前置机系统在用户用电信息采集系统中的优化研究

2012-06-25朱小青

湖北理工学院学报 2012年4期

邬疆朱小青

(黄石供电公司，湖北黄石435003)

0 引言

电力用户用电信息采集系统是将负控终端、配变终端、低压集中器融为一体，统一管理的操作分析系统，具备用电负荷监控与管理、线损分析、自动抄表、用电检查(防窃电)、负荷预测等功能[1]。用户用电信息采集主要是面向用户侧的管理，而电力用户又具有种类、数量繁多，地域分散的特点，因此用户用电信息采集系统数据采集具有以下特点:

1)由于智能电网的飞速发展，采集终端数量近年来急剧增加，今后几年还将有大量的采集终端安装。如何管理好众多的终端并采集好数据，对采集工作提出了更高的要求。以湖北某供电公司为例:从2008年初终端(负控终端、低压集中器)1 300台，至2011年底管理的终端(负控终端、配变终端、低压集中器)已经达到9 870台。

2)电力用户具有种类、数量繁多，地域分散的特点，决定了终端安装的环境、位置复杂。例如部分低压集中器安装在用户地下室，导致配电房内信号差;而一些负控终端则安装在偏远地区，信号较弱;配变终端安装在变压器、电线杆旁受到温度、湿度、气候等环境的影响，这些因素都会影响采集终端登录前置机和上传数据。

3)前置机一天中采集数据最大的时间是在每日0点。由于居民低压集抄的数据冻结在0点，此时，主站进行采集，其中包括负控终端、配变终端的数据。如果前置机分配不均很容易造成数据的堵塞，形成压力。

4)远程通信是指采集终端和系统主站之间的数据通信，可分为专网通信和公网通信，包括光纤专网、无线公网(GPRS和 CDMA等)、230 MHz无线专网、中压载波等多种通信方式[2]。目前采集终端主要传输模式有:230 MHz、GPRS，黄石地区使用的是移动 GPRS、联通及电信CDMA。

前置机是电力用户用电采集系统的前沿，是采集终端与主站应用服务器的连接纽带，担任着主站下发指令和终端上传报文的重要角色，负责整个用户用电采集系统数据的采集工作[3]。由于用户用电采集系统管理负控、配变、低压集中器等不同终端，上述终端功能不同、分布广、采集的数据类型多样，终端数量增长快等一系列的特点对前置机的可靠性、可维护性、扩充性都提出了较高的要求。

1 前置机系统需满足的要求

电力用户用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，其工作过程为:首先通过前置机对采集回的报文进行解析，然后主站工作人员通过应用系统对数据进行用电分析。所以前置机系统是主站系统的咽喉，也是信息交换的枢纽。可见前置机系统的运行稳定性、可靠性至关重要，因此，对前置机系统提出了以下要求:

1)可靠性。前置机系统必须有冗余配置，无论是传输通道，还是通信接收设备以及前置机均要预留一定的资源做为备用，当某些设备发生故障时能保证数据的可靠传输。同时还要实时监视设备运行状况，及时发现故障，并实现自动/手动无缝切换，防止数据丢失。

2)可扩充性。当前日益增长的终端数量对前置机系统的扩充性提出了更高的要求。不仅是在硬件安装配置方面要考虑扩充能力，对软件设计也要考虑依据采集设备的需求可以灵活地添加，从而保证终端数量增加时数据的采集速度和完整性。

3)标准统一。终端和前置机 IP地址、APN接入点、端口应按统一的编码进行设计，以保证前置机可以互为备用，合理分配负载，便于出现故障时可替换。例如:移动、联通、电信3家运营商使用相同的 APN:HSGDGS.HB。登录前置机的IP地址、端口也需一致。统一的标准便于系统、现场的管理，也更利于前置机对负载进行均衡分配。

