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在完成了系统研发技术及相关理论分析的基础上，在《供电公司用电信息采集子系统设计与实现》这篇计算机软件工程专业硕士毕业论文的第三章中，采用功能用例图等技术和工具，对系统的具体研发需求进行了详细分析。

3 系统需求分析

本章通过对用电信息采集子系统的基本应用环境及系统结构方案进行分析，从功能要求和非功能要求等角度，考察系统的需求分析工作，并结合系统的总体研发目标，对系统进行可行性分析。

3.1 系统及结构概述

3.1.1 系统需求概述

用电信息采集子系统是建立在所在供电公司当前已经基本建设完成的智能电网工程以及智能电表推广应用业务，采用专用数字通信技术、软件技术等信息科技，为公司的供电端日常维护管理业务提供供电用户用电信息采集管理的功能集成平台。从技术角度而言，对于供电端的用电信息采集自动化应用工具的开发工作，其技术难点主要包括了现场硬件体系较复杂、数据通信环节繁琐、终端硬件设备状态监测标准严格、采集数据信息量大等方面，具体说明如下：

1. 从目前公司已经完成建设的供电端智能用电硬件设备体系来看，其中包括了供电点设备、采集点设备、智能电表设备、现场通讯支持设备、终端调试设备等多种类型的硬件，同时上述硬件设备在厂家、型号、参数等方面也存在比较大的差异性，因此在系统的研发工作中需要从逻辑层面进行功能抽象，采用面向中心的一致性功能体系结构，对现场硬件体系的差异性进行封装，实现用电信息采集相关业务实施应用的透明性。

2. 在供电用户的用电信息采集过程中，所需采集的相关信息从整体角度来看，分为终端现场状态数据和终端现场控制指令数据两种类型，其中的数据通讯方向分别为从供电现场到公司内部和从公司内部到供电现场，在此过程中用于终端现场硬件体系的复杂性，通讯过程需要经过智能电表、采集点、供电点、通讯支持设备、现场终端调试设备、电力通信专网、公司内部业务网络等多个节点与网段，因此数据通讯过程中的技术标准及数据传输效率是系统功能设计和研发工作中所需重点考虑的问题之一。

3. 由于在供电端现场的硬件设备体系较为复杂，同时对于供电公司而言，用电信息的采集效率与质量直接关系到公司的供电服务质量、经济效益以及社会效益，所以如何实现对终端硬件设备的实时运行状态的监测与管理维护，是用电信息自动化采集工具研发中所需解决的关键问题。系统需要基于可靠的中间数据通信通道以及用户友好的终端设备管理接口，实现在公司内部对现场终端设备的远程监测与控制管理。

4. 用电信息采集工具需要能够全面覆盖当前公司的供电区域中的智能电网，由于目前公司的供电用户数量较多，分布较为分散，因此在用电信息采集过程中所需采集的数据量较大，不仅要求在终端现场的硬件体系建设以及数据通信网建设过程中具有较高的质量标准，同时从用电信息自动化采集工具的角度而言，其内部的数据通讯效率也需要达到一定的技术标准，能够支持供电端现场采集得到的海量信息的正常稳定安全通讯。

3.1.2 系统结构分析

对于用电信息采集子系统而言，在其功能设计和研发工作中需要基于公司已经部署完成的供电端硬件体系以及数据通讯网络资源体系，实现供电用户用电信息的可靠、稳定、安全采集。因此，本节对系统运行的整体结构进行分析考察，提出系统的总体设计与研发目标。目前，公司为用电信息采集自动化工具所提供的基本硬件及网络环境的基本结构如图3-1所示。按照图3-1所示，供电用户通过公司在供电端现场安装并接入到智能电网的各个供电点设备、智能电表设备进行电力能源的使用。同时为了能够实现用电信息的现场采集，以及为用电信息采集自动化工具提供硬件基础支持，公司采用专用的电力通信网及现场通讯设备（通常为具有数据接收及转发功能的RTU单元设备、路由器、交换机等）将供电端通过内部业务网络接入点服务器和公司内部业务网络进行连接。在供电端现场，各个采集点通过现场总线和供电用户的智能电表进行连接，同时还包括了对采集点设备进行调试所用的现场调试设备。上述硬件及网络环境结构具有如下特征：

