拆回电能表分拣架构设计与实现

朱东升,储鹏飞,李天阳,李延满,徐石明

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 210003；2.国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 210003)

0 引言

2017年，国家电网公司公布了《国家电网公司电能表拆回分拣管理办法》，要求各单位全面推进电能表分拣管理工作。实现智能电能表拆回工作管控和精准处置是国家电网公司电能表质量监督管理的重要内容之一。本方案结合Kafka数据总线技术，改造国家电网公司营销部统一推广的SG186和省级计量中心生产调度平台(measurement of integrated production dispatching system,MDS)，在不影响电能表常规检定工作的情况下，采用性价比更高的装置用于大量拆回电能表的分拣检测，快速推进电能表分拣工作，实现拆回电能表的再利用。通过Kafka数据总线技术实现MDS系统对分拣检测数据的归集，为以后通过大数据方法分析挖掘电能表检测、检定数据价值，更好地支撑计量生产活动奠定基础。

1 业务系统介绍

SG186和MDS作为国家电网公司营销部推广的两大业务系统，在电能表全寿命周期管理各环节中扮演着重要的角色：SG186是面向用户的主要窗口，MDS是省级计量中心日常生产活动的管理工具。

1.1 SG186

SG186分为客户服务与客户关系、电费管理、电能计量及信息采集、市场与需求侧和综合管理5部分，包含19个业务类，各业务类包含若干业务项及业务子项。各业务类之间功能独立但彼此信息共享，共同实现了营销资源的集约与共享。SG186系统功能如图1所示。

图1 SG186系统功能图

1.2 MDS

MDS既是实现省级计量中心现代化、自动化管理的重要工具，也是建设国家电网公司计量生产管控系统的基础。MDS功能框架如图2所示。

2 分拣需求分析

地市公司根据现场工作人员观察情况，制定电能表拆回工单，触发电能表拆回工作，并将拆回的电能表归档后配送至省公司拆回表分拣单位[1]。分拣单位将拆回表按一定规则存入库房，同时制定电能表分拣工作计划，并按照计划采用分拣装置检测拆回表性能，给出处置建议。电能表管理部门根据分拣处置建议与物资部门、电能表供应商确定电能表最终处置结论并安排实物处置，并调配仓储、配送资源协调检定合格的拆回电能表及供应商修理、赔付的电能表重新上线运行，实现电能表价值的再利用，降低财政支出。

根据需求分析可知，分拣流程复杂，涉及现场作业、电量退补、产品验收、室内检定、分拣检测、仓储配送、物资处理等业务环节。除分拣检测为新增环节外，SG186的“新装增容及变更用电”支持电能表的现场作业，MDS的“生产运行管理”、“生产调度监控”对新购的电能表在验收、检定、仓储、配送等环节已起到较好支撑[2]。为避免系统的重复建设，通过改造SG186和MDS，实现对拆回分拣工作的支撑，快速、稳健地推进电能表拆回业务的开展。

3 分拣架构构建

通过改造SG186中新装增容及变更用电业务以及MDS验收、检定、仓储、配送等模块，实现电能表拆回业务线上闭环管理；设计并采用全新的分拣装置，实现电能表常见故障的快速检测；引入Kafka+Zookeeper搭建数据服务总线作为系统间的数据交互载体，实现检测信息的归集[3]。

3.1 数据服务总线

Kafka数据服务总线包含Producer、Consumer、Topic、Broker以及Zookeeper这5大核心组件。

①Producer：消息的生产者，向Broker发送消息。

②Consumer：消息的消费者，读取Broker中的消息。

③Topic:用于区分不同消息的类别。每一类消息称为一个Topic，一个Topic可以存储在若干分区中，每个分区都有一个Leader用来处理读写操作。

④Broker：代表每个Kafka实例。一台Kafka服务器就是一个Broker，一个Broker可以包含多个Topic。

⑤Zookeeper：作为Broker集群的管理者，监视着集群各节点的状态，保证消息的稳定传输。

服务总线运行机制如下。

①在所有的Producer、Consumer、Broker节点上配置Zookeeper服务器地址信息，保证Zookeeper能够有效管理集群。

②3个Broker节点同时去Zookeeper注册临时节点，注册成功的是Controller节点，剩余两个是Follower节点。若其中一个Broker宕机，Controller从Zookeeper读取最新的Broker集群信息，根据算法重新部署Broker中Topic信息的存储，决定所有Topic分区中Leader的选取。

③Producer采用Push方式把消息写入指定Topic，Kafka将消息均匀分布到不同Broker的分区。

④Consumer采用Pull的方式订阅Topic信息，一个Topic消息可以被一个或多个Consumer消费。Zookeeper通过负载均衡，优化Consumer获取Topic信息的分区源，保证了每个Consumer都能及时地获取准确数据。分拣架构如图3所示。数据服务总线示意图如图4所示。

图4 数据服务总线示意图

3.2 SG186改造

3.2.1 流程变动

在拆回流程发起后，新增“是否需检定计算电量退补”、“临时检定”环节。

①是否需检定计算电量退补：现场员工与用户确认电能表信息，用户无异议后签字确认，完成电能表归档[4]。

②用户对电表有异议，提出申诉，触发临时检定环节，对拆回电能表的计量性能进行检定，将结果反馈至用户并进行电流退补操作，完成归档。

3.2.2 数据同步

新增功能模块调用Kafka producer的java API接口，在Kafka注册名为“disMeterinfo”的Topic。设计统一的数据结构包含电能表拆除过程数据、电能表基本档案等SG186信息，调用Producer的send()方法将数据发送至数据服务总线。