4)实时性。负荷管理系统虽然对数据的即时性要求不高，但受其终端数量多及资源的限制，其轮询所有终端所需的时间相对较长，因此很难满足实际需要。随着用户数量的不断增加，传统的主备运行方式已无法满足要求，必须采用一种新的运行模式将任务分散到几台前置机去共同完成。

2 现有前置机系统运行模式及解决思路

目前负控终端通信商常见的有移动、联通、电信3家。其中移动份额较多，联通次之，电信受其通信模块的限制，份额较少。受终端设备IP地址、信道运营商标准的限制，通常是3台前置机，移动、联通、电信各自为阵。在正常情况下，所有来自省信道商的信息分别发送至各前置机，前置机接收各自信道数据。运行初期，终端设备较少，矛盾还不突出，经一段时间的运行，终端数量迅速增加，发现在此模式下，存在以下问题:

1)前置机系统负载极不平衡。虽然有3台前置机，但是其中一台负载过重，容易引起故障，而另2台负载不足，造成资源浪费。

2)隐患大。若某一前置机发生故障，将导致前置机上所有数据无法接收。

3)不利于基层员工进行维护。3家运营商所设置登录前置机的IP地址、APN接入点、端口各不相同，当终端出现问题时，只能更换原信道运营商的SIM卡，若想更换为其他信道运营商则必须更改终端 IP地址等设置，这对一般基层操作员来说难度较大，且不利于各运营商间的竞争。

如图1所示，移动、联通、电信3家通信公司共有4根专线接入到集抄专网防火墙，防火墙上每个接口配置了不同的IP地址，通过在防火墙上做NAT网络地址转换，使通过某条专线发送过来的采集信息固定地映射到某一台前置机上。专线与前置机映射配置如表1所示。

图1 网络配置图

表1 前置机对应专线名称和防火墙接口

现有前置机系统运行模式中，前置机负载不平衡即终端登录的分布不均问题最为常见，表2为2012年2月26日17∶10时查询到的每台前置机的负载情况。

表2 前置机的终端数量分布

当终端数量很多时，现有前置机的设计已经不能满足需求。如果大规模改动当前设计，工作量太大，会造成长时间内大量终端无法上线。针对以上主要矛盾及现状，笔者提出了以下解决办法:

1)增加2台PC服务器作为负载均衡服务器，如图2所示，2台服务器均接入到前置机所在网络，无需对网络进行任何配置。

图2 负载均衡的前置机配置

2)在负载均衡服务器上安装linux操作系统，配置LVS软件，由LVS软件负责对终端发起的连接负载均衡至各个前置机。

3)在负载均衡服务器上安装keepalive软件。该软件负责将2台负载均衡服务器组合成一个主备方式运行的群集，群集会提供一个浮动的IP地址供客户端访问，同时监测2台负载均衡服务器的运行状态，一旦任意一台负载均衡服务器发生故障，群集将切换浮动的IP地址至正常的服务器。另外，群集还负责对后端3台前置机进行健康检查，一旦发现有前置机故障，它将不会分配连接至故障前置机。

4)修改集抄专网防火墙NAT网络地址转换配置，将外部专线发过来的终端数据全部映射到负载均衡服务器浮动的IP地址上，即可实现前置机负载均衡。

5)该方案无需对前置机、应用服务器、数据库等用电信息采集系统现有架构进行任何改动，只需修改防火墙的 NAT网络地址转换配置即可实现全部终端至前置机连接的负载均衡。该方案还可以使所有终端都访问同一个主站端口。

表3为2012年3月20日14:10时查询到的每台前置机的负载情况。

表3 前置机的终端数量分布

前置机中切换方式的优点是:①适用于已经运行大规模采集终端的供电公司。②真正意义上实现负载均衡，实时监视设备及通道性能、动态切换端口及通道。③所有前置机参与运行，充分利用资源，提高了运行效率，还避免了数据在每日0点大规模采集时造成的堵塞，满足了实时性要求。④不再局限于双机、主备运行方式，随着终端数量增多，系统可“积木式”添加前置机数量，打破传统模式的扩充限制。