孫曉楠，劉俊培，班 嵐，張 衛(wèi)，張洪峰

（北京科技大學(xué)天津?qū)W院智能制造學(xué)院，天津 301830）

0 引言

某大型電力設(shè)備制造公司（以下簡(jiǎn)稱公司）生產(chǎn)的并網(wǎng)型光伏逆變器以其性價(jià)比高、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行故障率低的優(yōu)點(diǎn)占有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)占有率。自2000 年公司涉足這一業(yè)務(wù)后，已有20 多年的逆變器相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)與施工安裝經(jīng)驗(yàn)；除此之外，公司光伏事業(yè)部長(zhǎng)期運(yùn)行自主研發(fā)的光伏電站綜合智能管理平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱運(yùn)維平臺(tái)）。

運(yùn)維平臺(tái)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)為前端與后臺(tái)兩部分。前端主要用于展示接入運(yùn)維平臺(tái)的逆變器的基本信息、發(fā)電運(yùn)行情況以及報(bào)警等信息。前端分為網(wǎng)頁展示端、大屏展示端與手機(jī)APP端。后臺(tái)處理逆變器與運(yùn)維平臺(tái)之間的通信、光伏電站信息管理等業(yè)務(wù)。運(yùn)維平臺(tái)不僅可以接入本公司生產(chǎn)的逆變器，也可以接入采用標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約的其他廠家逆變器，其他規(guī)約如Q/GDW376.8、IEC60870?5?104、MODBUS等［1?2］。

在經(jīng)歷多年的深耕后，平臺(tái)積累了大量光伏電站與逆變器發(fā)電信息的真實(shí)數(shù)據(jù)。近年來，隨著新能源推廣政策的進(jìn)一步落實(shí)，傳統(tǒng)以火力發(fā)電為基礎(chǔ)的電網(wǎng)如何消納新能源發(fā)電的問題日益凸顯。針對(duì)這一問題，各研究機(jī)構(gòu)紛紛建立仿真模型和策略來研究，以真實(shí)光伏發(fā)電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的研究項(xiàng)目顯然在可信性與科學(xué)性方面更具有說服力。在此背景下，多家研究機(jī)構(gòu)提出購(gòu)買使用運(yùn)維平臺(tái)歷史數(shù)據(jù)的要求。其中，某省級(jí)電力科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱電科院）希望購(gòu)買到其所轄地區(qū)內(nèi)所有光伏發(fā)電數(shù)據(jù)的獨(dú)家使用權(quán)，且其后續(xù)的項(xiàng)目合作計(jì)劃可操作性強(qiáng)。在進(jìn)行綜合考慮后，公司管理層決定先與電科院進(jìn)行先導(dǎo)項(xiàng)目合作，以期為進(jìn)一步合作打下基礎(chǔ)。

1 項(xiàng)目需求

先導(dǎo)項(xiàng)目的主要作用是雙方技術(shù)人員進(jìn)行溝通，以確定歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)、格式等情況。由于數(shù)據(jù)的使用權(quán)尚未轉(zhuǎn)讓，在考慮后續(xù)項(xiàng)目仍有不確定性的情況下，雙方商議由公司一方先行提供具有典型特征的歷史數(shù)據(jù)樣本，以供電科院分析。最終，公司決定提供電科院感興趣的冀北地區(qū)以市、縣二級(jí)行政區(qū)劃為分類的部分歷史數(shù)據(jù)。

初步的溝通方案是電科院提出某地的數(shù)據(jù)需求，公司的研發(fā)人員經(jīng)過授權(quán)登錄運(yùn)維平臺(tái)的歷史庫服務(wù)器，在歷史庫中直接應(yīng)用SQL 語句查詢，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出存成Excel 文檔，再發(fā)給電科院。經(jīng)過幾次溝通后，雙方均發(fā)現(xiàn)初步方案有一定的不足。對(duì)于電科院來說，一是公司方操作不可控，原始數(shù)據(jù)是否經(jīng)過修改不可知；二是公司對(duì)需求的響應(yīng)時(shí)間不可控，有時(shí)數(shù)小時(shí)內(nèi)可給出結(jié)果，有時(shí)需要等待幾天，嚴(yán)重影響電科院后續(xù)工作。對(duì)于公司來說，也出現(xiàn)幾點(diǎn)意料之外的情況。首先，電科院提出數(shù)據(jù)需求的時(shí)間是隨機(jī)的，公司目前在全力施行多個(gè)項(xiàng)目，研發(fā)人員不足，對(duì)電科院的響應(yīng)需要臨時(shí)抽調(diào)人員，項(xiàng)目?jī)?nèi)進(jìn)度容易被打斷。然后，由于先導(dǎo)項(xiàng)目合同金額相對(duì)較少，公司不希望投入過多資源和精力。其次，即使是公司內(nèi)部研發(fā)人員，經(jīng)過授權(quán)后登錄歷史庫服務(wù)器，其操作仍具有一定的安全性風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量避免。

