朱東升,儲鵬飛,李天陽,李延滿,徐石明

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

0 引言

2017年，國家電網(wǎng)公司公布了《國家電網(wǎng)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(xiàn)智能電能表拆回工作管控和精準(zhǔn)處置是國家電網(wǎng)公司電能表質(zhì)量監(jiān)督管理的重要內(nèi)容之一。本方案結(jié)合Kafka數(shù)據(jù)總線技術(shù)，改造國家電網(wǎng)公司營銷部統(tǒng)一推廣的SG186和省級計量中心生產(chǎn)調(diào)度平臺(measurement of integrated production dispatching system,MDS)，在不影響電能表常規(guī)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(xiàn)拆回電能表的再利用。通過Kafka數(shù)據(jù)總線技術(shù)實現(xiàn)MDS系統(tǒng)對分揀檢測數(shù)據(jù)的歸集，為以后通過大數(shù)據(jù)方法分析挖掘電能表檢測、檢定數(shù)據(jù)價值，更好地支撐計量生產(chǎn)活動奠定基礎(chǔ)。

1 業(yè)務(wù)系統(tǒng)介紹

SG186和MDS作為國家電網(wǎng)公司營銷部推廣的兩大業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在電能表全壽命周期管理各環(huán)節(jié)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(chǎn)活動的管理工具。

1.1 SG186

SG186分為客戶服務(wù)與客戶關(guān)系、電費管理、電能計量及信息采集、市場與需求側(cè)和綜合管理5部分，包含19個業(yè)務(wù)類，各業(yè)務(wù)類包含若干業(yè)務(wù)項及業(yè)務(wù)子項。各業(yè)務(wù)類之間功能獨立但彼此信息共享，共同實現(xiàn)了營銷資源的集約與共享。SG186系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 SG186系統(tǒng)功能圖

1.2 MDS

MDS既是實現(xiàn)省級計量中心現(xiàn)代化、自動化管理的重要工具，也是建設(shè)國家電網(wǎng)公司計量生產(chǎn)管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。MDS功能框架如圖2所示。

2 分揀需求分析

地市公司根據(jù)現(xiàn)場工作人員觀察情況，制定電能表拆回工單，觸發(fā)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(guī)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(jù)分揀處置建議與物資部門、電能表供應(yīng)商確定電能表最終處置結(jié)論并安排實物處置，并調(diào)配倉儲、配送資源協(xié)調(diào)檢定合格的拆回電能表及供應(yīng)商修理、賠付的電能表重新上線運行，實現(xiàn)電能表價值的再利用，降低財政支出。

根據(jù)需求分析可知，分揀流程復(fù)雜，涉及現(xiàn)場作業(yè)、電量退補、產(chǎn)品驗收、室內(nèi)檢定、分揀檢測、倉儲配送、物資處理等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。除分揀檢測為新增環(huán)節(jié)外，SG186的“新裝增容及變更用電”支持電能表的現(xiàn)場作業(yè)，MDS的“生產(chǎn)運行管理”、“生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控”對新購的電能表在驗收、檢定、倉儲、配送等環(huán)節(jié)已起到較好支撐[2]。為避免系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)，通過改造SG186和MDS，實現(xiàn)對拆回分揀工作的支撐，快速、穩(wěn)健地推進電能表拆回業(yè)務(wù)的開展。

3 分揀架構(gòu)構(gòu)建

通過改造SG186中新裝增容及變更用電業(yè)務(wù)以及MDS驗收、檢定、倉儲、配送等模塊，實現(xiàn)電能表拆回業(yè)務(wù)線上閉環(huán)管理；設(shè)計并采用全新的分揀裝置，實現(xiàn)電能表常見故障的快速檢測；引入Kafka+Zookeeper搭建數(shù)據(jù)服務(wù)總線作為系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互載體，實現(xiàn)檢測信息的歸集[3]。

3.1 數(shù)據(jù)服務(wù)總線

Kafka數(shù)據(jù)服務(wù)總線包含Producer、Consumer、Topic、Broker以及Zookeeper這5大核心組件。

①Producer：消息的生產(chǎn)者，向Broker發(fā)送消息。

②Consumer：消息的消費者，讀取Broker中的消息。

③Topic:用于區(qū)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(qū)中，每個分區(qū)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(wù)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(jiān)視著集群各節(jié)點的狀態(tài)，保證消息的穩(wěn)定傳輸。

服務(wù)總線運行機制如下。

①在所有的Producer、Consumer、Broker節(jié)點上配置Zookeeper服務(wù)器地址信息，保證Zookeeper能夠有效管理集群。

②3個Broker節(jié)點同時去Zookeeper注冊臨時節(jié)點，注冊成功的是Controller節(jié)點，剩余兩個是Follower節(jié)點。若其中一個Broker宕機，Controller從Zookeeper讀取最新的Broker集群信息，根據(jù)算法重新部署B(yǎng)roker中Topic信息的存儲，決定所有Topic分區(qū)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(qū)。

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(yōu)化Consumer獲取Topic信息的分區(qū)源，保證了每個Consumer都能及時地獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。分揀架構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)服務(wù)總線示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)服務(wù)總線示意圖

