On Development and Application of High Stable Power Metering Terminal Software Based on Internet of Things

物联网和电力系统结合，具有较强的识别能力，能够快速完成对电网设施和周围环境的识别，并具有感知互联的功能，可进行有效控制，还可支持网络层和应用层的互联网应用^[7].在对电网不同的环节进行采集以及掌握电量情况时，需要把智能采集设备充分利用起来.核心网和接入网共同作用下网络层得以形成，在对信息进行控制和传递的整个过程都在网络层完成，物联网的信息传递在电力通信的作用下才能实现^[8].应用智能电网的基础就是确保数据可靠、安全实时传输.从应用层的结构来看，是由基础设施和中间件共同组成的，在完成对信息的处理后还要遵循相应的公式进行计算实现可视化，使物联网技术的作用得到更加充分的发挥和高级应用^[9].

针对功率测量监测系统进行研究，要明确编制本地计算机状态软件的目的，根据用户的要求来为其选择电子仪表各种数据，并选择配置记录器的操作参数以获得配置数据，将其发送到收集器，收集器在进行基本操作时以此作为参数，还要对调制解调器的参数进行设置，同时完成对集抄器电表参数的设定.

调制解调器的操作参数设定主要涉及目前取样间隔及表在最低点取样间隔情况、表的状态值取样间隔、前一个月值取样间隔、脉冲数等内容.图 1为调制解调器参数设置流程图.

集抄器电能表参数设置中包括电流表参数、电流表的基本描述、电流表的工作状态等内容，图 2为运行参数设置流程图.

在配置完软件硬件环境后，需服从云服务器平台端、硬件端、APP端配置数据及指令收发规则.通常情况下，有SMS模式、PULL模式、推送模式3种方法可实现数据消息推送.确定的PULL模式属于轮询模式，在运作时，间隔一段时间后，客户端会向服务器发起和建立连接且进行查询，确定是否出现新消息.采用PULL方法在于其良好的实时性，其不足是具有较大网络及资源开销，若控制不好客户端会引发较为严重后果.在服务器更新消息情况下，SMS推送模式会做出响应，发出特殊指令，由客户端来接收，SMS模式特点体现在实时性较好，但成本较高.服务器、客户端之间在形成永久连接的情况下才能使实时推送的功能得以实现^[10].

在物联网中存在多种协议，MQTT是其中重要的一种，作为推送式长连接通讯协议，其级别为轻量，以发布/订阅模式为基础，在TCP/IP的条件下完成协议构建^[11].MQTT特点鲜明，即带宽有限和极少代码，所提供的服务实时可靠，具有远程设备连接重要功能.MQTT协议在相应模式下进行发布/订阅消息操作时会遇到各种问题，出现许多消息被公开情况，这会使应用程序出现耦合，同时会出现相应信息屏蔽，数据此时也会通过TCP/IP数据连接进行推送.

通过对电力物联网技术框架研究，可确定在电量计量终端、应用层、平台层间存在密切关系，信息交互不可避免，技术架构顺利运行离不开服务器辅助通信，为解决此问题，可充分利用开源软件Mosquitto，实现MQTT协议需依靠开源软件才能正常进行信息交互.本研究在设计时，使用Linux(Ubuntu)系统平台层为开发平台，在进行Mosquitto安装时，通过引入Mos-quitto仓库且在更新后才可安装，实时性消息推送服务Mosquitto可完成.在消息推送系统框架中，可看到所采用格式，即应用MQTT协议，客户端A作为消息发布者，把发布消息任务部署给服务器系统，服务器将消息给消息订阅者即客户端B推送，这种推送是在不安全网络通信环境进行部署的，在这种条件下，最为重要的问题是数据安全性，设备连接验证也是非常重要的.本文提供电力物联网技术架构进行多层次安全防护机制，将TLS加密技术应用于网络层，此技术功能性较强，对中间人攻击具有较强防御功能，能生成客户端证书，可对设备正确性进行验证，同时能以设备身份凭证身份出现.在应用层中，MQTT协议具有重要功能，负责提供用户名、密码、客户端标识，为验证设备创造方便条件.

系统软件控制逻辑可分为两部分，第一部分可作为控制框架，其功能主要体现在MQTT消息发布及数据采集方面；第二部分主要功能为存储上传服务数据，作为可视化显示和数据处理部分框架.在操作时服务由下层转为上层，依次完成数据流传递，为能在手机APP端可视化界面显示，要在电量计量控制器、无线通信模块、服务器共同作用下，数据显示才能实现；从最上层向下层服务过程中，在对指令传递时依次进行，以手机APP为起始点，经服务器和无线通信模块的作用，向电量计量控制器传递.

