國網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)2.0終端技術架構方案研究

摘要：國網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)2.0終端技術架構方案涉及全面的系統(tǒng)需求分析、總體架構設計，包括硬件和軟件兩大部分。硬件設計關注電源、數(shù)據(jù)采集、處理及人機交互等模塊；而軟件設計則側重開發(fā)環(huán)境配置、層次結構、功能模塊劃分及流程與界面設計。整個系統(tǒng)強調接口的標準化與安全性設計，以保障系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，并滿足未來電力市場的需求。

關鍵詞：用電信息采集系統(tǒng)終端技術架構硬件設計軟件設計安全設計

ResearchontheTechnicalArchitectureSchemeforStateGridPowerConsumptionInformationCollectionSystem2.0Terminal

XUWeiCHENMengABDUJILIAihaiti

StateGridYiliYihePowerSupplyCo.，Ltd.，YiningCity，YiliKazakhAutonomousPrefecture，XinjiangUygurAutonomousRegion，835000China

Abstract：TechnicalArchitectureSchemeforStateGridPowerConsumptionInformationCollectionSystem2.0Terminalinvolvescomprehensivesystemrequirementsanalysis，overallarchitecturedesign，includinghardwareandsoftware.Hardwaredesignfocusesonpowersupply，dataacquisition，processingandhuman-computerinteractionmodules，whilesoftwaredesignfocusesondevelopmentenvironmentconfiguration，hierarchicalstructure，functionalmoduledivisionandprocessandinterfacedesign.Thewholesystememphasizesthestandardizationofinterfacesandsecuritydesigntoguaranteetheefficientandstableoperationofthesystemandtomeettheneedsofthefuturepowermarket.

KeyWords：Powerconsumptioninformationcollectionsystem;Terminaltechnicalarchitecture;Hardwaredesign;Softwaredesign;Securitydesign

為了實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和精細管理，國網(wǎng)逐步引入了用電信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在用戶端部署終端設備，實時采集和傳輸用電信息，為電網(wǎng)調度和管理提供了重要數(shù)據(jù)支撐。然而，由于原有終端技術存在一些問題，如傳輸速度慢、安全性不夠等，對電網(wǎng)監(jiān)控和管理的效率和精度有一定的限制。因此，為了提升終端設備的性能和功能，國家電網(wǎng)正開展國網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)2.0終端技術架構的研究工作，旨在提高終端設備的傳輸速度、數(shù)據(jù)安全性和擴展性，進一步提升電網(wǎng)的管理水平和服務質量。

1用電信息采集系統(tǒng)2.0終端技術架構方案

1.1系統(tǒng)需求分析

用電信息采集系統(tǒng)2.0終端技術架構方案的需求即確保系統(tǒng)設計滿足當前和未來的業(yè)務需求，包括對實時數(shù)據(jù)采集、處理與分析的需求，以及對系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和安全性的要求。系統(tǒng)應具備高速數(shù)據(jù)處理能力，支持多用戶并發(fā)訪問，并能夠輕松集成新技術，需考慮系統(tǒng)的可擴展性和兼容性，以適應不斷變化的電力市場和技術標準。

1.2系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)總體架構設計需要綜合考慮硬件和軟件的協(xié)同工作，以實現(xiàn)高效的用電信息采集，該架構應采用分層設計，包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和應用服務層。架構應支持模塊化和組件化，以便在未來能靈活地添加或更新功能模塊，總體架構還應考慮容錯能力和負載均衡，確保系統(tǒng)在各種條件下都能穩(wěn)定運行[1]。

1.3系統(tǒng)硬件架構設計

硬件架構設計關注于終端設備的物理組成，包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機交互模塊等。電源模塊需提供穩(wěn)定的電力供應；數(shù)據(jù)采集模塊負責收集各類傳感器的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊需要有足夠的計算能力來分析和處理數(shù)據(jù)；人機交互模塊則涉及顯示屏和操作界面的設計，以便用戶能夠直觀地監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)[1]。

1.4系統(tǒng)軟件架構設計

軟件架構設計需要確保系統(tǒng)的軟件層次清晰，模塊劃分合理。軟件應采用現(xiàn)代編程實踐，如面向對象編程，以提高代碼的可維護性和可擴展性。功能設計應涵蓋數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和展示等方面，提供用戶友好的操作界面[2]。軟件流程設計要考慮數(shù)據(jù)的實時性和準確性，確保系統(tǒng)響應迅速且無誤差。