1. 在每个采集点设备下通常会以总线形式挂接多个供电用户的智能电表；

2. 每个采集点设备通常以总线形式挂接一台调试设备；

3. 每个通讯设备下采用总线形式挂接多个采集点设备；

4. 每个供电点设备可以同时支持多个采集点下挂接的智能电表的电力能源供应服务；

5. 每个供电点设备一方面通过供电线路和智能电网连接，实现电力能源的输送，同时还通过电力通信专网接入到公司内部业务网络。

图3-1 系统运行的硬件及网络环境基本结构

因此，基于用电信息采集子系统的功能定位以及上述分析可以得到系统的逻辑框架如图3-2所示。

图3-2 系统逻辑框架示意图

按照图3-2所示，在用电信息采集子系统的逻辑框架中包括了两条数据交互流程，分别是供电端现场硬件的远程控制管理信息流和用电信息采集结果的上报信息流。其中远程控制信息流的类型分为现场硬件设备的状态监测（包括调试）、采集指令下发等方面。考虑到在系统运行的硬件及网络环境中的数据通讯网段类型的差异性，在系统的研发工作中需要实现如下目标：

1. 在系统中需要实现用电信息采集业务中的相关功能处理上层应用接口，包括了固定周期的采集任务、临时手动采集任务的管理，现场终端设备的远程监控管理等方面；

2. 在系统和供电端现场的数据通讯交互过程中，需要设计和研发合理、高效、可靠的数据交互通信模型，选择合理的数据通信协议体系，实现系统与供电端现场之间的数据可靠高效通讯；

3. 在系统的软件功能体系中，需要为上述功能目标的实现提供必要的功能支持组件，例如硬件设备远程控制管理的指令集合、采集结果数据的可靠存储、数据分析统计等功能。

3.2 系统功能需求

按照用电信息采集子系统的需求及结构分析，系统的目标用户为公司的电网运维管理人员，同时在功能结构中需要提供定时任务管理、采集质量检查、设备监测管理以及手动采集管理4个功能，具体如图3-3所示。

图3-3 系统功能需求结构

本节结合图3-3中展示的用电信息采集子系统的功能需求用例图，对系统的4个功能需求的具体开发目标及内容要求进行详细阐述。

3.2.1 定时任务管理功能需求

在供电公司中，用电用户包括了大型专变用户、中小型专变用户、三相工商用户、单相工商用户、居民用户、公用配变用户等多种类型。由于用电用户类型众多、规模较大，因此在自动化的用电信息采集过程中采用定时任务的方式进行实施，周期性采集各类用电用户的用电信息。在定时任务管理功能中，按照图3-3所示，其中的功能需求项主要包括了定时任务的创建、编辑、删除以及上报管理等4个方面：

1. 在定时任务创建功能中，系统需要为电网运维人员提供各类用电用户的用电信息采集任务新增功能，按照用户提交的任务名称、用户类型、采集数据类型、采集周期、偏移时间、标志信息以及采集的目标数据单元内容等参数，在系统中增加对应的定时采集任务。

2. 在定时任务编辑功能中，系统需要按照电网运维人员提交的任务查询信息，将对应的定时任务进行检索与展示，同时为其提供任务相关参数信息的编辑功能支持，并基于用户的编辑操作，将该任务的内容进行对应的后台更新操作。

3. 在定时任务删除功能中，系统需要通过检查当前登录的电网运维人员基本信息，将其创建的定时任务进行检索和展示，并按照用户在定时任务列表中的选择，将对应的定时任务从系统中进行删除。

4. 在定时任务上报功能中，系统需要按照电网运维人员的登录身份信息，将其创建的所有未上报的用电信息采集任务进行检索和列表展示，并按照用户的列表选择及上报周期参数设置结果，在后台启动对应的定时任务，正式进行用电信息采集，并按照上报周期将每轮的用电信息采集结果进行解析和保存。

