电能计量装置品级评价管理系统设计

郝洪星, 李刚, 汪亮, 陈雅伦，张翔宇

(1． 南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏 南京 211106；2. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；3.国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 400000)

0 引 言

在国家电网公司用电信息采集系统建设快速发展的环境下，当前在运电能计量装置的总量达到亿级，新型智能电能表、采集终端、互感器、计量箱等产品大量推广应用，计量装置技术水平大幅提升，有效提升了国家电网公司精益化管理水平。然而电能计量装置是供用电双方贸易结算的法律依据，其计量结果直接关系到双方贸易结算是否公平公正合理[1-2]，因此对电能计量装置进行全面监督和高效管理，保证电能计量装置的科学、可靠和准确，提升电能计量装置品质管理的规范化、标准化水平，为电能计量装置的运维、改造和更换等工作提供技术支撑，是电力企业值得研究的重要课题。

在电能计量装置相关技术领域，国内开展了大量的研究和实践。目前，国家电网公司颁布了电能计量装置管理的相关规程、标准和规范[3]，计量管理部门依据其要求采用定期轮换检定的管理模式。但是这种管理模式涉及电能计量装置各相关部门，不能实现信息集中和共享，无法将电能计量装置关联设备的设备质量、设备配置和设备运行等相关数据有效集成和充分利用。文献[4-7]在分析运行电能计量装置运维现状的基础上，提出了对运行中的电能计量装置进行状态评估的必要性和解决措施，但是没有完整监测电能计量装置的运行情况，电能计量装置整体运维、改造和轮换工作缺乏有效的技术评估手段，没有相关科学指导的数据支撑，导致计量专业整体运营管理能力不足。

本文对当前电能计量装置的管理发展状况进行深入的调研，以评价模型为基础，并对关键技术进行了详细深入的研究，整合了多种数据挖掘算法，用数据挖掘技术解决了大量数据处理问题，实现了电能计量装置品级评价管理。采用数据集成管理、配置管理、运行管理和智能决策管理，完成评价模型和统计分析，并将相关告警实时通报，解决了计量点关联设备数据分散、计量装置评估手段薄弱的问题。

1 电能计量装置品级评价管理系统设计思想

电能计量装置由电能表、计量互感器、采集终端、计量箱(屏、柜)、低压开关设备以及二次回路等组成。电能计量装置品级评价是以评价模型为基础，利用营销业务应用系统、用电信息采集系统和计量生产调度平台等营销类信息系统作为数据收集与实施载体，将电能表、计量用互感器、采集终端、计量箱(屏、柜)、低压开关设备以及二次回路的基础档案和全寿命周期管理各环节影响产品质量的信息进行快速、准确的收集、汇总，根据电能计量装置的设备配置、设备质量、运行环境、施工工艺和数据采录方面建立评价模型并按其确定的公式进行计算处理，确定电能计量装置品质等级。评价结果可在实际工作中科学指导电能计量装置的运维、改造和更换等工作，为电网公司的投资导向提供客观依据。

电能计量装置品级评价管理系统采用集中式的部署模式。以省级电网公司为单位，部署一套系统，设立集中的数据库服务器、应用服务器和数据采集服务器，承担全省信息的采集、存储和业务应用等功能。系统建设采用分层的体系架构建设，建立一个多层次的、松耦合的、具有高度的灵活性的企业级管理分析系统。整个系统的体系架构示意图如图1所示，业务架构示意图如图2所示。

图1 系统体系架构示意图

图2 系统业务架构示意图

2 系统功能

电能计量装置品级评价管理系统功能主要分为4部分：数据集成管理、配置管理、计量装置运行管理和智能决策管理。

2.1 数据集成管理

数据集成是实现企业系统异构数据库间信息的共享和集成的解决方案中最普遍的一种形式[8-9]。系统进行数据集成管理包括数据抽取、数据转换和数据加载。

(1)数据抽取：将营销业务应用系统、用电信息采集系统和计量生产调度平台等营销类信息系统作为数据收集与实施载体，通过接口将电能表、计量互感器、采集终端、计量箱(屏、柜)、低压开关设备以及二次回路的基础档案和全寿命周期管理各环节影响产品质量的信息抽取到计量操作数据存储(ODS)。在抽取过程中这些数据与原业务系统在数据结构、数据之间的逻辑关系上都基本保持一致，极大降低了数据转化的复杂性。

