面向电网协同业务场景的数据全链路检测研究

李学龄,崔 焱,柴雁欣

(南方电网数字电网研究院有限公司平台安全分公司，广东 广州 510663)

0 引言

随着社会经济的高速发展，电力数据的规模急剧增加。电力行业是我国经济的重要组成部分，电力行业的发展依赖于高效的电力系统。电力系统作为工业物联网的主要创新应用之处[1]，可以通过物联网技术将电网中的各种设备连接起来，从而形成智能电网。智能电网的突出特点是具有智能检测功能，依赖智能交互、数据挖掘等技术实现海量数据的处理[2]。国内外电力企业在这方面进行了大量的投入，并逐渐积累了许多经验和成果。美国邮政电力公司通过数据中心对业务数据进行资源整合，完成不同层级的业务交互，并对电网数据链路进行完整的运营决策[3]。英国国网公司基于数据链路的融合与实时电网数据分析，对电能服务进行有效的调度和预测，为公司的电费价格机制和业务场景实现提供辅助研判手段[4]。而在国内：华东电网集团对电网软件的数据整合能力进行提升，通过其商业智能(business intelligence，BI)系统智能化地监控电网运行状态，为电力供应提供保证[5]；南方电网集团采用集团的系统应用产品(system applications and products，SAP)平台对业务数据进行融合管理，并逐渐搭建企业级的数据仓库平台，检测电网业务的接口，提升服务能力[6]。

本文采用Web开发技术，针对电网业务中的数据全链路检测问题进行研究，着重解决行业面临的信息化规划不统一、重复功能建设的痛点，对提升电力数据的各个分离系统协作、核心数据的横向流动具有积极的指导意义。

1 数据全链路检测系统架构设计

数据全链路检测系统的设计应遵循模块化原则、可靠性原则以及扩展性原则[7]。模块化原则要求各功能块具有高聚合性及良好的封装性。各功能块之间通过接口进行交互。可靠性原则保证开发技术的成熟性[8]，同时也是对电网业务安全、可靠运行的必要性原则。而扩展性原则是对电网运营业务的后续扩展采取交互接口的预留措施[9]。通过这些接口，可以方便地对各个功能进行升级和扩充，以便后续程序的应用扩展。本文设计的网络架构采用浏览器/服务器(browser/server，B/S)模式和服务器/客户机(client/server，C/S)模式相结合的方式。运维人员的操作交互功能基于B/S的网络交互模式，主要是用Web浏览器进行业务通信。而电力企业的电网调度平台、数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统、地理信息系统(geographic information system，GIS)、自动发电控制(automatic generation control，AGC)等电网运维软件的交互功能则是基于C/S的网络架构。数据全链路检测系统的网络架构如图1所示。

客户端通过公司业务网与数据库服务器和Web服务器进行交互。Web服务器与实时通信服务器进行数据通信。根据Web服务器的访问请求，对SCADA系统、电网调度平台等软件实行数据采集和反馈。

全链路检测系统的逻辑架构和业务流程也是以数据为核心设计的。数据的流转从数据源开始，经历数据仓库、数据分析模型以及统计计算等环节[10]。其设计逻辑的总体架构可以划分成三个层次，依次是数据层、逻辑层和展示层[11]。三个层次之间既是逻辑上的组合，又存在交互依赖的关系，对整体的逻辑架构进行支撑。全链路数据检测系统逻辑如图2所示。

数据层维护操作数据存储，实现数据读写功能。逻辑层对应逻辑处理组件，对数据进行统计分析和计算挖掘。展示层则是逻辑结果的可视化体现，展示各个组件的Web页面，对数据结果以报表的形式进行反馈。

2 功能子模块设计

2.1 交互设计

目前，电网数据的全链路检测功能是通过电网公司已布署的管理平台软件来实现的。这类管理平台软件一般是电网调度平台、SCADA系统、GIS、AGC等[12]。全链路检测功能依靠跨平台的交互进行设计。根据需求分析，研发人员确定交互数据的类型和来源。全链路检测功能模块显示的数据状态包括负荷率、供电效率、容量信息、运行数据以及电功率的峰谷值等。

数据交互功能主要是依靠异构数据库的共享服务机制，在各平台的接口增加共享服务接口。Web服务器通过后台交互服务与实时通信服务器进行通信交互[13]。采集的电网数据通过以太网通信技术，由服务器进行接收。Web服务器的跨平台通信基于传输控制协议(transmission control protocol，TCP)[14]，依靠Socket套接字进行周期性的数据发送与数据接收。

数据全链路检测系统数据交互功能框架如图3所示。

2.2 功能设计

对于全链路数据检测的功能设计，依照数据系统所要求的功能进行拆分与封装，从而对各个模块化的结构进行联系和组合。面对各个协同业务，数据全链路的检测系统可以从供电能力检测、运行效率检测、数据统计分析及数据质量检测四个方面入手。供电能力检测模块囊括了供电系统、变电站、主设备的负荷检测，同时也包含电力设施的轻载和过载的分布检测能力。运行效率检测除了上述的电力设施检测之外，还有片区的预警、业务协调度预警和均衡度检测等子模块。数据统计分析包含数据全链路中设备的关联分析、可用容量分析以及供电区域聚类分析等子模块的设计。数据质量检测功能是本检测系统对各个软件平台的存储数据的一致性判断管理。该功能通过核查运行数据和档案数据的匹配程度，有助于发现现行规则下的数据错误和错误明细。整体功能设计划分如图4所示。