3.2 SG186改造

3.2.1 流程變動

在拆回流程發(fā)起后，新增“是否需檢定計算電量退補”、“臨時檢定”環(huán)節(jié)。

①是否需檢定計算電量退補：現(xiàn)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(fā)臨時檢定環(huán)節(jié)，對拆回電能表的計量性能進行檢定，將結(jié)果反饋至用戶并進行電流退補操作，完成歸檔。

3.2.2 數(shù)據(jù)同步

新增功能模塊調(diào)用Kafka producer的java API接口，在Kafka注冊名為“disMeterinfo”的Topic。設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含電能表拆除過程數(shù)據(jù)、電能表基本檔案等SG186信息，調(diào)用Producer的send()方法將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)總線。

3.3 MDS改造

3.3.1 功能改造

①“三級應(yīng)用”。地市公司、供電所增加MDS客戶端，授權(quán)分揀用戶登陸MDS，并根據(jù)用戶的角色配置對應(yīng)的操作權(quán)限、菜單權(quán)限等。改造MDS省級計量中心、地市公司、供電所的“三級應(yīng)用”,實現(xiàn)對分揀工作各環(huán)節(jié)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(xiàn)拆回電能表在省計量中心和地市庫房之間的流轉(zhuǎn)。

③配送模塊?，F(xiàn)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(tǒng)籌規(guī)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(xiàn)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(wù)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(quán)后重新上線運行。

⑤分揀檢測。新增分揀檢測模塊，實現(xiàn)電能表“分選”、“檢測”、“復(fù)檢”環(huán)節(jié)的任務(wù)安排、人員調(diào)度、裝置檢測、過程管控，通過與分揀裝置的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)同步

MDS新增3個Producer客戶端和3個Consumer客戶端，實現(xiàn)與SG186和分揀裝置的數(shù)據(jù)交互。3個Producer分別實現(xiàn)對裝置下發(fā)權(quán)限認證信息、下發(fā)分揀信息以及下發(fā)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(jié)果信息以及裝置故障信息。

3.4 分揀裝置設(shè)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(biāo)簽打印單元。單元的安全防護及試驗方法應(yīng)滿足Q/GDW 365-2009、Q/GDW 1365-2013的相關(guān)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(shù)據(jù)交互，接收MDS下發(fā)的用戶信息、分揀方案，并上傳檢測結(jié)論等?？刂栖浖诮y(tǒng)一通信協(xié)議與檢測單元進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線方式進行數(shù)據(jù)交互，交互主題如下。

①權(quán)限認證(auth Topic)。MDS下發(fā)權(quán)限認證內(nèi)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(quán)限。

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

③控制軟件升級(softud Topic)。MDS下發(fā)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(jié)果上傳(sortup Topic)。控制軟件上傳分揀任務(wù)完成信息、分揀檢測結(jié)果信息、被檢電能表故障信息。

⑤裝置故障上傳(macftup Topic)?？刂栖浖蟼餮b置故障信息至Kafka數(shù)據(jù)總線，MDS根據(jù)故障信息安排檢修工作。

3.4.2 控制軟件與內(nèi)部檢測單元交互

控制軟件基于用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)的服務(wù)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(xié)議交互。標(biāo)簽打印單元通過調(diào)用驅(qū)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(fā)起請求數(shù)據(jù)，檢測單元作為服務(wù)方返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。

①請求幀。

cmd=命令字,sn=序號,data=數(shù)據(jù)n。

cmd包含讀、寫、操作3種類型；sn表示功率源號、標(biāo)準(zhǔn)表號、表位號信息；data表示具體的數(shù)據(jù)。

②響應(yīng)幀。

cmd=命令字,sn=號,ret=0/1,data=數(shù)據(jù)n。其中：ret=0表示正常響應(yīng)，ret=1表示異常響應(yīng)。

根據(jù)不同的檢測方案，控制軟件發(fā)送參數(shù)信息給檢測單元。檢測單元解析參數(shù)調(diào)整自身電壓、電流、角度等配置數(shù)據(jù)[10]，兼容不同規(guī)格電能表的檢測。

4 應(yīng)用案例

2016年，國家電網(wǎng)公司營銷部要求構(gòu)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(gòu)升級改造，實現(xiàn)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(jié)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(shè)，拆回電能表數(shù)量占運行數(shù)量的3%。通過對舊表的利用，預(yù)計可節(jié)約成本3 600萬元。隨著拆回分揀工作在國家電網(wǎng)27個省公司的全面展開，將帶來幾十億的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的智能電能表分揀架構(gòu)通過改造既有的SG186、MDS系統(tǒng)，采用新的分揀裝置，避免了系統(tǒng)的重復(fù)性建設(shè)，保證在不影響正常計量生產(chǎn)活動的情況下開展分揀工作，解決了傳統(tǒng)檢定臺數(shù)量少、價格昂貴、質(zhì)監(jiān)局授權(quán)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(wǎng)公司各網(wǎng)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(chǎn)資源消耗及廢舊物資處置對環(huán)境的負面影響。