(2)数据转换：在计量ODS中对数据进行数据转换，主要操作包括：将各个应用系统的某个字段进行字段映射、若干个数值型字段进行字段运算、多个字段存储进行字段合并；对重复记录、违反自然规则或业务规则、违反外键规则、空值等数据进行数据清理。

(3)数据加载：首先将抽取并经过转换后的数据写入到指标数据仓库，由于系统采用多线程方式处理数据，而多线程方式不保证记录原有的顺序，因此对加载的数据进行重新排序的数据整理，最后对索引进行更新、删除和重建等索引管理。

2.2 配置管理

配置管理包括评价模型配置、挖掘算法配置和告警配置。

(1)评价模型配置：通过图形展示的方式实现对模型的创建和维护，并在图形界面上展示当前各评价模型的状态并对各模型进行操作。

(2)挖掘算法配置：配置XML支持的挖掘模型，通过解析XML文件，获取具体的模型信息，确定采用的算法以及算法的具体参数，在算法模块中查找指定Class文件或Jar包。

(3)告警配置：针对电能计量装置各个设备类别的特点，制订告警规则维护信息，包括告警类型、阈值等，并设定评分等级。

2.3 计量装置运行管理

对电能计量装置以及各类设备的档案、状态、品级和告警进行综合管理，包括计量装置分布监视、品级评价结果监视、评价趋势分析管理和评价告警信息管理。

(1)计量装置分布监视：以图形展示的方式实现对全省计量装置分布情况的监视和维护，在界面上按照用电类别、计量方式和电能计量装置类型等维度查询计量装置以及各类设备的档案和当前状态。

(2)品级评价结果监视：监视全省计量装置评价等级分布情况和各个等级的计量装置的数量以及占比，通过逐级钻取的方式展示地市计量点评价等级分布情况。

(3)评价趋势分析管理：通过计量装置最近一年的综合得分、等级变化以及通过各种数据挖掘算法获得的各类分析数据生成趋势折线图，评估计量装置的状态和品级。

(4)评价告警信息管理：系统同时将告警信息和相关的实时数据存入数据库，相关人员根据告警信息生成工单对计量装置进行改造，并根据改造情况维护告警信息，以备服务质量统计考核分析。

2.4 智能决策管理

在指标得分库和基础数据库的基础上对电能表、互感器、采集终端、计量箱(屏、柜)、开关以及二次回路现状的品级评价得分进行综合分析，利用交互界面接收用户的检索、查询要求和数据挖掘策略，结合实际业务通过数据挖掘对一定时间段内需改造的设备进行统计，生成改造计划，为投资决策提供依据。并将通过数据挖掘得到的最新报警信息和重要数据超出设定的告警限值产生的告警信息发送到实时告警窗口，并将告警信息按照告警级别以短信方式发送到相关人员手中，使运行管理人员能在第一时间作出反应。

3 关键技术

3.1 数据集成技术

数据集成最核心的三项技术是数据抽取、转换和加载，这三个执行步骤可以根据系统环境特点调整顺序。本系统采用典型的ETL顺序，ETL体系结构示意图如图3所示。

图3 ETL体系结构示意图

数据抽取是数据集成过程中最困难的部分，在具体操作过程中，大部分要解决的技术难点集中在这一点[10-11]。电能计量装置品级评价管理系统目前主要集成营销业务应用系统、用电信息采集系统和计量生产调度平台的数据，根据数据的复杂性、规模性、完整性，数据抽取采用全量抽取和增量抽取。具体操作准则如下：营销业务应用系统和计量生产调度平台中数据量很小和无法分离出的增量数据采用全量抽取，而计量生产调度平台的检定数据和用电信息采集系统的采集数据采用时间戳的增量抽取，在每一次抽取结束时记录本次抽取时间戳字段的最大值，下一次抽取时抽取时间戳的值大于本次时间戳字段的最大值的数据集。

