拆回電能表分揀架構設計與實現

朱東升,儲鵬飛,李天陽,李延滿,徐石明

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 210003；2.國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

2017年，國家電網公司公布了《國家電網公司電能表拆回分揀管理辦法》，要求各單位全面推進電能表分揀管理工作。實現智能電能表拆回工作管控和精準處置是國家電網公司電能表質量監督管理的重要內容之一。本方案結合Kafka數據總線技術，改造國家電網公司營銷部統一推廣的SG186和省級計量中心生產調度平臺(measurement of integrated production dispatching system,MDS)，在不影響電能表常規檢定工作的情況下，采用性價比更高的裝置用于大量拆回電能表的分揀檢測，快速推進電能表分揀工作，實現拆回電能表的再利用。通過Kafka數據總線技術實現MDS系統對分揀檢測數據的歸集，為以后通過大數據方法分析挖掘電能表檢測、檢定數據價值，更好地支撐計量生產活動奠定基礎。

1 業務系統介紹

SG186和MDS作為國家電網公司營銷部推廣的兩大業務系統，在電能表全壽命周期管理各環節中扮演著重要的角色：SG186是面向用戶的主要窗口，MDS是省級計量中心日常生產活動的管理工具。

1.1 SG186

SG186分為客戶服務與客戶關系、電費管理、電能計量及信息采集、市場與需求側和綜合管理5部分，包含19個業務類，各業務類包含若干業務項及業務子項。各業務類之間功能獨立但彼此信息共享，共同實現了營銷資源的集約與共享。SG186系統功能如圖1所示。

圖1 SG186系統功能圖

1.2 MDS

MDS既是實現省級計量中心現代化、自動化管理的重要工具，也是建設國家電網公司計量生產管控系統的基礎。MDS功能框架如圖2所示。

2 分揀需求分析

地市公司根據現場工作人員觀察情況，制定電能表拆回工單，觸發電能表拆回工作，并將拆回的電能表歸檔后配送至省公司拆回表分揀單位[1]。分揀單位將拆回表按一定規則存入庫房，同時制定電能表分揀工作計劃，并按照計劃采用分揀裝置檢測拆回表性能，給出處置建議。電能表管理部門根據分揀處置建議與物資部門、電能表供應商確定電能表最終處置結論并安排實物處置，并調配倉儲、配送資源協調檢定合格的拆回電能表及供應商修理、賠付的電能表重新上線運行，實現電能表價值的再利用，降低財政支出。

根據需求分析可知，分揀流程復雜，涉及現場作業、電量退補、產品驗收、室內檢定、分揀檢測、倉儲配送、物資處理等業務環節。除分揀檢測為新增環節外，SG186的“新裝增容及變更用電”支持電能表的現場作業，MDS的“生產運行管理”、“生產調度監控”對新購的電能表在驗收、檢定、倉儲、配送等環節已起到較好支撐[2]。為避免系統的重復建設，通過改造SG186和MDS，實現對拆回分揀工作的支撐，快速、穩健地推進電能表拆回業務的開展。

3 分揀架構構建

通過改造SG186中新裝增容及變更用電業務以及MDS驗收、檢定、倉儲、配送等模塊，實現電能表拆回業務線上閉環管理；設計并采用全新的分揀裝置，實現電能表常見故障的快速檢測；引入Kafka+Zookeeper搭建數據服務總線作為系統間的數據交互載體，實現檢測信息的歸集[3]。

3.1 數據服務總線

Kafka數據服務總線包含Producer、Consumer、Topic、Broker以及Zookeeper這5大核心組件。

①Producer：消息的生產者，向Broker發送消息。

②Consumer：消息的消費者，讀取Broker中的消息。

③Topic:用于區分不同消息的類別。每一類消息稱為一個Topic，一個Topic可以存儲在若干分區中，每個分區都有一個Leader用來處理讀寫操作。

④Broker：代表每個Kafka實例。一臺Kafka服務器就是一個Broker，一個Broker可以包含多個Topic。

⑤Zookeeper：作為Broker集群的管理者，監視著集群各節點的狀態，保證消息的穩定傳輸。

服務總線運行機制如下。

①在所有的Producer、Consumer、Broker節點上配置Zookeeper服務器地址信息，保證Zookeeper能夠有效管理集群。

②3個Broker節點同時去Zookeeper注冊臨時節點，注冊成功的是Controller節點，剩余兩個是Follower節點。若其中一個Broker宕機，Controller從Zookeeper讀取最新的Broker集群信息，根據算法重新部署Broker中Topic信息的存儲，決定所有Topic分區中Leader的選取。

③Producer采用Push方式把消息寫入指定Topic，Kafka將消息均勻分布到不同Broker的分區。

④Consumer采用Pull的方式訂閱Topic信息，一個Topic消息可以被一個或多個Consumer消費。Zookeeper通過負載均衡，優化Consumer獲取Topic信息的分區源，保證了每個Consumer都能及時地獲取準確數據。分揀架構如圖3所示。數據服務總線示意圖如圖4所示。

圖4 數據服務總線示意圖

3.2 SG186改造

3.2.1 流程變動

在拆回流程發起后，新增“是否需檢定計算電量退補”、“臨時檢定”環節。

①是否需檢定計算電量退補：現場員工與用戶確認電能表信息，用戶無異議后簽字確認，完成電能表歸檔[4]。

②用戶對電表有異議，提出申訴，觸發臨時檢定環節，對拆回電能表的計量性能進行檢定，將結果反饋至用戶并進行電流退補操作，完成歸檔。

3.2.2 數據同步

新增功能模塊調用Kafka producer的java API接口，在Kafka注冊名為“disMeterinfo”的Topic。設計統一的數據結構包含電能表拆除過程數據、電能表基本檔案等SG186信息，調用Producer的send()方法將數據發送至數據服務總線。