在進(jìn)一步溝通后，公司決定研發(fā)一款功能和應(yīng)用權(quán)限受限的數(shù)據(jù)查詢軟件（以下簡(jiǎn)稱軟件），以滿足電科院要求，同時(shí)避免上述不足。軟件的需求詳列如下：

（1）軟件開發(fā)周期盡量短，少占用資源。

（2）查詢地區(qū)只限于已商定的冀北地區(qū)固定的省、市、縣。

（3）軟件界面盡量簡(jiǎn)單實(shí)用，數(shù)據(jù)除可以查看外，也能下載到當(dāng)?shù)毓ぷ麟娔X。

（4）軟件的查詢功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但安全性策略應(yīng)完整實(shí)現(xiàn)，以方便在后續(xù)項(xiàng)目中直接移植。

（5）安全性策略包括：軟件只限于電科院內(nèi)部應(yīng)用，IP 受限；軟件秘鑰每七天更新一次，由公司傳送至電科院，每次隨機(jī)生成多套秘鑰。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件部署情況及安全性設(shè)置

查詢軟件的最終部署情況如圖1所示。查詢軟件部署在電科院的內(nèi)網(wǎng)，通過隔離裝置B 與外網(wǎng)連接。公司的運(yùn)維平臺(tái)及歷史庫服務(wù)器部署在公司內(nèi)網(wǎng)，位于服務(wù)器機(jī)房集群中。歷史庫服務(wù)器并非只有一臺(tái)服務(wù)器，由于數(shù)據(jù)量較大，也為多臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成的集群。同樣，出于數(shù)據(jù)安全的考慮，公司內(nèi)網(wǎng)通過隔離裝置A 與外網(wǎng)做安全性隔離處理。圖中的隔離裝置A/B不單指某臺(tái)具體型號(hào)的數(shù)據(jù)隔離裝置，而是泛指兩種不同類型的數(shù)據(jù)隔離裝置。由于信息安全相關(guān)部門對(duì)公司和電科院的劃分等級(jí)不同，故兩類裝置的隔離策略、軟硬件配置等情況均不同［3?5］。

圖1 軟件部署情況示意圖

隔離裝置B 的配置權(quán)限在電科院一方，不屬于查詢軟件設(shè)計(jì)范圍。隔離裝置A 的權(quán)限在公司一方，與查詢軟件相關(guān)的安全性策略采用四種。在歷史庫服務(wù)器中，部署有秘鑰驗(yàn)證算法的安全進(jìn)程小程序；電科院側(cè)的秘鑰驗(yàn)證算法集成到查詢軟件中。詳列如下：

一是IP 地址驗(yàn)證，雙方商定查詢軟件只能應(yīng)用在電科院內(nèi)部，即使經(jīng)過兩次內(nèi)外網(wǎng)地址映射后，電科院的網(wǎng)段仍可控制在一定范圍內(nèi)。IP 驗(yàn)證通過兩種方式進(jìn)行：一方面，查詢雙方交互報(bào)文的TCP/IP 協(xié)議通訊協(xié)議的地址，具體編程實(shí)現(xiàn)調(diào)用Socket 相關(guān)函數(shù)；另一方面，在查詢軟件每次運(yùn)行的登錄啟動(dòng)幀中，對(duì)消息體內(nèi)的IP地址進(jìn)行二次核對(duì)。

