用電信息采集系統(tǒng)業(yè)務處理機的設計

周馳， 魏巍

(南京南瑞信息通信科技有限公司， 江蘇， 南京 210000)

0 引言

前置處理系統(tǒng)在用電采集系統(tǒng)中處于承上啟下作用，對下接入多種電力抄表終端，對上支持電力業(yè)務應用。其最大目標需要支撐4 000萬用戶的數(shù)據(jù)，300萬終端的連接，以保證用電采集系統(tǒng)可靠運行。但是在運行過程中，通信連接難以實現(xiàn)精準判斷，網(wǎng)絡狀態(tài)中的負載均衡性也得到了極大挑戰(zhàn)，給業(yè)務處理機的正常運行造成麻煩。

為了提高通信效率，文獻[1]通過設計與終端相匹配的功率器件和組件，采用高碼率通信技術實現(xiàn)處理機的通信，通過完善通信終端設備，提高了通信功能。這種方法雖然對提高通信性能具有幫助，但是在設計時，不同的通信設備需要不同的設備工裝，這種方法成本高、效率低下。文獻[2] 將接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)劃分為多個不同的業(yè)務數(shù)據(jù)塊進行緩存，然后將通信處理機接收的業(yè)務數(shù)據(jù)分別分區(qū)進行存放，在進行數(shù)據(jù)通信時，能夠保證通信處理機與主機間接收數(shù)據(jù)完整性。這種方法雖然實時性好，應用起來也比較靈活，很容易實現(xiàn)，但是在多業(yè)務處理機進行數(shù)據(jù)通信時，很難實現(xiàn)信道分配。

1 總體方案設計

本研究的前置機根據(jù)采集應用配置的采集任務信息，實時或定時對指定范圍內(nèi)的終端、電能表及對應的數(shù)據(jù)項進行批量的自動采集，設置兼容多種通信形式的業(yè)務處理機接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上報事件的采集和通信，

在運行環(huán)境為WebLogic 11 g+Oracle 10 g[3-4]下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運行，實現(xiàn)主機調(diào)度功能和子調(diào)度服務功能。利用可視化監(jiān)控技術手段，實現(xiàn)前置機數(shù)據(jù)的遠程在線監(jiān)控，提高了數(shù)據(jù)監(jiān)控能力。業(yè)務處理機架構設計示意圖如圖1所示。

在圖1的前置機工作架構設計中，利用層次化設計的方法實現(xiàn)前置機架構設計，在結構上包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)關接口層、采集應用層和前置機應用層[5]。在數(shù)據(jù)采集層中，其內(nèi)設置了數(shù)據(jù)采集模塊，在數(shù)據(jù)采集模塊上設置了通信接口，通過通信接口實現(xiàn)前置機通信連接管理模塊。該模型連接有報文轉(zhuǎn)發(fā)模塊、終端通信連接模塊、規(guī)約注冊與匹配模塊、進程管理模塊等。終端通過負載均衡設備F5連接到網(wǎng)關。網(wǎng)關主要負責維護終端的連接信息、對終端規(guī)約的適配，同時把終端的連接信息進行數(shù)據(jù)管理。其中，一個網(wǎng)關服務器接入終端最大連接數(shù)30萬。在網(wǎng)關能夠識別終端對應的規(guī)約，同時對報文進行拆分，每個網(wǎng)關報文內(nèi)部只有一個獨立的協(xié)議報文，然后進行報文組裝和解析，網(wǎng)關和前置的通信協(xié)議和前置機的連接斷開以后可以主動重連，在網(wǎng)關實現(xiàn)心跳管理，直接回復終端的心跳報文。上述數(shù)據(jù)通過采集應用層進行數(shù)據(jù)采集，最終在前置機應用層中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的應用。應用類型包括網(wǎng)關通信連接管理模塊、轉(zhuǎn)發(fā)報文組裝與解析、多規(guī)約選擇器、緩存隊列負載均衡、報文重發(fā)管理、終端狀態(tài)管理、召測管理、數(shù)據(jù)批處理和376.1規(guī)約管理模型[6]。

圖1 前置機架構設計示意圖

在上述設計中，前置機內(nèi)的功能邏輯架構示意圖如圖2所示。

圖2 業(yè)務處理機功能架構示意圖設計示意圖

在圖2的架構設計中，通過終端通信連接進行數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)在初始化的時候，打開終端連接監(jiān)聽端口，等待終端建立連接。當收到終端的連接信息，判斷如果是終端建立連接，那么把連接信息交給epoll程序負責維護終端連接信息、監(jiān)聽終端數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)到終端；如果是終端斷開連接，那么通知epoll刪除連接，并且通知終端狀態(tài)管理程序。在進行報文轉(zhuǎn)發(fā)管理時，通過組裝終端上行報文并轉(zhuǎn)發(fā)到前置機和解析前置接下行報文轉(zhuǎn)發(fā)至終端[7]。

