電力用戶用電信息采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王雪晶， 張潔敏， 張航

(國網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司， 福建 福州 350001)

0 引言

不斷發(fā)展和完善的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為智能電網(wǎng)的輔助提供了技術(shù)支撐，同時促使電力的銷售及管理模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，對電力用戶用電信息采集系統(tǒng)提出了更高的要求，信息采集系統(tǒng)在采集用戶用電信息的基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步處理實(shí)現(xiàn)信息交流共享與實(shí)時監(jiān)控和管理功能，將當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)與用戶聯(lián)系起來。因此對于用戶用電信息采集系統(tǒng)(綜合了供電側(cè)、售電側(cè)和購電側(cè))進(jìn)行設(shè)計和完善成為目前研究的重點(diǎn)之一。

1 現(xiàn)狀分析

互聯(lián)網(wǎng)+及大數(shù)據(jù)技術(shù)不斷發(fā)展完善的大背景下，為發(fā)展電力信息系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐，隨著智能電網(wǎng)的深入建設(shè)及智能電表的普及應(yīng)用，對電力信息的智能管理要求和整體服務(wù)水平不斷提高，這就需要以采集和優(yōu)化識別用戶用電信息過程作為基礎(chǔ)，供電公司需在收集并掌握客戶用電信息的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘分析實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的科學(xué)高效的管理過程，同時確保用戶用電信息的監(jiān)測過程能夠有效結(jié)合大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)，在提高工作質(zhì)效的同時有效降低成本。用戶用電信息通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方法的使用完成采集后向智能信息處理終端傳輸，以供遠(yuǎn)程控制和分析相關(guān)信息使用，從而提高用電信息的實(shí)時處理能力，通過信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對用戶重要信息的實(shí)時采集(包括負(fù)荷、用電電量、電壓等)，進(jìn)而將完整準(zhǔn)確的電力用戶數(shù)據(jù)提供給電力管理及營銷信息系統(tǒng)，為電力企業(yè)優(yōu)化完善營銷業(yè)務(wù)提供支撐[1]。本文研究采集電力用戶用電信息的方法基于信息數(shù)據(jù)挖掘和智能控制過程，采用嵌入式的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法和技術(shù)對用戶用電信息采集系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提出了一種自適應(yīng)信息調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)了對電力信息系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化管理功能，以期為提高用電信息智能調(diào)度性能提供參考。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

目前對電力用戶用電信息采集方面的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展， PLC 設(shè)計和單片機(jī)控制是現(xiàn)有設(shè)計電力用戶用電信息采集系統(tǒng)時主要采用的方法，完成用戶用電信息采集后借助數(shù)據(jù)存儲器完成智能存儲過程，再結(jié)合運(yùn)用大數(shù)據(jù)管理技術(shù)完成信息采集和管理過程，提高了信息的智能調(diào)度能力。例如，基于DSP 技術(shù)的嵌入式采集系統(tǒng)，針對用電信息數(shù)據(jù)通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)模型的使用完成了多傳感器組網(wǎng)的構(gòu)建，提高了信息采集能力，但存在智能信息處理能力較弱、集成性不佳不強(qiáng)的不足。本文為彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法存在的不足，提出一種用電信息量化檢測識別以及動態(tài)采集方法，基于ZigBee 組網(wǎng)(分布式陣列)采用自適應(yīng)分布式優(yōu)化定位設(shè)計完成了電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的構(gòu)建，結(jié)合運(yùn)用向量量化方法和模式識別技術(shù)完成對所采集的信息融合處理及屬性歸類處理，實(shí)現(xiàn)電力用戶用電信息自動采集挖掘功能[1]。

2.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計

本文所構(gòu)建的用電信息采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 信息采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)

