題，本研究采用Ajax技術(shù)進行改進。Ajax技術(shù)是包含XML、DOM、CSS等多種技術(shù)，并且同樣支持JavaScript語言，使用JavaScript語言能夠很好地處理所有電能表質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)。Ajax改變了傳統(tǒng)服務(wù)器處理方式的規(guī)則，通過不斷更新的方式在服務(wù)器與客戶端之間形成新的交互層，目前成為Web開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[20-21]。為了更好地展現(xiàn)出Ajax技術(shù)的優(yōu)勢，下面講具體進行描述。首先是有關(guān)傳統(tǒng)的Web服務(wù)器處理應(yīng)用程序示意圖如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)的Web應(yīng)用程序處理示意圖

從圖5可以看出，用戶在進行操作過程中，傳輸電能表質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)需要響應(yīng)時間，在服務(wù)器接收到客戶端的請求后，用戶需要經(jīng)服務(wù)器處理后接收結(jié)果，這傳輸時間和處理時間呈串聯(lián)形式，使得所耗時間較長，導(dǎo)致效率低下[22]。Ajax技術(shù)則在常規(guī)Web的基礎(chǔ)之上添入作為中間交互層，以提高服務(wù)器處理數(shù)據(jù)效率。關(guān)于基于Ajax技術(shù)的Web應(yīng)用程序示意圖如圖6所示。

圖6 基于Ajax技術(shù)的Web應(yīng)用程序處理示意圖

從圖6可以看出，在添入了Ajax技術(shù)作為中間交互層的基礎(chǔ)下，客戶端用戶在進行操作后，數(shù)據(jù)的傳輸時間和服務(wù)器的處理時間以并行的方式進行，并且不斷地進行局部更新，瀏覽器不用再費時間處理等待的需求和更新操作。這種方式可以減輕服務(wù)器的負荷處理，減少了用戶所需要等待和數(shù)據(jù)刷新的時間，大大提高了工作效率[23-24]。

通過SVG圖像交互技術(shù)和Ajax技術(shù)改進服務(wù)器處理智能電能表數(shù)據(jù)方式，能夠在很短的時間內(nèi)，得到清晰的智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)圖像信息，采用這兩種技術(shù)不但能提高數(shù)據(jù)處理的效率，也提高了整個采集系統(tǒng)的性能，非常具有實用性。

4 實驗與分析

為了證明本研究的采集服務(wù)端的軟硬件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)智能電能表的質(zhì)量監(jiān)控，下面將通過仿真實驗進行分析。

4.1 智能電能表基本信息

關(guān)于智能電能表基本信息，主要通過國網(wǎng)有關(guān)智能電能表電數(shù)據(jù)庫提取，通過大數(shù)據(jù)云端平臺進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理得到智能表智能電能表參數(shù)信息。由于數(shù)據(jù)庫中關(guān)于智能電能表基本信息種類過多，本研究主要采用的參數(shù)信息有招標批次、智能電能表的型號、中標數(shù)量總和、智能電能表質(zhì)量問題、監(jiān)測人員的姓名和處理意見，如表1所示。

表1 智能電能表樣本信息

4.2 實驗硬軟件環(huán)境

在進行仿真試驗之前，有關(guān)系統(tǒng)運行的環(huán)境是必要的考慮環(huán)節(jié)，要根據(jù)實際情況，才能作出合理地實驗。

在硬件環(huán)境方面，本文采用了B/S的模式，這是因為采集服務(wù)器平臺必須要配置高端的系統(tǒng)，才有更好的采集服務(wù)端，能滿足用戶大多數(shù)的需求。服務(wù)器配置采用Pentium(R)CPU、8核16G內(nèi)存和1T的硬盤容量。在軟件環(huán)境方面，本文采用的操作系統(tǒng)為Ubuntu17.04，以SQL Server 2016版本數(shù)據(jù)庫作為根據(jù)，全部實驗編程通過C++語言進行編寫。

4.3 仿真實驗過程

關(guān)于實驗的設(shè)計本研究將3架客戶端與Web服務(wù)器端相連，Web服務(wù)器另一端連接數(shù)據(jù)庫。其中客戶端采用Ajax技術(shù)，控制界面的操作由客戶端進行。Web服務(wù)器端通過數(shù)據(jù)庫傳輸SVG圖像向客戶端提供數(shù)據(jù)。其中Ajax引擎起到更新頁面與數(shù)據(jù)交互功能。關(guān)于實驗中整個系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。

圖7 實驗中系統(tǒng)的工作原理

針對SVG技術(shù)與Ajax技術(shù)圖像數(shù)據(jù)的實現(xiàn)，本實驗采用智能電能表的日負荷曲線所反映的智能電能表質(zhì)量信息。本實驗通過用戶設(shè)置實時動態(tài)數(shù)據(jù)更新的時間間隔為5分鐘，通過測試系統(tǒng)一些測點的歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計一天內(nèi)負荷的最大值和最小值，運算所有測點的平均值并通過MATLAB軟件得出有關(guān)智能電能表的日負荷曲線如圖8所示。

圖8 智能電能表的日負荷曲線圖

如圖8所示，在日出時間之前，智能電能表電力負荷量平穩(wěn)且高于平均水平，這是因為夜間睡覺期間用電量微乎其微。在6點以后，用電量逐漸增大，智能電能表負荷開始迅猛增加，直到中午12點，負荷量達到最大。之后再到18點，用電量復(fù)雜反復(fù)地在逐漸減少，負荷量達到平均水平線，最后到達夜間0點。

除了對智能電能表的一天負荷量數(shù)據(jù)監(jiān)控，本研究質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)重點還是智能電能表的質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)控以及評估，本研究采取北京國網(wǎng)電力公司2019年5月底至10月中旬時間段，采用本研究質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)對末智能電能表質(zhì)量監(jiān)控，其走勢圖如圖9。

圖9 某智能電能表質(zhì)量監(jiān)控走勢圖

如圖9所示，質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)每15日統(tǒng)計某智能電能表的質(zhì)量狀態(tài)，在5月31日至7月15日期間，該智能電能表性能正常，在7月15日之后到8月15日，該智能電能表出現(xiàn)問題，達到嚴重的故障程度。經(jīng)過監(jiān)控系統(tǒng)抽調(diào)相關(guān)工作人員迅速處理解決故障問題，再到8月31日經(jīng)過監(jiān)控，該智能電能表達到了正常水平。

從上述的實際應(yīng)用中，可以明確的是SVG技術(shù)與Ajax技術(shù)的共同結(jié)合使得圖像數(shù)據(jù)信息十分精確，而且對于非技術(shù)相關(guān)人員，也能讓他們很容易的理解。

5 結(jié)束語

由于當(dāng)前的智能電能表在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域仍受到很多環(huán)境以及其他因素的影響，導(dǎo)致工作效率很低，本文采用數(shù)據(jù)采集技術(shù)和生產(chǎn)過程智能化管理技術(shù)實現(xiàn)對智能電能表監(jiān)控管理系統(tǒng)內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化。通過SVG圖像交互技術(shù)和Ajax技術(shù)改進服務(wù)器處理智能電能表數(shù)據(jù)方式，能夠在很短的時間內(nèi)，得到清晰的智能電能表質(zhì)量數(shù)據(jù)圖像信息。經(jīng)過實驗表明，本研究采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和生產(chǎn)過程智能化監(jiān)控技術(shù)十分實用，將是提升電力企業(yè)形象和電力市場競爭的綜合實力的有效途徑。