2 關鍵技術設計

2.1 通信連接管理方法

在本研究設計中，網(wǎng)關負責與前置通信的負載均衡[8-9]，網(wǎng)關連接所有前置，然后發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過隨機算法定位到一個前置發(fā)送數(shù)據(jù)。如果連接斷開，網(wǎng)關負責自動重連。本研究采用通信資源優(yōu)化的電力線載波通信路由算法[10](CRORA)實現(xiàn)通信資源的合理分布。其方法如下。

假設在前置機工作過程中，其內(nèi)現(xiàn)有的帶寬可用率記作為[11]

(1)

式中，η表示現(xiàn)有的帶寬可用率，ObBk(l)表示為業(yè)務處理機當前業(yè)務k具有的通信寬帶資源信息，UsBj(l)表示業(yè)務處理機當前業(yè)務k已經(jīng)用掉的通信寬帶資源信息。

如何計算出網(wǎng)絡資源利用率，本研究引用了線路負載的平衡差，該計算公式可以為

(2)

式中，σ(G)表示為標準差，其中，G=(E,N,H)表示為處理機通信網(wǎng)絡中的負載因子，當η≤σ(G)時，則表示處理機當前的網(wǎng)絡狀態(tài)為負載不均衡，當η>σ(G)時，表示當前處理機運行過程中的網(wǎng)絡狀態(tài)為負載不均衡。通過計算前業(yè)務處理機采集數(shù)端和數(shù)據(jù)接收端進行匹配，最終滿足η≤σ(G)的狀態(tài)，實現(xiàn)當前處理機網(wǎng)絡運行的平衡。為了進一步描述負載是否均衡，通過以下代碼表示。

處理機負載業(yè)務類別判斷代碼

do{

由網(wǎng)絡服務質(zhì)量確定業(yè)務處理機通信信源節(jié)點處的業(yè)務信息，設置Labj為業(yè)務處理機的服務類型

If(Lab==AF)

Switch(bucket)}

Case1: Labj_Is為低丟包率時；

Case2: Labj_Is為中丟包率時；

Case3: Labj_Is為高丟包率時；

}

} which(識別完畢當前業(yè)務處理機所有的業(yè)務數(shù)據(jù))

根據(jù)當前業(yè)務處理機確定的路由類型，對通信鏈路的復合量度類型進行選擇：

do{

if(在路由器通信鏈路中存在與當前處理機業(yè)務相匹配的路徑時)

將當前的Lab進行數(shù)據(jù)加載，并發(fā)送當前的數(shù)據(jù)報文，轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)信息：

else{

if(通信鏈路與負載量平衡) {

η[ ]= {BW,Hp,Metric}

}

調(diào)用式(1)和式(2)

}while(業(yè)務處理機遍歷完畢)

End

通過上述方法，實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務處理機的通信連接管理方法。

2.2 業(yè)務處理機通信信道分配算法

下面通過分步驟的方法對業(yè)務處理機通信信道分配算法進行以下說明。

步驟一 選擇業(yè)務處理機通信信道中的總功率，設定總功率為

Si=λ-γi,i=1,2,…,N

(3)

Si=max{0,λ-γi},i=1,2,…,N

(4)

假設業(yè)務處理機通信信道待分配總功率為Stotal，則業(yè)務處理機通信信道中子載波分配的總功率需滿足以下條件[12]：

(5)

(6)

在式(3)～式(6)中，Si表示業(yè)務處理機中不同的子載波需要消耗的實際信號功率總量。其中，C表示業(yè)務處理機正常工作所需要的信道容量，C/W表示業(yè)務處理機正常工作需要的信道容量所需要的頻譜利用率，單位用bps/Hz表示，γi表示頻譜使用過程中，對其消耗的功率進行歸一化時，在數(shù)據(jù)接收端輸出的信噪比。為了提高本研究業(yè)務處理機通信信道功率利用效率，本研究采用拉格朗日乘數(shù)法函數(shù)表示，則函數(shù)方程可以表示為

(7)

式中，字母l為拉格朗日乘數(shù)因數(shù)，通過計算可以介于1～4之間。為了計算每個不同信號的功率分布，啟動微分方程，在式(7)中輸出的目標函數(shù)F中， 對不同信道的子載波輸出功率Si進行一階偏導數(shù)求導，輸出的函數(shù)為

(8)