如图 3所示，先进行自检活动，确定硬件电路有无问题，所有后续控制都要正确连接，此后即运行智能电量计量终端，通过双线程完成.从子程序运行情况看，数据在这个过程中能完成交互.两个线程间控制逻辑处于独立状态，不会出现干扰，在对电量数据进行读取及发布MQTT数据时，此操作由一路线程完成；另一路数据用来对应用层指令数据进行订阅，通过特定子程序，可使其中硬件控制状态及数据发生改变.

图 4为上层服务软件流程，由图 4知，两个线程间具有较高耦合度，有指令、数据交叉存在，MQTT此时订阅客户端及发布客户端要对感知层经网络传输上来的数据进行处理，同时对应用层执行数据库数据存取及指令命令进行处理.上层服务控制逻辑及底层设备控制逻辑在研发终端进行分离，这样可降低程序耦合度.上层服务与底层设备控制逻辑间数据通过MQTT发布/订阅消息实现交互.

通过各分支机构自动进行采集电量计量数据并汇总，本地计算机软件实现相应计算及统计检测工作.在表数据采集时，相关通讯协议不可缺少，不得违背.在连接集抄器通讯时，能完成对线路电能表数据自动采集，确定电能表当前值、表底值、开关移位、前一个月值及各种仪表的运行状态等相关数据，5 min内即可实现数据收集.本地计算机查询扫描工作会在一个采样周期中完成，当满足数据收集条件时，将会进行相应的数据收集申请指令，可把人工修正方法自动加入在预测负荷过程中，生成新负荷计划数据，用户可自行对各支路负荷计划数据进行分配.

在取得系统中，将重要数据发送到仪表，通过数据采集装置，将仪表数据发送到主站，再经过相应系统分析.该系统非常稳定，表码数据可以在计量表停电后继续进行相应数据的收集.这些过程可通过主要站系统设计一个功能性的、紧凑的数据收集软件，实现这些功能.

在掌握终端通信情况后，还要分析主站程序内部工作原理，完成对终端数据收集，同时还要收集主站通信的相关数据.以socket协议为基础，把IEC102规约应用于其中，完成对终端通讯及主站的信息采集.取得终端装置的IP地址和socket号码后，依据socket协议和IEC 102协议，通过相应的程序来实现终端协议和主机之间的数据交换.

在该终端中，所涉及到的产品和其地址都会一一对应，一般来说，一条总线可完成225块电能表相应数据的采集工作，且会产生一个固定地址在终端中，以此来进行持续数据收集工作，将获得的内容存储到相应的缓存区域，在相应时间，根据预先设置指令将此区域相关数据收集起来.在对若干电能表采集时，通过每个线程进行此项工作，使采集过程更加快速有效，不超过1 s的时间，系统数百块表进入工作状态，数据采集任务完成.如果项目收集数据工作已经完成，通过自动软件系统对接，ASP服务器可实现数据发布，并且可进行相应费用计算.整个系统功能单一、结构简单和性能稳定，每个使用过程的基本流程都大致相同，不同的是表计数目有所差异.

在构建电量计量终端平台的过程中，需分析控制逻辑，同时还要完成软件编程及实际硬件电路的控制.本文对相关软件部分进行设计，数据采集的显示通过手机端APP来完成，并测试实际用电环境，可看到所获取的结果为良好(表 1).相比较于计量插座的测试结果，可以看到智能电量计量终端的优势更加突出，测试结果的准确度较高，误差极小，与实际用电情况是相同的，同此可以做出判断，即表征感知层设计电量采集模块是正确的.

图 5为智能电量计量终端平台联合调试测试结果，其中包括硬件终端响应用户下发指令时间数据、电量数据到达平台层延迟时间、收集端APP显示电量曲线延迟时间、手机端APP更新实时数据延迟时间.由图 5知，智能电量计量终端平台能达到实时性要求，电量数据可较快给平台层传输并存储，硬件终端可对手机端APP指令数据进行快速响应，在手机端APP界面，平台层数据可进行快速显示.

根据智能电网用电配电实际，结合物联网技术，对高稳定电能计量终端软件进行了研发，构建了智能电量计量终端软件平台，测试使用具有良好的效果，具体结论如下:

1) 电力测量监视系统对本地计算可能会出现的最坏情况做出预测，如果当地计算机有掉电的问题出现，系统则可发挥出重要功能，自动计算采集数据中断点.

2) 充分考虑到电力物联网架构平台实际情况，须对数据库进行设计和移植MQTT代理服务器.电力物联网架构应用层有其自身的特点，所应用的是框架Flutter，APP编写可由手机端完成，不但用户指令达到便捷化的标准，且实现可视化电量显示.

3) 在实际用电环境下进行软件测试，智能电量计量终端优势更突出，测试结果准确度较高，产生误差极小，智能电量计量终端平台能达到实时性需求，电量数据可较快给平台层传输并存储，在手机端APP界面，平台层数据可进行快速显示，说明软件功能强大、运行可靠、简单方便.