用电信息采集系统业务处理机的设计

周驰， 魏巍

(南京南瑞信息通信科技有限公司， 江苏， 南京 210000)

0 引言

前置处理系统在用电采集系统中处于承上启下作用，对下接入多种电力抄表终端，对上支持电力业务应用。其最大目标需要支撑4 000万用户的数据，300万终端的连接，以保证用电采集系统可靠运行。但是在运行过程中，通信连接难以实现精准判断，网络状态中的负载均衡性也得到了极大挑战，给业务处理机的正常运行造成麻烦。

为了提高通信效率，文献[1]通过设计与终端相匹配的功率器件和组件，采用高码率通信技术实现处理机的通信，通过完善通信终端设备，提高了通信功能。这种方法虽然对提高通信性能具有帮助，但是在设计时，不同的通信设备需要不同的设备工装，这种方法成本高、效率低下。文献[2] 将接收数据缓冲区划分为多个不同的业务数据块进行缓存，然后将通信处理机接收的业务数据分别分区进行存放，在进行数据通信时，能够保证通信处理机与主机间接收数据完整性。这种方法虽然实时性好，应用起来也比较灵活，很容易实现，但是在多业务处理机进行数据通信时，很难实现信道分配。

1 总体方案设计

本研究的前置机根据采集应用配置的采集任务信息，实时或定时对指定范围内的终端、电能表及对应的数据项进行批量的自动采集，设置兼容多种通信形式的业务处理机接口，实现数据上报事件的采集和通信，

在运行环境为WebLogic 11 g+Oracle 10 g[3-4]下实现数据的运行，实现主机调度功能和子调度服务功能。利用可视化监控技术手段，实现前置机数据的远程在线监控，提高了数据监控能力。业务处理机架构设计示意图如图1所示。

在图1的前置机工作架构设计中，利用层次化设计的方法实现前置机架构设计，在结构上包括数据采集层、网关接口层、采集应用层和前置机应用层[5]。在数据采集层中，其内设置了数据采集模块，在数据采集模块上设置了通信接口，通过通信接口实现前置机通信连接管理模块。该模型连接有报文转发模块、终端通信连接模块、规约注册与匹配模块、进程管理模块等。终端通过负载均衡设备F5连接到网关。网关主要负责维护终端的连接信息、对终端规约的适配，同时把终端的连接信息进行数据管理。其中，一个网关服务器接入终端最大连接数30万。在网关能够识别终端对应的规约，同时对报文进行拆分，每个网关报文内部只有一个独立的协议报文，然后进行报文组装和解析，网关和前置的通信协议和前置机的连接断开以后可以主动重连，在网关实现心跳管理，直接回复终端的心跳报文。上述数据通过采集应用层进行数据采集，最终在前置机应用层中实现数据的应用。应用类型包括网关通信连接管理模块、转发报文组装与解析、多规约选择器、缓存队列负载均衡、报文重发管理、终端状态管理、召测管理、数据批处理和376.1规约管理模型[6]。

图1 前置机架构设计示意图

在上述设计中，前置机内的功能逻辑架构示意图如图2所示。

图2 业务处理机功能架构示意图设计示意图

在图2的架构设计中，通过终端通信连接进行数据管理，系统在初始化的时候，打开终端连接监听端口，等待终端建立连接。当收到终端的连接信息，判断如果是终端建立连接，那么把连接信息交给epoll程序负责维护终端连接信息、监听终端数据、发送数据到终端；如果是终端断开连接，那么通知epoll删除连接，并且通知终端状态管理程序。在进行报文转发管理时，通过组装终端上行报文并转发到前置机和解析前置接下行报文转发至终端[7]。

2 关键技术设计

2.1 通信连接管理方法

在本研究设计中，网关负责与前置通信的负载均衡[8-9]，网关连接所有前置，然后发送数据时，通过随机算法定位到一个前置发送数据。如果连接断开，网关负责自动重连。本研究采用通信资源优化的电力线载波通信路由算法[10](CRORA)实现通信资源的合理分布。其方法如下。

假设在前置机工作过程中，其内现有的带宽可用率记作为[11]

(1)

式中，η表示现有的带宽可用率，ObBk(l)表示为业务处理机当前业务k具有的通信宽带资源信息，UsBj(l)表示业务处理机当前业务k已经用掉的通信宽带资源信息。

如何计算出网络资源利用率，本研究引用了线路负载的平衡差，该计算公式可以为

(2)

式中，σ(G)表示为标准差，其中，G=(E,N,H)表示为处理机通信网络中的负载因子，当η≤σ(G)时，则表示处理机当前的网络状态为负载不均衡，当η>σ(G)时，表示当前处理机运行过程中的网络状态为负载不均衡。通过计算前业务处理机采集数端和数据接收端进行匹配，最终满足η≤σ(G)的状态，实现当前处理机网络运行的平衡。为了进一步描述负载是否均衡，通过以下代码表示。

处理机负载业务类别判断代码

do{

由网络服务质量确定业务处理机通信信源节点处的业务信息，设置Labj为业务处理机的服务类型

If(Lab==AF)

Switch(bucket)}

Case1: Labj_Is为低丢包率时；

Case2: Labj_Is为中丢包率时；

Case3: Labj_Is为高丢包率时；

}

} which(识别完毕当前业务处理机所有的业务数据)

根据当前业务处理机确定的路由类型，对通信链路的复合量度类型进行选择：

do{

if(在路由器通信链路中存在与当前处理机业务相匹配的路径时)