步驟二 為了理論化業(yè)務處理機通信信道分配效率，在計算時，假設子信道外無子載波信號，功率泄露數(shù)值J=0, 業(yè)務處理機通信信道功率泄露矩陣可以為J(i,j)=1；然后將業(yè)務處理機中不同的子信道實際發(fā)射功率清零；最后根據(jù)業(yè)務處理機通信信道增益對不同信道具有的子載波進行功率分配，得到的功率為P0。當P0>0時，實施信道功率分布；當P0≤0時，不實施信道功率分布。

步驟三 設置約束條件，當不同功率通過業(yè)務處理機通信信道中，假設增益幅度為h(i,j)，根據(jù)設置的功率約束值G進行恰當?shù)夭季?，將F值與G值的大小進行對比分析，當F

步驟四 通過步驟三設置的約束函數(shù)，對待選擇的功率因數(shù)進行數(shù)據(jù)集合分類，實際值小于設定值的信道數(shù)據(jù)集合設置為A，實際值大于設定值的信道數(shù)據(jù)集合設置為D，然后將這些不同的業(yè)務處理機通信信道載噪比的數(shù)據(jù)集合進行排序。

步驟五 按照步驟三設置的約束條件，對滿足條件的業(yè)務處理機通信信道功率值進行分配，假設將業(yè)務處理機通信信道載噪比的數(shù)據(jù)集合A中的通信信道載噪比的數(shù)據(jù)集合按照正常實際發(fā)射功率來分配，對業(yè)務處理機通信信道載噪比數(shù)據(jù)集合D中的子載波按照步驟三中的實際約束功率進行功率分配，本研究借助于信道容量公式完成不同信道子載波功率分配，公式有：

(9)

通過式(9)計算出實際待分配的信道容量，其中，PT(fn)表示業(yè)務處理機通信信道內(nèi)子信道的分配功率，h(fn)表示業(yè)務處理機通信信道內(nèi)頻率響應參數(shù)，NR(fn)表示業(yè)務處理機通信信道內(nèi)的噪聲功率數(shù)據(jù)。通過上述方法，實現(xiàn)業(yè)務處理機通信信道子載波的動態(tài)分配，提高了信道容量的使用率。

3 試驗結果與仿真

在對研究的前置機各項功能進行驗證時，試驗環(huán)境為基于Windows 7的操作系統(tǒng)，開發(fā)語言為Java，開發(fā)環(huán)境為Eclipse+Tomcat 6.0+Oracle 10 g。網(wǎng)關采用C開發(fā)，前置機采用Java開發(fā)。試驗架構示意圖如圖3所示。

圖3 業(yè)務處理機架構示意圖

自動采集任務由三部分功能組成，包括主調(diào)度服務、子調(diào)度服務、監(jiān)控服務。采集任務用到的任務緩存和檔案緩存要各單獨一個實例進行部署。下面將本研究通信資源優(yōu)化的電力線載波通信路由算法與常規(guī)技術中路由器連接的方式進行對比，以驗證本研究算法通信效率。經(jīng)過2 h數(shù)據(jù)通信后，網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 業(yè)務處理機通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖

試驗時，在業(yè)務處理機通信網(wǎng)絡中人為制造不平衡功率因素，以10個通信節(jié)點為案例進行具體化說明本研究算法對通信網(wǎng)絡的分配的能力。表1為采用常規(guī)技術中路由器通信方式，數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 采用路由器通信后的數(shù)據(jù)試驗結果

采用通信資源優(yōu)化的電力線載波通信路由算法進行通信后，得出的數(shù)據(jù)信息如表2所示。

表2 采用本研究算法的數(shù)據(jù)試驗結果

通過表1和表2的對比示意表可以看出，本研究方法的功率分布效率較高。

下面對業(yè)務處理機通信信道分配算法進行驗證，為了區(qū)分本研究方法，將采用分配算法和未采用分配算法進行對比，假設選擇1 000個信道數(shù)據(jù)樣本，在2 h內(nèi)將其進行分布，準確率示意圖如圖5所示。

通過圖5可以看到，采用本研究方法能夠使本研究的誤差處于較低的水平，說明本研究的方法效率高。

圖5 準確率對比示意圖

4 總結

本研究在電采集系統(tǒng)中設計出新型的業(yè)務處理機，設計出包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)關接口層、采集應用層和前置機應用層的網(wǎng)絡架構，提高了數(shù)據(jù)通信能力。構建出通信資源優(yōu)化的電力線載波通信路由算法，采用業(yè)務處理機通信信道分配算法。在信號總功率為固定值的情況下，對具有不同信號增益的子信號載波進行信道功率分布，提高了業(yè)務處理機通信的容量。本研究的方法提高了業(yè)務處理機的通信能力。