3.2.2 采集质量检查功能需求

由于供电端现场的硬件体系以及网络结构相对较为复杂，所以在用电信息采集过程中可能会由于各种非计划因素导致采集到的用电信息出现错误、异常或空数据，因此在用电信息采集子系统中需要提供采集质量检查功能。按照图3-3中所示，在采集质量检查功能中需要为电网运维人员提供的功能包括了采集任务检查、抄表成功率检查以及采集成功率检查3个方面：

1. 在采集任务检查功能中，系统需要在后台自动记录所有采集失败的任务信息，同时为用户提供失败任务查询功能支持，按照其指定的时间范围将对应的失败任务进行检索和列表展示。同时，系统还需要按照用户在失败任务列表中的选择，将具体的失败信息进行详情展示，并在其中提供手动补测的功能支持，以任务补召的方式重新执行选中的失败任务，并将补测的采集结果返回到客户端进行页面展示，在其中提供数据信息的导出和在线打印功能支持。

2. 用电信息采集的状态结果包括了采集成功、电表暂停而导致的失败、电表正常运行但采集失败3种类型，抄表成功率是指特定时间内某供电单位所有被采集电表中成功采集的百分比。因此在抄表成功率检查功能中，系统需要按照电网运维人员指定的时间范围以及供电单位，将该时间段内指定供电单位的所有关联采集任务执行状态进行检索，按照采集成功、电表暂停、采集失败进行分类统计，同时计算采集成功率，并将上述检索统计结果以及计算结果以列表形式进行展示，在其中提供数据信息的导出和在线打印功能支持。

3. 采集成功率是指所有定时任务在执行过程中，本系统与现场的终端硬件之间的通信质量，其计算方式为失败的通信次数和所有通信次数的百分比。因此在采集成功率检查功能中，系统需要为电网运维人员提供指定时间范围内的所有定时任务的通信状况的查询统计功能，按照用户选择的供电单位、开始以及结束日期，将该时间段内指定供电单位关联的用电信息采集任务的通信总次数、失败次数等信息进行检索与统计，计算通信成功率，并将统计信息及计算结果以列表形式进行展示，在其中提供数据信息的导出和在线打印功能支持。

3.2.3 设备监测管理功能需求

在智能电网的用电信息自动化采集过程中涉及到的硬件体系较为复杂，硬件设备类型众多，因此为了实现对供电端现场设备的状态远程维护管理，在用电信息采集子系统中需要设置设备监测功能，管理的目标终端设备主要为图3-1中所示的采集点设备、调试设备等。按照图3-3中所示，在设备监测管理功能中需要提供的功能包括了实时工况查询、终端异常告警以及设备批量巡检3个方面：

1. 实时工况是指在供电端现场硬件的在线状态，因此在实时工况查询功能中，系统需要基于后台与供电端现场硬件之间的网络通信体系，对所有设备的实时在线状态进行监测。同时，在此基础上为电网运维人员提供按照生产厂家、通道类型、供电单位等参数进行分类查询统计的功能支持，将当期的采集点设备/调试终端设备总数、暂停设备数量、在线设备数量、离线设备数量进行统计，并计算当期的实时在线率，将结果以列表形式进行展示，在其中提供数据信息的导出和在线打印功能支持。

2. 在设备批量巡检功能中，系统需要为电网运维人员提供采集点设备的相关事件信息、运行数据信息的手动巡测功能支持，包括了单个采集点设备以及多个采集点设备的手动巡测管理。在具体的管理过程中，系统需要按照用户指定的条件，将所有在线的采集点设备进行列表展示。在用户选中单个或多个采集点设备之后，系统需要基于后台的现场硬件设备通信体系，向采集点设备发送巡测指令，并按照采集点设备返回的反馈信息，以列表形式展示具体的巡测结果。同时，在此基础上计算巡测操作的成功数、失败数、成功率以及操作耗时信息等，并将统计和计算结果在列表中进行展示，在其中提供数据信息的导出和在线打印功能支持。