3.3 MDS改造

3.3.1 功能改造

①“三级应用”。地市公司、供电所增加MDS客户端，授权分拣用户登陆MDS，并根据用户的角色配置对应的操作权限、菜单权限等。改造MDS省级计量中心、地市公司、供电所的“三级应用”,实现对分拣工作各环节的管控。

②仓储模块。改造仓储模块兼容拆回电能表的出入库操作，并实现拆回电能表在省计量中心和地市库房之间的流转。

③配送模块。现有配送模块采取订单式配送的方式，省级计量中心汇总地市电能表需求，统筹规划安排电能表配送，配送完成后配送货车空载返回省级计量中心，未实现对配送资源利用的最大化[5]。通过融合电能表配送计划与地市拆回表退库至省级计量中心的计划，在不增加配送任务的情况下，省级计量中心汇总各地市的拆回电能表。

④检定模块。兼容分拣检测合格的拆回电能表重新上台检定，获得授权后重新上线运行。

⑤分拣检测。新增分拣检测模块，实现电能表“分选”、“检测”、“复检”环节的任务安排、人员调度、装置检测、过程管控，通过与分拣装置的数据交互[6]，汇总装置给出的处置建议，供工作人员最终处置拆回电能表时参考。

3.3.2 数据同步

MDS新增3个Producer客户端和3个Consumer客户端，实现与SG186和分拣装置的数据交互。3个Producer分别实现对装置下发权限认证信息、下发分拣信息以及下发装置软件升级信息。3个Consumer分别用于消费营销同步的信息、装置上传的分拣结果信息以及装置故障信息。

3.4 分拣装置设计

分拣装置由检测单元和控制软件两部分组成。检测单元包括基本功能检测单元、图像识别单元、费控功能检测单元、通信功能检测单元、标签打印单元。单元的安全防护及试验方法应满足Q/GDW 365-2009、Q/GDW 1365-2013的相关要求，能够有针对性地对电能表功能进行快速检测。

检测单元如图5所示。

图5 检测单元示意图

控制软件与MDS数据交互，接收MDS下发的用户信息、分拣方案，并上传检测结论等。控制软件基于统一通信协议与检测单元进行数据交互[7]，对整个分拣过程进行控制。

3.4.1 控制软件与MDS交互

控制软件与MDS采取Kafka数据总线方式进行数据交互，交互主题如下。

①权限认证(auth Topic)。MDS下发权限认证内容，包括装置IP、装置编号、登陆用户名及密码，装置验证是否有操作装置的权限。

②分拣信息下发(sortdw Topic)。MDS下发包括分拣任务、分拣方案以及被检测电能表信息，控制软件根据具体分拣方案控制检测单元，实现对被拆回电能表的检测。

③控制软件升级(softud Topic)。MDS下发控制软件版本信息及升级包[8]，控制软件从Kafka获取版本信息与自身版本对比，自动升级控制软件版本。

④分拣结果上传(sortup Topic)。控制软件上传分拣任务完成信息、分拣检测结果信息、被检电能表故障信息。

⑤装置故障上传(macftup Topic)。控制软件上传装置故障信息至Kafka数据总线，MDS根据故障信息安排检修工作。

3.4.2 控制软件与内部检测单元交互

控制软件基于用户数据协议(user datagram protocol,UDP)的服务程序与检测单元通信[9]，图形识别单元采用GIGE Vision 2.0接口协议交互。标签打印单元通过调用驱动软件方式交互，通信功能检测单元采用串口方式与控制软件交互。

控制软件作为请求方发起请求数据，检测单元作为服务方返回响应数据。

①请求帧。

cmd=命令字,sn=序号,data=数据n。

cmd包含读、写、操作3种类型；sn表示功率源号、标准表号、表位号信息；data表示具体的数据。

②响应帧。

cmd=命令字,sn=号,ret=0/1,data=数据n。其中：ret=0表示正常响应，ret=1表示异常响应。

根据不同的检测方案，控制软件发送参数信息给检测单元。检测单元解析参数调整自身电压、电流、角度等配置数据[10]，兼容不同规格电能表的检测。

4 应用案例

2016年，国家电网公司营销部要求构建分拣体系，落实分拣工作。以江苏省电力公司为例，通过本文提供的方案对其分拣架构升级改造，实现累计分拣拆回电能表264万只，其中维修121.5万只、赔付54.5万只，节约表计购置成本约2.82亿元，并使得库存积压率降低70%。河南、山东等公司作为试点单位，也积极开展分拣工作建设，拆回电能表数量占运行数量的3%。通过对旧表的利用，预计可节约成本3 600万元。随着拆回分拣工作在国家电网27个省公司的全面展开，将带来几十亿的经济效益。

5 结束语

本文设计的智能电能表分拣架构通过改造既有的SG186、MDS系统，采用新的分拣装置，避免了系统的重复性建设，保证在不影响正常计量生产活动的情况下开展分拣工作，解决了传统检定台数量少、价格昂贵、质监局授权困难等问题，降低了拆回分拣工作的推广难度，提高了旧表的利用率，减少了不必要的资源浪费。国网公司各网省单位积极开展电能表分拣工作，减少了投资成本，降低了生产资源消耗及废旧物资处置对环境的负面影响。