3 全链路检测功能实现与测试

3.1 数据库布署

系统数据库采用微软公司的SQL Server 2015企业版作为主数据库。该数据库在Web服务器进行端口注册和配置通信端口。Web服务器的布署采用独立主机方式。在系统展示层布署Web数据展示页面和HTTP访问功能。数据库采用IIS Internet Information Service组件搭建Web服务。数据库的配置方式设置为Release模式。数据库的协议类型设置为HTTP类型。数据库的.NET CLR的版本设置为v4.5。数据库的托管管道设置为CLASSIC模式。通过上述步骤，完成Web服务器主机的搭建。

Web服务器后台数据交互功能流程如图5所示。

数据交互的通信功能利用.NET平台的定时器和TCP Socket套接字实现。数据采集周期用定时器的监听间隔来设置，通过事件触发实现交互通信。代码封装在Web服务器后台数据交互功能Windows服务类的启动函数OnStart()中，同时在OnStop()函数中进行定时器处理。

3.2 功能模块实现

依据3.1节的设计方案，实现供电能力检测功能模块的界面。根据查询时间或者查询类型等查询条件，界面可显示查询时间段内供电区负荷的最大值、最小值以及平均值，并对电网公司的供电区用电负荷的数据链路进行检测。该界面通过Web页面，以图形化的方式进行展示。

系统负荷和变电站负荷数据根据所选择区域和时间，在数据库中进行检索，并在获取之后利用amCharts组件显示在客户端的界面上。打开变电站负荷监测功能的运行页面，可根据查询条件，查到某一设备在变电站内主变压器的平均负荷值。Web页面也会显示最大负荷与最小负荷以及负荷均值等。通过该检测方法可以看出设备类型和时间范围。

系统运行效率、设备协调度也以图形化的形式进行显示。数据展示结果包括均衡度检测和片区效率检测、效率预警和协调度预警等信息。这些数据结果都是通过跨平台交互获取的电网数据。同时，为了更好地展示数据检测结果，可利用仪表盘、柱状图等多种形式，让功能模块实现的数据表达更加清晰、直观。系统运行效率模块可根据查询操作，显示出系统运行效率、系统协调度、主设备运行效率、主设备均衡度等界面。

以下对电网公司的各个业务运营指标关联关系加以分析，采用影响度指标界面进行说明。系统按照电网管理人员提交的统计维度、统计年份、设备类型等条件，以电力设备的出厂日期作为横轴、额定容量作为纵轴，对设备运行效率进行关联统计。Web界面体现了影响度分析、关联分析、可用容量分析、主设备对比分析、行政区聚类分析、供电区聚类分析、主设备聚类分析等功能。

电网数据质量的检测功能子模块，是对电网运营过程中的运行类数据展开错误核查，同时提供本系统和其他电网管理软件之间数据一致性的核查功能。根据城市类型、设备类型和查询时间等查询条件，界面可显示当前的设备总数、存在问题的设备数量以及核查日期。同时，界面也会显示核查规则。

3.3 系统测试分析

本数据全链路检测系统的测试采用LoadRunner自动化测试工具。系统测试利用该工具的Internet Explorer测试模式实施，对系统的性能和功能进行测试验证。在测试验证中，以系统功能模块的检测功能作为测试验证点，验证其功能响应和Web数据界面的展示是否正确。全链路检测系统的测试参数如表1所示。

表1 全链路检测系统的测试参数表

由表1可知，全链路检测对系统进行了20 min的性能测试。通过4轮加压访问请求测试，每隔5 min增加15个并发量。在每次测试完成后，对系统Bug进行修复，然后继续测试验证系统功能。该测试直至功能表现达到要求为止。测试参数以及具体测试结果为：系统共进行了4轮测试，分别检测到的Bug数量为91个、23个、8个、3个；在第4轮测试过程，60个并发量同时发生，检测系统的运行均正常，系统对于网络吞吐量的需求也得到了满足。

4 结论

本文针对电网协同业务的数据全链路检测系统进行分析。首先，本文在分析了国内外的研究现状之后，针对数据全链路检测的整体架构展开设计与探究。本文阐述了基于Web开发技术对通信交互和检测功能的设计，对其中的功能子模块问题进行重点分析和研究。其次，本文通过对涉及生产专业的关键业务流程进行需求分析、功能模块设计与开发，以帮助业务部门解决实际生产工作中信息化规划不统一、重复功能建设的痛点。然后，本文对整个数据全链路检测系统进行效果实现，并通过amChart组件完成运行结果数据的展示。最后，本文对实现的数据全链路检测系统进行性能测试验证，说明数据全链路检测系统具有对电网协同业务场景的管理和检测功能。本文的创新点在于将原本需要人工手动维护管理的相关业务进行自动化实施，建立起自动化的电网运营监测系统并予以图形化展示。在未来的研究中，对数据挖掘技术的采用是十分重要的研究方向，如将其应用于数据管理的辅助决策等。