2用電信息采集系統(tǒng)2.0終端硬件設計方案

2.1電源模塊

在用電信息采集系統(tǒng)2.0終端的硬件設計方案中，電源模塊是至關重要的組成部分，該模塊的主要功能是將輸入的交流電（AlternatingCurrent，AC）或直流電（DirectCurrent，DC）轉換為適合終端設備使用的穩(wěn)定直流電壓?，F(xiàn)代電源模塊通常采用開關電源技術，它相比線性電源提供了更高的能量轉換效率和更小的體積。開關電源以高頻開關電路和先進的電力電子組件，如MOSFETs或IGBTs，實現(xiàn)高效率的能量轉換，電源模塊設計時還需考慮隔離保護，以保障系統(tǒng)安全[3]。通常包括電磁兼容（ElectroMagneticCompatibility，EMC）濾波器、過壓保護（OverVoltageProtection，OVP）、過流保護（Overcurrentprotection，OCP）和短路保護等。為了適應不同的應用環(huán)境，電源模塊還需要具備寬輸入電壓范圍和良好的穩(wěn)壓性能。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是用電信息采集系統(tǒng)2.0終端的核心部分，負責從電網(wǎng)的各種傳感器和測量設備中收集關鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常包括電壓、電流、頻率、相位角等參數(shù)，現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集模塊通常集成了高精度的模擬—數(shù)字轉換器（Analog-to-DigitalConverte，ADC）、可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC），以及多種通信接口如RS-485、以太網(wǎng)或無線通信模塊。這些組件使數(shù)據(jù)采集模塊能夠高效地處理和傳輸數(shù)據(jù)。為了提高模塊的抗干擾能力，設計時還會采用屏蔽技術、濾波器和防護電路來減少噪聲的影響。

2.3數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊在用電信息采集系統(tǒng)2.0終端中起著至關重要的作用，該模塊的核心任務是分析和處理從數(shù)據(jù)采集模塊收集到的數(shù)據(jù)。通常，這一模塊會包括一個或多個微處理器、數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessing，DSP），或者現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA）。這些高性能硬件組件能夠執(zhí)行復雜的數(shù)學運算和數(shù)據(jù)分析算法，如傅里葉變換或功率質量分析，以及實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)?，F(xiàn)代的數(shù)據(jù)處理模塊還需集成機器學習或人工智能算法，用于預測電網(wǎng)負荷、故障檢測，以及優(yōu)化能源分配。

2.4人機交互模塊

人機交互模塊為用電信息采集系統(tǒng)2.0終端提供了用戶與系統(tǒng)之間的交互界面。此模塊的設計關鍵在于使用戶能夠直觀、便捷地訪問系統(tǒng)信息和控制功能，它通常包括顯示屏、觸摸屏、按鍵、指示燈等組件。在硬件技術層面，高清液晶顯示屏（LiquidCrystalDisplay，LCD）或有機發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode，OLED）屏幕可用于展示系統(tǒng)數(shù)據(jù)和圖形界面，而觸摸屏技術如電阻式、電容式或紅外觸摸屏則允許用戶直接觸摸進行操作。另外，人機交互模塊還包括物理按鍵、旋鈕或遠程控制接口。在設計時，考慮用戶的體驗，該模塊應具有清晰的指示標識、直觀的操作邏輯和快速的響應時間。

3用電信息采集系統(tǒng)2.0終端軟件設計方案

3.1系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

在用電信息采集系統(tǒng)2.0終端的軟件設計方案中，選擇合適的系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境是至關重要的。開發(fā)環(huán)境應支持整個軟件生命周期，從編碼到測試、部署和維護。通常采用集成開發(fā)環(huán)境（IntegratedDriveElectronics，IDE），如Eclipse或VisualStudio，這些IDE提供代碼編輯、調試、版本控制和項目管理等工具。嵌入式系統(tǒng)可使用KeilMDK、IAREmbeddedWorkbench等專業(yè)嵌入式開發(fā)工具。編程語言的選擇也至關重要，C/C++常用于性能敏感的任務，而Python或Java用于高級應用層或腳本編寫。代碼示例：

```c

//一個簡單的C語言代碼片段，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)

#include<stdio.h>

#include"sensor_library.h"

intmain（）{

intsensor_value=read_sensor_data（）;

if（sensor_value>=0）{

printf（"Sensorvalue：%d

"，sensor_value）;

}else{

printf（"Errorreadingsensordata.

"）;

}

return0;

}

```

3.2系統(tǒng)軟件層次結構

軟件層次結構通常包括硬件抽象層（HardwareAbstractionLayer，HAL）、操作系統(tǒng)層（OperatingSystem，OS）、中間件層、應用層和用戶界面層。