将当前的Lab进行数据加载，并发送当前的数据报文，转发通信数据信息：

else{

if(通信链路与负载量平衡) {

η[ ]= {BW,Hp,Metric}

}

调用式(1)和式(2)

}while(业务处理机遍历完毕)

End

通过上述方法，实现系统业务处理机的通信连接管理方法。

2.2 业务处理机通信信道分配算法

下面通过分步骤的方法对业务处理机通信信道分配算法进行以下说明。

步骤一 选择业务处理机通信信道中的总功率，设定总功率为

Si=λ-γi,i=1,2,…,N

(3)

Si=max{0,λ-γi},i=1,2,…,N

(4)

假设业务处理机通信信道待分配总功率为Stotal，则业务处理机通信信道中子载波分配的总功率需满足以下条件[12]：

(5)

(6)

在式(3)～式(6)中，Si表示业务处理机中不同的子载波需要消耗的实际信号功率总量。其中，C表示业务处理机正常工作所需要的信道容量，C/W表示业务处理机正常工作需要的信道容量所需要的频谱利用率，单位用bps/Hz表示，γi表示频谱使用过程中，对其消耗的功率进行归一化时，在数据接收端输出的信噪比。为了提高本研究业务处理机通信信道功率利用效率，本研究采用拉格朗日乘数法函数表示，则函数方程可以表示为

(7)

式中，字母l为拉格朗日乘数因数，通过计算可以介于1～4之间。为了计算每个不同信号的功率分布，启动微分方程，在式(7)中输出的目标函数F中， 对不同信道的子载波输出功率Si进行一阶偏导数求导，输出的函数为

(8)

步骤二 为了理论化业务处理机通信信道分配效率，在计算时，假设子信道外无子载波信号，功率泄露数值J=0, 业务处理机通信信道功率泄露矩阵可以为J(i,j)=1；然后将业务处理机中不同的子信道实际发射功率清零；最后根据业务处理机通信信道增益对不同信道具有的子载波进行功率分配，得到的功率为P0。当P0>0时，实施信道功率分布；当P0≤0时，不实施信道功率分布。

步骤三 设置约束条件，当不同功率通过业务处理机通信信道中，假设增益幅度为h(i,j)，根据设置的功率约束值G进行恰当地布局，将F值与G值的大小进行对比分析，当F

步骤四 通过步骤三设置的约束函数，对待选择的功率因数进行数据集合分类，实际值小于设定值的信道数据集合设置为A，实际值大于设定值的信道数据集合设置为D，然后将这些不同的业务处理机通信信道载噪比的数据集合进行排序。

步骤五 按照步骤三设置的约束条件，对满足条件的业务处理机通信信道功率值进行分配，假设将业务处理机通信信道载噪比的数据集合A中的通信信道载噪比的数据集合按照正常实际发射功率来分配，对业务处理机通信信道载噪比数据集合D中的子载波按照步骤三中的实际约束功率进行功率分配，本研究借助于信道容量公式完成不同信道子载波功率分配，公式有：

(9)

通过式(9)计算出实际待分配的信道容量，其中，PT(fn)表示业务处理机通信信道内子信道的分配功率，h(fn)表示业务处理机通信信道内频率响应参数，NR(fn)表示业务处理机通信信道内的噪声功率数据。通过上述方法，实现业务处理机通信信道子载波的动态分配，提高了信道容量的使用率。

3 试验结果与仿真

在对研究的前置机各项功能进行验证时，试验环境为基于Windows 7的操作系统，开发语言为Java，开发环境为Eclipse+Tomcat 6.0+Oracle 10 g。网关采用C开发，前置机采用Java开发。试验架构示意图如图3所示。

图3 业务处理机架构示意图

自动采集任务由三部分功能组成，包括主调度服务、子调度服务、监控服务。采集任务用到的任务缓存和档案缓存要各单独一个实例进行部署。下面将本研究通信资源优化的电力线载波通信路由算法与常规技术中路由器连接的方式进行对比，以验证本研究算法通信效率。经过2 h数据通信后，网络通信数据传输示意图如图4所示。

图4 业务处理机通信数据传输示意图

试验时，在业务处理机通信网络中人为制造不平衡功率因素，以10个通信节点为案例进行具体化说明本研究算法对通信网络的分配的能力。表1为采用常规技术中路由器通信方式，数据信息如表1所示。

表1 采用路由器通信后的数据试验结果

采用通信资源优化的电力线载波通信路由算法进行通信后，得出的数据信息如表2所示。

表2 采用本研究算法的数据试验结果

通过表1和表2的对比示意表可以看出，本研究方法的功率分布效率较高。

下面对业务处理机通信信道分配算法进行验证，为了区分本研究方法，将采用分配算法和未采用分配算法进行对比，假设选择1 000个信道数据样本，在2 h内将其进行分布，准确率示意图如图5所示。

通过图5可以看到，采用本研究方法能够使本研究的误差处于较低的水平，说明本研究的方法效率高。

图5 准确率对比示意图

4 总结

本研究在电采集系统中设计出新型的业务处理机，设计出包括数据采集层、网关接口层、采集应用层和前置机应用层的网络架构，提高了数据通信能力。构建出通信资源优化的电力线载波通信路由算法，采用业务处理机通信信道分配算法。在信号总功率为固定值的情况下，对具有不同信号增益的子信号载波进行信道功率分布，提高了业务处理机通信的容量。本研究的方法提高了业务处理机的通信能力。