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面向综合能源的计量数据标准化采集研究

发表时间：2021/7/2 来源：《中国电力企业管理》2021年3月作者：赵玉婷、孙文博

[导读] 本文通过开展面向综合能源的计量数据标准化采集研究取得了以下成果。（１）提出了采集终端设备通信协议自适应快速接入技术。通过基于微服务化的分布式架构技术的综合能源采集系统框架，实现新增规约的快速配置、动态加载，同时可兼容结构化规约和非结构化规约。通过通信和采集前置设备分离，实现采集任务进程水平动态扩展，最终实现采集终端设备通信协议的自适应快速接入。

甘肃省天水市国网天水供电公司赵玉婷、孙文博 741000

摘要：本文通过开展面向综合能源的计量数据标准化采集研究取得了以下成果。（１）提出了采集终端设备通信协议自适应快速接入技术。通过基于微服务化的分布式架构技术的综合能源采集系统框架，实现新增规约的快速配置、动态加载，同时可兼容结构化规约和非结构化规约。通过通信和采集前置设备分离，实现采集任务进程水平动态扩展，最终实现采集终端设备通信协议的自适应快速接入。（２）提出了综合能源数据高频高密采集技术方案。针对综合能源数据高频高密采集需求，按需定制高频高密采集方案，利用多任务自适应实时调度技术高效调度海量采集任务，结合分布式的Ｒｅｄｉｓ缓冲、并发入库、大数据计算等技术，分别提升数据读取、入库、计算能力，构建综合能源数据高频高密采集架构体系，最大限度实现数据的高频高密采集，满足各业务系统数据分析等应用需求。
关键词：面向综合能源；计量数据；标准化采集
        引言
        综合能源标准化采集的发展方向是把每个用能单元集合起来组成一个整体，但并不只是简单将单元的仪表、传感器、通信系统集中起来组建成一个大的系统，而是通过制订标准化能源档案管理模型、能源参数管理模型、能源采集管理模型、能源数据发布模型，最终实现综合能源采集标准化。
        1综合能源计量数据特征分析及流转
        综合能源系统包括的能源类别较多，在能源综合计量过程中，不同类型能源的时间颗粒度存在一定差异，并且能源的使用形式以及本质属性的差异导致数据元素存在数据结构、数据存储等内容的较大差异。针对电能这类实时生产和消耗的、不可大规模存储的能源，时间采集颗粒度较小，并且采集面较广；而对于水、气、热等，采集时间颗粒度较大，一般生活中的数据采集均是按月计量，每日数据的采集需求不高。
        综合能源的计量与大数据、能源互联网的建设十分紧密，应当协调不同能源类型数据采集的频率和采集方式。由于综合能源计量过程中面对的是不同采集时间尺度要求、不同数据结构元素构成的复合数据结构，因此，有必要对综合能源计量的数据体系进行深入研究。
        综合能源涉及到较多的数据类型和数据量，不同能源使用形式的数据采集到统一的数据库进行计量时涉及到数据流转。目前数据领域中，针对数据流转主要分为数据削峰、数据解耦和数据异步。数据削峰是将数据写入和处理分开进行，将大量的数据写入到计量消息队列中，后端再根据数据的处理能力进行进一步分析；数据解耦是将大量的数据分解到不同的服务器中，从多个数据写入端和数据读取端进行分布式处理；数据异步是指读写状态的时间差异性。针对综合能源大数据计量，在数据流转过程中，可以结合不同能源的数据结构采取不同的数据流转方案，减轻数据存储器的处理压力，提高能源综合计量效率和质量。
        2存在的问题
        目前，综合能源信息采集系统的采集设备接入、数据高频高密采集、数据标准化共享存在如下制约。（１）用能采集系统无法灵活配置并快速适配各类采集终端，制约了多种类型综合能源采集设备数据采集、数据分析的发展。（２）采集数据在专变用户中为每日９６点／天（采集周期为１５ｍｉｎ），无法按需提高数据采集频率。居民采集为１点／天，即采用日冻结方式，无法满足小时、分钟级的监测与应用需求。（３）基于业务快速发展需要，越来越多的业务系统对用能信息采集系统提出数据需求，但是目前的系统共享数据缺少统一的规范流程和标准模式，存在数据共享应用的瓶颈。