硬件抽象層（HAL）提供了與硬件通信的接口，封裝了對硬件操作的細節(jié)，例如HAL包含用于初始化ADC和讀取傳感器數(shù)據(jù)的函數(shù)；操作系統(tǒng)層（OS）負責資源管理和任務調度，嵌入式系統(tǒng)常用的操作系統(tǒng)有FreeRTOS、VxWorks或Linux。操作系統(tǒng)層提供了線程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等服務[4]；中間件層提供了網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)庫存儲、安全服務等功能，如使用MQTT或CoAP作為通信協(xié)議，SQLite作為輕量級數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。應用層包含了業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)處理算法，是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心。代碼示例：

```

//代碼示例，展示數(shù)據(jù)處理的一個簡單算法

voidprocess_data（Data*raw_data）{

CleanedDatacleaned_data=clean_noise（raw_data）;

AnalyzedDataanalyzed_data=analyze_trends（cleaned_data）;

store_to_database（&analyzed_data）;

}

```

3.3系統(tǒng)軟件模塊劃分

在用電信息采集系統(tǒng)2.0終端的軟件設計中，合理的模塊劃分至關重要。主要的軟件模塊包括：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：負責從傳感器收集原始數(shù)據(jù)，它應高效地與硬件通信，周期性地讀取和緩存數(shù)據(jù)，代碼示例常涉及定時器中斷服務程序和ADC讀取函數(shù)。（2）數(shù)據(jù)處理模塊：分析并處理原始數(shù)據(jù)，提取有用信息，此模塊包含數(shù)字信號處理算法，如快速傅里葉變換（FastFourierTransformation，F(xiàn)FT）。（3）數(shù)據(jù)庫管理模塊：負責數(shù)據(jù)的持久化存儲和高效查詢，使用嵌入式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如SQLite，或直接以文件系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)文件。（4）通信模塊：負責將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至外部系統(tǒng)，同時處理來自遠程的命令和控制請求，此模塊需要實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議棧和通信協(xié)議[5]。（5）人機交互模塊：提供圖形用戶界面（GraphicalUserInterface，GUI），允許用戶監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、查看數(shù)據(jù)和修改配置，涉及使用圖形庫和UI框架；（6）系統(tǒng)監(jiān)控和診斷模塊：監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況，執(zhí)行故障檢測和系統(tǒng)維護任務。

3.4系統(tǒng)軟件功能設計

用電信息采集系統(tǒng)2.0終端的軟件功能設計需要緊密結合各項技術需求，確保系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性，主要的軟件功能模塊包括以下幾個方面。

（1）數(shù)據(jù)采集與處理。利用高精度的ADC和定時器中斷技術實現(xiàn)對電網(wǎng)參數(shù)的實時監(jiān)測，以數(shù)字信號處理技術如快速傅里葉變換（FFT）進行電網(wǎng)信號分析，識別和記錄電能質量事件。（2）數(shù)據(jù)存儲與管理。采用嵌入式數(shù)據(jù)庫如SQLite來存儲歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)日志，同時使用文件系統(tǒng)操作來實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份和恢復功能。（3）通信接口。集成TCP/IP協(xié)議棧和無線通信模塊，支持通過以太網(wǎng)或Wi-Fi等方式將采集到的數(shù)據(jù)上傳至中心服務器或云平臺，實現(xiàn)MQTT或CoAP等輕量級通信協(xié)議。（4）用戶交互。開發(fā)基于GUI框架（如Qt）的用戶界面，提供實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)配置等功能。（5）系統(tǒng)監(jiān)控與診斷。實現(xiàn)系統(tǒng)自檢功能，定期檢測硬件和軟件的健康狀態(tài)，并通過日志記錄和告警機制來報告異常情況。

4結語

研究對國網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)2.0的終端技術架構方案進行了全面設計和分析，優(yōu)化終端技術架構能提高系統(tǒng)的性能和可靠性，進一步滿足電力行業(yè)對用電信息采集系統(tǒng)的需求。未來，需進一步完善系統(tǒng)的功能和性能，結合新技術不斷創(chuàng)新，推動智能電網(wǎng)建設及用電信息管理的發(fā)展。

參考文獻

[1]陶忠.電力用戶用電信息采集系統(tǒng)終端電源接入技術[J].電力安全技術，2021，23（11）：59-61.

[2]陳非凡，趙浩杰.用電信息采集終端故障分類與處理解決對策[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（11）：91.

[3]夏水斌，張芹，謝瑋，等.電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設研究[J].自動化與儀器儀表，2018（10）：48-50.

[4]吳麗娜.用電信息采集數(shù)據(jù)分析監(jiān)控技術的應用[J].中外企業(yè)家，2017（35）：118-119.

[5]牛光輝，李家樂，胡海輝，等.一種適用于用電信息采集終端的通訊中繼設備的設計與應用[J].自動化應用，2017（2）：65-67.