3. 在终端异常告警功能中，系统需要在后台实现对所有现场设备上报的异常信息进行接收和保存，并在此基础上创建对应的告警信息，并以短信形式发送至该设备的异常处理人员。同时按照电网运维人员提交的异常处理情况，将具体的处理人、处理时间、处理结果等信息和异常告警信息进行关联存储。另外，在该功能中还需要为电网运维人员提供供电端的现场设备在运行过程中上报的异常告警信息及其处理结果的查询功能支持，查询的条件包括了按照供电单位、异常类型（版本变更、参数丢失、参数变更、状态量变位等）、用户类型、时间范围等，并在查询结果列表页面中为电网运维人员提供上述数据信息的导出和在线打印功能支持。

3.2.4 手动采集管理功能需求

在用电信息采集自动化业务体系中，除了各种定时任务以及终端现场设备的状态信息上报之外，电网运维人员通常还需要根据实际的管理工作需求，执行大量的临时数据采集操作，因此在系统中需要提供手动采集管理功能支持。按照图3-3中所示，在手动采集管理功能中主要包括了数据召测和穿透抄表两个方面：

1. 数据召测是指以手动形式对单个或多个采集点设备的实时信息、历史信息、事件信息等状态的远程采集，和批量巡检的区别主要在于远程通信的对象为各个采集点关联的调试设备，因此数据召测不仅能够对在线的采集点设备进行数据信息采集，同时还可以对暂停、离线的采集点设备信息进行采集处理。在具体的功能中，系统需要将所有可召测的采集点设备以列表形式进行界面展示，并按照电网运维人员的选择，将选中的采集点的实时状态进行采集和展示，同时为用户提供状态数据、终端事项、冻结和统计数据等不同类型信息的远程采集功能支持，并按照用户选中的采集数据类型，通过在后台和关联的调试设备进行通讯，将上述信息进行远程获取，并将获取结果以列表形式进行展示，在其中提供数据信息的导出和在线打印功能支持。

2. 在穿透抄表功能中，系统需要为电网运维人员提供指定智能电表的远程手动抄表功能支持，按照用户所选的单个或者多个智能电表以及抄表类型，将当前的测量数据进行远程采集，并以列表形式进行展示，同时提供列表数据的导出和在线打印功能接口。其中，抄表类型支持的内容包括了正向/反向有功电能、正向/反向无功电能示值4个方面，具体的数据信息包括了总功率、峰值功率、谷值功率等。

3.3 系统性能需求

由于在用电信息采集子系统的整体结构中包括了前台的面向电网运维人员的软件功能体系，以及运行在系统后台的面向终端现场的后台通信功能体系，所以在系统的性能需求中也需要按照上述功能体系进行分别设置。

1. 前台软件性能需求

在本系统面向终端用户的软件性能需求中主要包括了系统的并发用户支持能力、系统逻辑操作响应时间要求两个方面：

（1）用户并发支持能力：本系统的目标用户为公司的电网运维管理人员，按照目前公司的智能电网日常运维中心的业务规模，电网运维管理队伍人数约为100人，因此在用户并发支持能力方面，系统需要能够满足不低于100个终端用户并发访问和操作系统的要求。

（2）系统响应时间要求：本系统在实际应用中需要符合公司对于内部业务软件提出的通用标准，在该标准中对于公司内部业务软件的响应时间有严格的要求，具体为所有的逻辑操作请求需要在不超过3秒内返回对应的逻辑处理结果。

2. 后台网络通信技术指标

在系统的后台网络通信体系中主要采用了目前公司的电力通信专网、供电端数据通信总线网络、公司租用的专网通信网资源等建立起用电信息采集业务所需的远程数据通信体系。在具体的通信技术指标中主要包括如下内容：

（1）系统所有下发的用电信息采集指令、终端设备监测指令等需要在2秒内到达对应的现场设备。

（2）所有从供电端现场设备上报的用电信息采集反馈信息、设备工况信息、事件信息等需要在2秒内上报到本系统中。

（3）系统在接收到供电端现场设备上报的数据之后，需要在1秒内完成数据的解析、格式化等功能处理。

3.4 本章小结

在本章中对所在供电公司组织研发的用电信息采集子系统进行了详细的需求分析，通过考察系统的基本研发背景以及暂定的体系结构方案，采用软件功能用例图的方式介绍了系统的具体功能开发需求，同时按照系统的功能体系对系统所需达到的性能要求进行了简要阐述。

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