二是用戶口令的設(shè)置，分為兩層口令設(shè)置。外層口令是查詢軟件的登錄用戶及口令，內(nèi)層口令是歷史庫查詢的用戶及口令。

三是查詢軟件秘鑰的發(fā)放。在通過隔離裝置A 的數(shù)據(jù)流中，采用一定時(shí)間內(nèi)隨機(jī)查詢數(shù)據(jù)流中秘鑰字節(jié)的方式。秘鑰內(nèi)容通過隔離裝置A 中的特定算法給出，每七天生成多套秘鑰，由公司發(fā)放至電科院，并配置到查詢軟件中。每套秘鑰分為AB 兩部分，其中A 部分部署在公司的歷史庫服務(wù)器，B 部分配置在查詢軟件中。秘鑰的核查分為兩個(gè)步驟，即對(duì)側(cè)驗(yàn)證解密流程與匹配算法。對(duì)側(cè)驗(yàn)證解密流程如下：在秘鑰查詢通信報(bào)文中，當(dāng)請(qǐng)求秘鑰一方收到應(yīng)答報(bào)文后，先用驗(yàn)證算法對(duì)報(bào)文進(jìn)行計(jì)算，如果符合規(guī)范則進(jìn)行解密流程，解密出的秘鑰交由下一步匹配算法處理。匹配是指每套秘鑰的AB兩部分，需要經(jīng)過算法計(jì)算是否匹配。在考慮公司內(nèi)網(wǎng)或電科院內(nèi)網(wǎng)有可能被非法侵入，為保證在一方被破解的情況下不至于危及另一方，對(duì)側(cè)驗(yàn)證解密算法對(duì)于秘鑰AB 部分采取不同的計(jì)算方式，且只部署對(duì)側(cè)的算法。即，公司內(nèi)網(wǎng)側(cè)的程序只部署驗(yàn)證解密秘鑰B 部分，電科院側(cè)查詢軟件只部署驗(yàn)證解密秘鑰A部分。

上述三種安全性策略，由部署在歷史庫服務(wù)器中的安全進(jìn)程與查詢軟件二者共同實(shí)現(xiàn)。安全進(jìn)程設(shè)置為守護(hù)進(jìn)程，以避免其退出后造成對(duì)側(cè)查詢軟件不能應(yīng)用的情況。

2.2 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件流程設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，如圖2所示。

圖2 流程設(shè)計(jì)

軟件啟動(dòng)后，通過初始化階段讀入相關(guān)的用戶口令、秘鑰等配置文件；同時(shí)讀取本地時(shí)間，存入日志。在連接測(cè)試階段，主要進(jìn)行2.1節(jié)中安全性相關(guān)測(cè)試，如果測(cè)試未通過，查詢軟件將給出提示信息，由用戶檢查口令、IP、秘鑰的正確性。查詢子流程設(shè)計(jì)成受限的情況查詢，用戶只能查詢冀北地區(qū)市、縣二級(jí)行政區(qū)劃中部分地區(qū)的數(shù)據(jù)。具體查詢語句的設(shè)計(jì)用SQL 語言實(shí)現(xiàn)，詳見2.3 節(jié)。查詢出的數(shù)據(jù)在軟件界面進(jìn)行展示，以供人工粗略判斷數(shù)據(jù)的正確性。在保存數(shù)據(jù)階段，將查到的數(shù)據(jù)以CSV格式文件存儲(chǔ)到本地計(jì)算機(jī)。

2.3 數(shù)據(jù)查詢策略

數(shù)據(jù)查詢主要實(shí)現(xiàn)在冀北地區(qū)選取限定的區(qū)域，將SQL 查詢語句集成到軟件中以供用戶使用。在設(shè)計(jì)具體SQL語句前，圖3中展示的是歷史庫相關(guān)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)。由于接入公司的光伏逆變器數(shù)量較大，且每日數(shù)據(jù)存儲(chǔ)仍在增長(zhǎng)，故采用參數(shù)庫與電量數(shù)據(jù)庫分別設(shè)計(jì)的方式。參數(shù)庫PVHisPara 相對(duì)數(shù)據(jù)量較少，且變動(dòng)不頻繁，部署在一臺(tái)服務(wù)器上。電量數(shù)據(jù)庫PVHisData相對(duì)數(shù)據(jù)量較大，每日更新大量新存入的數(shù)據(jù)，分別部署在多臺(tái)服務(wù)器上。兩類數(shù)據(jù)庫均管理多個(gè)數(shù)據(jù)表格，具體如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)