該系統(tǒng)采用多傳感器(分布于用戶用電信息監(jiān)測區(qū))進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)模型(由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、數(shù)據(jù)傳輸層構(gòu)成)的用戶用電信息采集系統(tǒng)采用自適應(yīng)分布式優(yōu)化定位設(shè)計方法對信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，數(shù)據(jù)總線傳輸調(diào)度通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)層完成，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計信息動態(tài)采集技術(shù)，信息的自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)控制通過多模嵌入式控制方法的使用完成，開發(fā)設(shè)計信息采集系統(tǒng)時通過使用嵌入式技術(shù)完成，從而使電力用戶用電信息采集的實(shí)時性及準(zhǔn)確性得到有效提高，信息的 ZigBee 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用VXI 總線調(diào)度模式，自適應(yīng)信息處理過程則采用嵌入式信息采集技術(shù)完成，對于電力用戶用電信息通過PXI 觸發(fā)總線的使用完成時鐘采樣控制過程，可確保大量信息采集的完整性和可靠性。數(shù)據(jù)回放處理在應(yīng)用層模塊完成，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息的動態(tài)監(jiān)測功能[2]。

2.2 系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計

用戶用電信息采集系統(tǒng)的信息處理器采用了TMS32010DSP 芯片，在對信息采集系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式設(shè)計時，信息采集系統(tǒng)在嵌入式 ARM 中完成集成開發(fā)過程，信息采集過程通過使用實(shí)時觸發(fā)器 PXI-6713 完成，復(fù)位模塊中的電路復(fù)位基于簡單RC 復(fù)位方法實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制輸出終端由采用 2片 AD5545 芯片構(gòu)成(具備自適應(yīng)特點(diǎn))，基于特征采樣和總線控制的用戶用電信息采集系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)采集功能通過使用實(shí)時 VXI總線技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)，總線驅(qū)動通過運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)VPP 儀器驅(qū)動程序完成。人機(jī)交互端的傳感器模塊的構(gòu)建通過使用ARM Cortex處理器內(nèi)核(能夠進(jìn)行全波采樣)完成，同PXI-6713 模塊連接后(通過 PXI 總線橋?qū)崿F(xiàn))即可完成同 PC 機(jī)間的通信過程，信息采集的采樣頻率≥15 MHz，構(gòu)建時鐘控制模塊時結(jié)合運(yùn)用低電壓及時鐘復(fù)位完成，人機(jī)交互接口由復(fù)用的數(shù)據(jù)引腳(16 個)、專用時鐘引腳及幀同步引腳構(gòu)成[3]。

3 電力用戶信息采集的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)模型及節(jié)點(diǎn)定位

3.1 電力用戶用電信息采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型(分布式組網(wǎng))的使用完成基陣組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，再通過分布式物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計方法的使用完成對該網(wǎng)絡(luò)基陣的進(jìn)一步優(yōu)化，基于多傳感器量化檢測識別方法的動態(tài)特征采集過程通過在信息監(jiān)控區(qū)域內(nèi)布置傳感節(jié)點(diǎn)完成，使電力用戶用電信息采集過程得以有效實(shí)現(xiàn)。針對電力用戶用電信息，描述信息采集的特征狀態(tài)方程，假設(shè)，w(k)表示采集信息時的背景干擾噪聲即高斯白噪聲(均值為零且方差為Q(k))，動態(tài)傳感信息的樣本相關(guān)陣由Γ(k)表示，信息的監(jiān)測狀態(tài)信息矩陣由x(k)∈Rn×1表示，非平穩(wěn)信息的特征分布矩陣由A(k)∈Rn×n表示；zi(k)∈Rp×1表示信息混合數(shù)據(jù)(由第i個ZigBee節(jié)點(diǎn)采集)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集的用電信息的脈沖響應(yīng)由Hi(k)∈Rp×n表示，信息采集過程的干擾噪聲即高斯白噪聲(均值為零且方差為Di(k))由ui(k)∈Rp×1表示[4]，如式(1)、式(2)。

x(k+1)=A(k)x(k)+Γ(k)w(k)

(1)

zi(k)=Hi(k)x(k)+ui(k)，i=1，2，…，N

(2)

假設(shè)，Hi(k)表示信息動態(tài)采集的加權(quán)矩陣，ui(k)表示匹配向量， 且Hi(k)和ui(k)間存在關(guān)聯(lián)規(guī)則項，對用電信息的多模特征通過模糊信息加權(quán)控制技術(shù)的使用完成健全處理過程，信息采集的節(jié)點(diǎn)分布情況采用多傳感器進(jìn)行融合跟蹤識別，得到節(jié)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)，如式(3)[5]。

