探究智能用電網絡數據采集與通信機制

鮑亞英 陳險寧 鮑亞男 趙連江 王哲

摘要：智能用電網絡通信機制先進，數據監(jiān)測頻率為傳統(tǒng)通信機制的10多倍，在信息吞吐量方面降低90%以上，其在計算和核心設備控制方面的運行負荷也降低了90%以上，網絡規(guī)模擴大，實用性提升。

關鍵詞：智能用電；網絡數據采集；通信機制

1智能用電網絡的概述

智能用電網絡屬于典型的用戶側信息物理系統(tǒng)，它主要以信息能量網關為核心，通過能效終端來連接各個用電設備，具有計算、通信等多項功能。為了優(yōu)化智能用電網絡的數據采集與通信機制，滿足現(xiàn)實應用需求，可以配合信息物理系統(tǒng)理論，提出基于時間驅動與事件驅動的多智能數據采集與通信體制，構建機制混合動態(tài)系統(tǒng)，并進行實驗驗證智能用電網絡的實時性、數據吞吐量與網絡規(guī)模。

2分析智能用電網絡的數據采集和通信應具備的特點

2.1實時性

在現(xiàn)實應用場景中，需要實時獲知物理設備的工作狀態(tài)及當下的物理環(huán)境，進而實時計算出符合當下目標的最優(yōu)的控制策略。特別是當出現(xiàn)突發(fā)狀況時，要及時下達控制指令，對目標設備和周圍環(huán)境進行干預。

2.2動態(tài)可變性

動態(tài)可變性是指交互界面下數據的非確定及不可預測性。

2.3可信性

為了實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)精確控制、遠程協(xié)調和自治的高級功能，在進行數據采集、傳輸、計算和反饋的過程中，需要保證數據的正確性、可靠性及安全性。

2.4多樣性

智能用電網絡中存在多種類型的數據，如表征電器運行狀態(tài)及表征周圍物理環(huán)境的各種參數，這些目標監(jiān)測參數共同構成了數據的多樣性，并為更加準確的識別和預測監(jiān)測設備的運行狀態(tài)和能效水平提供了支持。

2.5海量性

隨著物理信息系統(tǒng)的不斷更新和發(fā)展，其規(guī)模、功能等都有所升級，物理設備在實時監(jiān)控和交互時會產生大量數據。

2.6通信設備資源有限

目前應用在用戶側信息物理系統(tǒng)的嵌入式物聯(lián)網設備，特別是無線局域網通信設備具有低功耗、低成本、低通信速率、資源和功能高度有限等特點，使得這些設備的計算速度、數據處理能力、信息傳輸速度都十分有限。可知，智能用電網絡通信設備的資源有限性和采集數據的實時性、動態(tài)可變性、海量性和多樣性在某種程度上是矛盾的。為了兼容這兩種要求，需要先分析用電設備狀態(tài)參數曲線特性，根據其特性，在采樣保真度得到保證的前提下，盡可能減少通信量。

3智能用電網絡數據采集與通信機制設計

實時了解用電設備狀態(tài)參數變化情況，并進行采樣的目的是使智能用電網絡能夠識別用電設備的運行狀態(tài)，評估其能效情況，對它進行精確控制等。將狀態(tài)參數曲線頻率設置為f，已知數據可變，得出f為不定值，用電設備狀態(tài)為非工作或穩(wěn)定工作，f→0；反之，狀態(tài)不穩(wěn)定，f→N，N為實數。即

其中，W（tj）、Ws、Wb分別表示用電設備在tj時刻、穩(wěn)定、非穩(wěn)定情境下的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)通過精確記錄設備動態(tài)及穩(wěn)定工作過程，以符合信息物理系統(tǒng)的實時性特征。根據已知的采樣定理，當采樣頻率fs比信號最大頻率兩倍還大時，可實現(xiàn)原始信號的還原，即

基于前端數據采集設備考量，其數據采樣過程呈現(xiàn)持續(xù)性特征。采樣最小間隔由設備芯片各次循環(huán)花費時間決定，對應采樣頻率為，依據智能用電網絡情況可知，動態(tài)情境下的用電設備，即使采樣頻率非常高，也能符合采樣定理要求，保證真實性?；谟嬎憧刂坪诵脑O備考量，整體系統(tǒng)采樣設備與前端設備的數據上報通信頻率相關，后者是否上報數據又受時間響應和事件響應判定結構影響。倘若有足夠的條件設立通信機制，當用電設備狀態(tài)為Wtj時，響應機制判斷為真的概率P（Wtj）滿足：

該情境下，系統(tǒng)是不定頻率fws的采樣，且

這一數據采集和通信機制的優(yōu)勢在于不僅與信息物理系統(tǒng)實時性要求吻合，而且使核心計算設備和通信模塊的壓力得到了緩解。

4智能用電網絡通信機制混合動態(tài)系統(tǒng)

4.1分析建模

將嵌入式系統(tǒng)構建作為智能用電網絡數據采集和通信機制混合動態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建起點，注重嵌入式系統(tǒng)與物理過程的結合。智能用電網絡通信機制混合動態(tài)系統(tǒng)主要是事件狀態(tài)和混合系統(tǒng)控制相結合。智能用電網絡要依托應用限制條件和現(xiàn)實場景需求，劃定系統(tǒng)狀態(tài)，科學規(guī)劃狀態(tài)轉移條件，減少信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)異構性差異。

4.2形式化規(guī)格

它借助數學符號，對系統(tǒng)安全運行狀態(tài)下的必須屬性進行描述。線性時序邏輯功能在于對混合系統(tǒng)軌跡要求進行準確描述，用于系統(tǒng)屬性展示。主要通過線性時序邏輯對智能用電網絡通信機制混合動態(tài)系統(tǒng)屬性進行表述。在這一表述過程中可知系統(tǒng)的不變量是由其包含的安全性和活躍性來構建的。

4.3分析可到達性

系統(tǒng)是否與時序化邏輯公式表達的形式化規(guī)格算法吻合由模型檢測來確定。該過程以計算系統(tǒng)可到達狀態(tài)集為核心。混合動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間很大，常規(guī)模型檢測方式不具備適用性，多采用符號化模型檢測方法，應用原理為依托命題邏輯公式對某個狀態(tài)集進行符號化表示，繼而直接在狀態(tài)集合上處理模型檢測。該研究以混合動態(tài)系統(tǒng)為基礎，借助智能插座和信息能量網關，對該機制原型系統(tǒng)進行開發(fā)，從而驗證智能用電網絡數據采集與通信機制的高效與否。無論是智能插座的核心處理芯片，還是通信方式都是依據實驗本身擇優(yōu)選取的，能量信息網關選用的是因特爾生產的Quark系列網關Riban，ATOM處理器，CPU基準頻率是400MHZ。

5結語

總之，作為最重要的用戶側信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)方式，智能用電網絡在構建方面具有低成本、低功耗等諸多優(yōu)勢，而且其在數據采集與通信方面的實時性與動態(tài)可變性也非常實用。

參考文獻：

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[2]劉軍利，李大勇.智能用電網絡數據采集與通信機制的研究分析[J].科技經濟導刊，2017（14）.

（作者單位：國網葫蘆島供電公司）