參數(shù)庫中，需要用編程語句查詢的是電站參數(shù)表（substpara）和逆變器參數(shù)表（invpara）。某光伏電站中，可安裝一臺(tái)或多臺(tái)光伏逆變器。電站參數(shù)表（substpara）中的主鍵是substid，即電站編號(hào)；逆變器參數(shù)表（invpara）的主鍵是sub?stid和invid，即通過電站編號(hào)和逆變器編號(hào)能夠定位到某臺(tái)具體逆變器信息。圖3中參數(shù)庫中另外列出的4 張數(shù)據(jù)表countypara/citypara/provin?cepara/countrypara 分別是保存縣、地級(jí)市、省、國(guó)家信息的表，每張表的主鍵是id，即縣編號(hào)、地級(jí)市編號(hào)、省編號(hào)、國(guó)家編號(hào)；另外的desc字段保存相應(yīng)的地區(qū)描述。比如countrypara 中，“id=1 desc=中國(guó)” 表示國(guó)家參數(shù)表中，id 等于1的國(guó)家是中國(guó)。由于查詢軟件相對(duì)邏輯簡(jiǎn)單，故人工查詢出所需的冀北地區(qū)行政區(qū)劃編號(hào)。即，“province = 4” 指河北省，“city=（2,3,7,8,10）” 指冀北地區(qū)的唐山、承德、張家口、廊坊、秦皇島五個(gè)地級(jí)市，“county = 11” 指張家口尚義縣。

電量數(shù)據(jù)庫中涉及到的主要是分鐘數(shù)據(jù)表，每15 分鐘逆變器上傳運(yùn)維平臺(tái)一次電量數(shù)據(jù)；為方便存儲(chǔ)及管理，數(shù)據(jù)庫中按天為單位將所有逆變器的數(shù)據(jù)存成一張表格。分鐘數(shù)據(jù)表中的主鍵除逆變器參數(shù)表中提到的substid 和invid外，同時(shí)設(shè)置hm 字段。hm 字段表示記錄電量值的時(shí)間，以整型數(shù)據(jù)格式（int）存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的信息是每15分鐘上報(bào)的電量數(shù)據(jù)，故hm的起始值時(shí)間是00:00 時(shí)刻，hm 設(shè)定為0；每次上報(bào)數(shù)據(jù)累加15，每日的24:00時(shí)刻，hm設(shè)定為1440。

總的來說，數(shù)據(jù)的查詢分為參數(shù)查詢和數(shù)據(jù)查詢兩類。具體來說，參數(shù)查詢可以分為某市、縣電站裝機(jī)容量查詢，電站號(hào)、逆變器號(hào)查詢，電站信息查詢等；數(shù)據(jù)查詢分為某日、某短時(shí)間內(nèi)的發(fā)電信息匯總數(shù)據(jù)查詢與分鐘發(fā)電數(shù)據(jù)查詢。下文以幾個(gè)具體查詢語句為例進(jìn)行詳細(xì)闡述。礙于篇幅原因，只舉出有特定代表性的例子，不對(duì)查詢軟件所有功能贅述。

對(duì)于冀北地區(qū)五市，以縣區(qū)為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)的匯總裝機(jī)容量的查詢語句如下，由于每市所轄的區(qū)縣數(shù)量各異，故以區(qū)縣的編號(hào)作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于區(qū)縣內(nèi)的總裝機(jī)容量采用統(tǒng)計(jì)求和函數(shù)SUM 直接計(jì)算單站容量（capacity）字段。篩選條件中，useflag =1 表示電站正在使用中。如果電站廢棄，或者正處于建設(shè)、維修、待報(bào)廢階段，則不在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。查詢的結(jié)果見表1中展示的唐山地區(qū)部分信息。

表1 唐山市區(qū)域內(nèi)電站裝機(jī)容量匯總數(shù)據(jù)

SELECT county, SUM（capacity） FROM PVHisPara.substpara WHERE state = 1 AND country = 1 AND prov?ince = 4 AND city IN（2,3,7,8,10）AND useflag =1 GROUP BY county

如要查詢發(fā)電量數(shù)據(jù)，需先得到電站編號(hào)與逆變器編號(hào)。比如，如果查詢張家口尚義縣的電站編號(hào)，采用如下的SQL 語句。在其中隨機(jī)抽取電站編號(hào)5329、5738、5834、5835 進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)查詢。