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        3研究目标及内容
        本文通过建设新型的用能信息采集系统，使用基于微服务化的分布式架构，开发标准化统一接入、标准化高频高密采集、标准化精准计量模块，实现终端快速接入、数据高频高密采集、标准化数据共享等功能需求，达到以下目标：通过建立协议库，实现综合能源采集终端快速、统一接入，解决采集终端接入工序复杂、周期长的问题；升级用能信息采集系统架构，实现综合能源数据高频高密采集，满足数据分析等业务应用需求；搭建能源计量数据共享模块，实现综合能源数据系统间共享。
        对于综合能源标准化采集，分别在传统用能信息采集系统的通信管理层、数据存储层、数据共享层对技术架构进行调整及拓展。将以电表及集中器为主的传统用能信息采集系统拓展为具备多种能源接入能力的综合能源标准化采集系统；拓宽数据采集频率，提升系统数据采集频率，达到可采集数据粒度为每分钟（分钟级），可按需调整采集密度实现高频高密采集；提供标准化数据共享规范，实现综合能源数据标准化数据共享。
        3.1采集终端设备通信协议的标准化接入
        通过建立接入协议的标准库，实现采集终端设备的多种协议接入。（１）建立多设备、多规约适配协议库。通过任务标准化、规约配置化、规约接入服务化来实现前置采集多规约适配。（２）重构分布式、微服务架构的用能采集前置应用。传统采集系统中，通信前置和采集前置绑定在一个进程中，无法进行灵活、动态的弹性扩展，通过引入分布式、微服务架构改造传统采集系统，实现通信前置和采集前置的水平扩展或根据协议的独立扩展。（３）搭建支持多任务层级、高并发接入的通信前置。引入Ｅｐｏｌｌ技术、线程池和ＪＡＶＡ　ＮＩＯ技术，搭建支持多任务层级、高并发接入的通信前置，进而提升高并发连接时的稳定性。
        3.2高频高密数据采集及能源计量应用
        （１）多任务自适应实时调度技术。采用多任务自适应实时调度方法，可考虑最短调度长度和负载均衡这两个指标，并能在有新的采集服务器上线或下线时，下次调度能重新分配任务，从而实现综合能源数据弹性采集架构即插即用。（２）服务高频高密数据的采集技术。通过用能采集方案定制服务，针对各类型采集对象定制个性化的数据采集策略，实现多源异构数据按需采集和分级采集，并支持用户对终端采集方案和系统采集方案分别进行线上配置。（３）提升数据读取性能的分布式缓存技术。采用Ｒｅｄｉｓ分布式缓存，是内存中的分布式解决方案，能高性能读取数据、动态扩展节点、自动发现和切换故障节点。（４）提高数据入库效率的分布式技术。基于分布式入库技术，通过入库集群服务实现数据并行入库，并在其中一个节点出现故障后能通过其他节点完成入库。
        3.3面向外部系统的综合能源数据共享技术
        通过用能信息采集系统的能源计量数据共享技术，实现静态数据发布、实时数据发布、外部数据获取、特定交互接口、需求管理、配置管理、服务监测等功能。采用主流的数据发布消息队列为一体，提供高效、高性能的在线订阅服务，为政府部门、企业、居民提供能源数据共享及业务场景服务支撑。
        （１）业务驱动下的静态数据交互。静态数据只按照周期性对外提供数据，包括采集系统的档案数据、冻结数据、曲线数据、统计数据、指标数据等。（２）业务驱动下的实时数据推送。实时数据包括用能信息采集的终端、电表事件数据等。
        结束语
        针对综合能源采集设备接入、数据高频高密采集、数据标准化共享过程中存在的问题，基于多厂商、多设备、多规约协议快速适配技术，保证各厂商不同产品与用能信息采集系统兼容，通过封装多种通用主流规约和提供多种规约格式定义器，使用能信息采集系统具备快速接入各种采集终端的能力，实现了规约解析服务的扩展性。同时建立标准化对外提供计量数据共享服务模块，实现采集数据的统一标准数据共享，充分发挥用户能源计量数据共享模块的支撑作用。
参考文献
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