(3)

在電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中(包括N個傳感器節(jié)點(diǎn))，信息采樣網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)構(gòu)模型通過傳感器節(jié)點(diǎn)基陣的使用完成構(gòu)建，信息采集的傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位，如式(4)。

(4)

在對反饋均衡濾波器進(jìn)行構(gòu)建時則基于節(jié)點(diǎn)的測度信息的平均值完成，由oi表示的信息監(jiān)控數(shù)據(jù)分布的原點(diǎn)矩在t+1 個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中對應(yīng)的坐標(biāo)為(xi，t+1，yi，t+1)，遠(yuǎn)程監(jiān)控的用電信息通過多傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用完成信息融合處理過程，采集信息監(jiān)控數(shù)據(jù)在輸出時滿足的動態(tài)統(tǒng)計特性，如式(5)。

(5)

3.2 信息采集節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化定位設(shè)計

本文優(yōu)化采集電力用戶用電信息的實(shí)現(xiàn)過程基于所構(gòu)建的分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型(對應(yīng)云服務(wù)組合模式下)，信息的模糊分布式結(jié)存儲中心由G(一個四元組)表示，假設(shè)，信息線性規(guī)劃模型的幅值由an表示，信息交互的相空間嵌入維數(shù)由i表示，用電信息的信息流模型由關(guān)聯(lián)規(guī)則項約束方程進(jìn)行描述[6]，如式(6)。

(6)

(7)

對于采集到的數(shù)據(jù)通過向量量化方法的使用完成信息融合處理過程，再采用模式識別技術(shù)完成屬性歸類處理，在信息挖掘和特征提取過程結(jié)合運(yùn)用量化融合跟蹤方法，從而使采集的傳感器節(jié)點(diǎn)定位能力得到顯著提高。

4 系統(tǒng)測試

通過仿真實(shí)驗(yàn)對本文構(gòu)建的用戶用電信息采集系統(tǒng)及方法的實(shí)用性進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)在設(shè)計ZigBee 組網(wǎng)時采用了 32 個傳感器節(jié)點(diǎn)，配置Visual DSP，數(shù)據(jù)采集時硬件仿真的相關(guān)參數(shù)為：信息輸出的脈沖寬度為 2 μs，設(shè)置兩路 D/A ，低跡線噪聲為0.004 dB/rms，從 9 kHz/100 kHz到4.5 GHz/8.5 GHz的頻率選件，電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的信息輸出，如圖2所示。

圖2 電力用戶用電信息采集輸出

系統(tǒng)信息采集的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性的測試對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 性能測試結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文用戶用電信息采集系統(tǒng)舉報較好的輸出性能以及自動控制性能，能夠獲得準(zhǔn)確可靠的采集結(jié)果，為提高智能化管理和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平提供支撐[8]。

5 總結(jié)

為滿足大數(shù)據(jù)背景下智能電網(wǎng)的信息化管理需求，本文主要完成了基于分布式ZigBee 組網(wǎng)電力用戶用電信息采集系統(tǒng)及量化檢測識別采集方法的優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對用電信息的有效監(jiān)測過程，采取分布式優(yōu)化定位對具備自適應(yīng)能力的采集傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，針對采集到的數(shù)據(jù)則通過向量量化方法的使用完成了信息融合處理過程，信息屬性歸類處理則使用模式識別技術(shù)完成，再對用戶用電信息運(yùn)用量化融合跟蹤方法完成進(jìn)一步的特征提取和自動挖掘過程，針對信息采集結(jié)果通過自適應(yīng)信息調(diào)度方法的使用實(shí)現(xiàn)了電力信息系統(tǒng)管理及控制能力的顯著提高。通過該系統(tǒng)可使用戶用電信息采集的自動化及智能化水平得到顯著提升，使用該信息動態(tài)采集方法獲取的信息采集結(jié)果具備較高的可靠度。