3.3 MDS改造

3.3.1 功能改造

①“三級應用”。地市公司、供電所增加MDS客戶端，授權分揀用戶登陸MDS，并根據用戶的角色配置對應的操作權限、菜單權限等。改造MDS省級計量中心、地市公司、供電所的“三級應用”,實現對分揀工作各環節的管控。

②倉儲模塊。改造倉儲模塊兼容拆回電能表的出入庫操作，并實現拆回電能表在省計量中心和地市庫房之間的流轉。

③配送模塊。現有配送模塊采取訂單式配送的方式，省級計量中心匯總地市電能表需求，統籌規劃安排電能表配送，配送完成后配送貨車空載返回省級計量中心，未實現對配送資源利用的最大化[5]。通過融合電能表配送計劃與地市拆回表退庫至省級計量中心的計劃，在不增加配送任務的情況下，省級計量中心匯總各地市的拆回電能表。

④檢定模塊。兼容分揀檢測合格的拆回電能表重新上臺檢定，獲得授權后重新上線運行。

⑤分揀檢測。新增分揀檢測模塊，實現電能表“分選”、“檢測”、“復檢”環節的任務安排、人員調度、裝置檢測、過程管控，通過與分揀裝置的數據交互[6]，匯總裝置給出的處置建議，供工作人員最終處置拆回電能表時參考。

3.3.2 數據同步

MDS新增3個Producer客戶端和3個Consumer客戶端，實現與SG186和分揀裝置的數據交互。3個Producer分別實現對裝置下發權限認證信息、下發分揀信息以及下發裝置軟件升級信息。3個Consumer分別用于消費營銷同步的信息、裝置上傳的分揀結果信息以及裝置故障信息。

3.4 分揀裝置設計

分揀裝置由檢測單元和控制軟件兩部分組成。檢測單元包括基本功能檢測單元、圖像識別單元、費控功能檢測單元、通信功能檢測單元、標簽打印單元。單元的安全防護及試驗方法應滿足Q/GDW 365-2009、Q/GDW 1365-2013的相關要求，能夠有針對性地對電能表功能進行快速檢測。

檢測單元如圖5所示。

圖5 檢測單元示意圖

控制軟件與MDS數據交互，接收MDS下發的用戶信息、分揀方案，并上傳檢測結論等。控制軟件基于統一通信協議與檢測單元進行數據交互[7]，對整個分揀過程進行控制。

3.4.1 控制軟件與MDS交互

控制軟件與MDS采取Kafka數據總線方式進行數據交互，交互主題如下。

①權限認證(auth Topic)。MDS下發權限認證內容，包括裝置IP、裝置編號、登陸用戶名及密碼，裝置驗證是否有操作裝置的權限。

②分揀信息下發(sortdw Topic)。MDS下發包括分揀任務、分揀方案以及被檢測電能表信息，控制軟件根據具體分揀方案控制檢測單元，實現對被拆回電能表的檢測。

③控制軟件升級(softud Topic)。MDS下發控制軟件版本信息及升級包[8]，控制軟件從Kafka獲取版本信息與自身版本對比，自動升級控制軟件版本。

④分揀結果上傳(sortup Topic)。控制軟件上傳分揀任務完成信息、分揀檢測結果信息、被檢電能表故障信息。

⑤裝置故障上傳(macftup Topic)。控制軟件上傳裝置故障信息至Kafka數據總線，MDS根據故障信息安排檢修工作。

3.4.2 控制軟件與內部檢測單元交互

控制軟件基于用戶數據協議(user datagram protocol,UDP)的服務程序與檢測單元通信[9]，圖形識別單元采用GIGE Vision 2.0接口協議交互。標簽打印單元通過調用驅動軟件方式交互，通信功能檢測單元采用串口方式與控制軟件交互。

控制軟件作為請求方發起請求數據，檢測單元作為服務方返回響應數據。

①請求幀。

cmd=命令字,sn=序號,data=數據n。

cmd包含讀、寫、操作3種類型；sn表示功率源號、標準表號、表位號信息；data表示具體的數據。

②響應幀。

cmd=命令字,sn=號,ret=0/1,data=數據n。其中：ret=0表示正常響應，ret=1表示異常響應。

根據不同的檢測方案，控制軟件發送參數信息給檢測單元。檢測單元解析參數調整自身電壓、電流、角度等配置數據[10]，兼容不同規格電能表的檢測。

4 應用案例

2016年，國家電網公司營銷部要求構建分揀體系，落實分揀工作。以江蘇省電力公司為例，通過本文提供的方案對其分揀架構升級改造，實現累計分揀拆回電能表264萬只，其中維修121.5萬只、賠付54.5萬只，節約表計購置成本約2.82億元，并使得庫存積壓率降低70%。河南、山東等公司作為試點單位，也積極開展分揀工作建設，拆回電能表數量占運行數量的3%。通過對舊表的利用，預計可節約成本3 600萬元。隨著拆回分揀工作在國家電網27個省公司的全面展開，將帶來幾十億的經濟效益。

5 結束語

本文設計的智能電能表分揀架構通過改造既有的SG186、MDS系統，采用新的分揀裝置，避免了系統的重復性建設，保證在不影響正常計量生產活動的情況下開展分揀工作，解決了傳統檢定臺數量少、價格昂貴、質監局授權困難等問題，降低了拆回分揀工作的推廣難度，提高了舊表的利用率，減少了不必要的資源浪費。國網公司各網省單位積極開展電能表分揀工作，減少了投資成本，降低了生產資源消耗及廢舊物資處置對環境的負面影響。