SELECT substid, invid FROM PVHisPara. substpara WHERE state = 1 AND country = 1 AND province = 4 AND city = 7 AND county = 6

查詢某縣的日發(fā)電量匯總需要用到子查詢的方式，下例查詢的是唐山遷安縣電站日發(fā)電量的分電站匯總信息。data22 字段存儲(chǔ)的日發(fā)電量數(shù)據(jù)。內(nèi)層子查詢給出電站編號(hào)信息，外層查詢2019年X月X日數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)信息。

SELECT substid, sum（data22） FROM PVHisData.data_mininverter2019XXXX WHERE substid IN（SELECT substid FROM PVHisPara. substpara WHERE state = 1 AND country = 1 AND province = 4 AND city = 2 AND county = 11）AND hm = 1440 GROUP BY substid

單日電站數(shù)據(jù)的查詢只需要查詢具體日期的數(shù)據(jù)表即可。如要查詢多日期的數(shù)據(jù)，采用聯(lián)合查詢的方式。單條語句查詢張家口尚義縣的電站語句：

SELECT substid,hm,data13,data22 FROM PVHisData.data_mininverter2019XXXX WHERE substid IN （5329,5738, 5834, 5835）

多數(shù)據(jù)表聯(lián)合查詢語句：

SELECTsubstid, inverterid, hm, data13, data22, FROM PVHisData. data_mininverter2019XXXX WHERE substid IN（5329, 5738, 5834, 5835）

UNION ALL

SELECT substid, inverterid, hm, data13, data22,FROM PVHisData. data_mininverter2019XXXX WHERE substid IN（5329, 5738, 5834, 5835）

UNION ALL

SELECT substid, inverterid, hm, data13, data22,FROM PVHisData. data_mininverter2019XXXX WHERE substid IN（5329, 5738, 5834, 5835）

UNION ALL

……

3 結(jié)果展示

由于合同條款的限制，查詢軟件的界面在文中不做展示，本節(jié)只展示查詢到的部分?jǐn)?shù)據(jù)；由于數(shù)據(jù)的敏感性，因而表1和表2中的數(shù)據(jù)是在真實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上做出一定偏移后的結(jié)果。在表1中，某些縣（如樂亭縣、遵化縣）的電站數(shù)量較少，是因?yàn)榻尤肽彻具\(yùn)維平臺(tái)的電站數(shù)量較少，而非其縣內(nèi)只建有表中所示數(shù)量的光伏電站。

表2 張家口尚義縣某電站日數(shù)據(jù)

除表1 中所示的某地區(qū)匯總數(shù)據(jù)外，查詢軟件也可以給出尚義縣具體電站的單日電量數(shù)據(jù)，如表2 所示。表2 中展示了電站ID 是5329的電站中1 號(hào)光伏逆變器的15 分鐘間隔的電量數(shù)據(jù)：在時(shí)間一列中，初始時(shí)間是0，指代每日的00:00:00 時(shí)刻；1440 是每日的結(jié)束時(shí)間，即24:00:00 時(shí)刻；表中1170 時(shí)刻后，日發(fā)電量保持不變，通過計(jì)算后此時(shí)刻對(duì)應(yīng)當(dāng)日的19:30:00時(shí)刻，即日落前后，與實(shí)際情況相符合。

4 結(jié)語

查詢軟件經(jīng)過開發(fā)測(cè)試，在五個(gè)工作日后交由電科院進(jìn)行部署應(yīng)用。應(yīng)用過程中，在保證電科院查詢到部分歷史數(shù)據(jù)的情況下，完整地驗(yàn)證了三種安全性策略。在雙方進(jìn)一步溝通后，公司與電科院簽訂了包含公司全部歷史數(shù)據(jù)使用權(quán)限的一系列合同。后續(xù)的項(xiàng)目開發(fā)中，新軟件的設(shè)計(jì)思路是一方面將原安全性策略移植到新項(xiàng)目中，另一方面擴(kuò)展甲方數(shù)據(jù)查詢的范圍和權(quán)限。由于有查詢軟件的基礎(chǔ)，后續(xù)工程的開發(fā)難度降低、工作量減少。綜上，查詢軟件作為驗(yàn)證性、先導(dǎo)性項(xiàng)目，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的，達(dá)到最初設(shè)計(jì)要求。