数据加载是将抽取并经过清洗、转换后的数据统一加载到指定的数据仓库系统的一个过程。其中关键技术如下：

(1)数据仓库的加载任务很庞大，系统采用多CPU、多I/O和多线程方式处理数据，并行操作提高数据加载性能，以达到尽量减少数据加载的时间。

(2)系统采用调用相关编程API对数据进行加载的实现途径，这种方法应用灵活，但是需要基于API进行编程，并熟悉相关API。

(3)系统采用的数据加载策略包括：档案数据初始化采用删除表后重建，即若目标表存在，则将目标表先删除后重新创建，若目标表不存在，在直接创建新表；加载数据量少的数据采用清除数据后插入，即清空目标表所有数据，再添加新的数据到目标表中。

3.2 基于关键指标分析的电能计量装置品级评价技术

电能计量装置品级评价管理系统采集到大量的数据和信息，若能对这些数据有效地分析和处理，将能客观评价和反映电能计量装置运行质量水平，帮助电网企业更好地进行运筹决策，为投资导向提供客观依据。电能计量装置的设备配置、设备质量、运行环境、施工工艺和数据采录这5个方面指标能综合发现整个电能计量装置的运行情况。通过对这些关键指标的综合分析和评估，能从整体上了解当前电能计量装置发展的状况，能实时得到电能计量装置运行中不合理和不正常的地方，然后辅助给出处理措施予以补救，从而实现电能计量装置品级评价管理。

评价模型将影响因素分类分级，共分为四级指标。一级指标包括电能表、计量用互感器、采集终端、开关设备、计量箱(屏、柜)、接线安装和二次回路共六类。二级指标按照不同设备的运行特征进行不同设置，包括设备配置、设备质量、运行环境、施工工艺、数据采录等。三、四级指标根据对设备运行的具体影响因素设置不同层级的评价项目。某一套电能计量装置的总体评级模型如式(1)所示。

(1)

式中：Q为某一套电能计量装置品级评价分值；Pi为该套电能计量装置对应的部件的评价分值，其可能是电能表、计量用互感器、采集终端、计量箱(屏、柜)、低压开关设备或接线安装及二次回路中的一种或多种；Ki为该部件对应的权重系数。

(2)

式中：UIi为品级评价某一上级指标的评价分值；LIj为该上级指标对应包含的各项下级指标的评价分值;εj为该下级指标相应的权重系数。

3.3 数据挖掘算法组件技术

接口是组件提供和请求服务的契约，是开发、管理和使用软件组件的基础，是组件同外界唯一的交互途径[12]。本系统通过提供相应的接口集成其他数据挖掘算法，配置组件元信息，利用Java的注解和反射机制实现了算法组件功能，提高系统可扩展性。算法组件结构示意图如图4所示。

图4 算法组件结构示意图

算法组件的配置信息是添加组件和调度组件的纽带，包括算法名称、算法说明、挖掘类型、存放位置、入口函数名称和入口函数参数列表等相关信息。实现算法组件功能需要完成两步:首先，通过注解的方式添加组件元信息，提交并集成到系统中；其次，系统在收到组件后，利用反射机制扫描组件中提供的算法名称定位算法组件，算法组件的入口函数接收组件通过参数描述信息传递的参数值，使系统能够动态调用所添加的挖掘算法组件。

4 结束语

为满足国家电网公司对电能计量装置的业务需求，本文针对电能计量装置存在的问题，设计了电能计量装置品级评价管理系统，并对系统功能进行了实现。整个系统有效集中了电能计量装置关联的设备数据信息，提供了电能计量装置整体运维、改造和轮换工作有效的技术评估手段，改善了运行电能计量装置运维现状，在宏观和微观层面给予相关科学指导的数据支撑，提高了计量专业整体运营管理能力。