電力用戶端電量監(jiān)測技術(shù)研究

畢艷冰，蘇彥龍，蘇鑫磊，楊 君，胡 雨

(北京國網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，北京 100053)

傳統(tǒng)電網(wǎng)由大量松散互聯(lián)的同步交流電網(wǎng)組成，有3個主要功能：發(fā)電、輸電和配電，其中電力只向一個方向流動，即從服務(wù)提供商到消費者[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對電力系統(tǒng)的需求變得更多元化、更智能化，傳統(tǒng)電網(wǎng)也面臨一些挑戰(zhàn)，包括不斷增長的能源需求、可靠性、安全性、新興的可再生能源和老化的基礎(chǔ)設(shè)施問題等。在20世紀(jì)末，為了解決這些挑戰(zhàn)，智能電網(wǎng)(SG)作為一種有前途的解決方案出現(xiàn)在各種信息和通信技術(shù)中[2]。智能電網(wǎng)提供了服務(wù)提供者和消費者之間的雙向通信，而傳統(tǒng)的電網(wǎng)只提供從服務(wù)提供者到用戶的單向通信[3]。智能電網(wǎng)提供先進(jìn)的計量基礎(chǔ)設(shè)施、智能電表、容錯、未經(jīng)授權(quán)的使用檢測，以及負(fù)載平衡和自我修復(fù)，即檢測和從故障中恢復(fù)[4]。智能電網(wǎng)的一個主要問題是對如此大量設(shè)備的連通性、自動化和跟蹤，這就要求通過高速、無處不在的雙向數(shù)字通信進(jìn)行分布式監(jiān)控、分析和控制[5]。這已經(jīng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)實世界中得以實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)被定義為一個網(wǎng)絡(luò)，它可以根據(jù)各種智能設(shè)備之間交換信息和通信的協(xié)議將任何對象與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，以實現(xiàn)監(jiān)控、跟蹤、管理和位置識別目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過整合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(如傳感器、執(zhí)行器和智能電表)，以及通過為這些設(shè)備提供連接性、自動化和跟蹤，支持整個發(fā)電、存儲、傳輸、配電和消費的各種網(wǎng)絡(luò)功能來實現(xiàn)智能電網(wǎng)需求[6]。

智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化的關(guān)鍵技術(shù)，將底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒐芾頉Q策系統(tǒng)中，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院蛯崟r性。智能電網(wǎng)的信息管理決策系統(tǒng)主要用來完成電網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲，分析和決策。在家庭用戶電量可監(jiān)控方面，歐美等發(fā)達(dá)國家大力推廣智能電表，軟硬件廠家開始相互合作，部分產(chǎn)品已投入到市場中，在人機(jī)界面設(shè)計領(lǐng)域，移動設(shè)備的交互設(shè)計等智能終端設(shè)計仍然還是目前的一個研究熱點。智能電網(wǎng)用戶側(cè)通信系統(tǒng)還存在著通信干擾問題，遠(yuǎn)程通信部分由于存在著多個網(wǎng)絡(luò)，各個網(wǎng)絡(luò)相互之間存在著干擾，可能還存在數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象[7]。

針對遠(yuǎn)程通信過程中存在的干擾問題，文獻(xiàn)[8]提出了一種基于模糊距離的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議優(yōu)化策略，利用參考節(jié)點能量的模糊距離算法，對節(jié)點的有效選擇進(jìn)行合理的動態(tài)優(yōu)化，降低節(jié)點能量消耗。文獻(xiàn)[9]提出了一種通過對網(wǎng)絡(luò)樹族的自適應(yīng)選擇的AODV路由算法，可以有效地降低ZigBee的數(shù)據(jù)丟包率。最近，許多研究者提出了博弈論作為通過功率控制處理干擾的潛在分散方法[10-11]。博弈論既能有效地模擬非合作用戶的目標(biāo)，又能幫助每個玩家制定策略。

本文主要針對智能電網(wǎng)用戶側(cè)通信系統(tǒng)和通信過程中產(chǎn)生的干擾問題、數(shù)據(jù)丟包問題展開研究。首先，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成了用戶端網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計；然后，針對遠(yuǎn)程通信中的干擾問題、數(shù)據(jù)丟包問題，設(shè)計了一種滿足其功率要求的基于博弈論的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化策略。

1 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要分為3部分[12-14]：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和決策層。利用物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)思想，將智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)也劃分為3層：對冰箱、空調(diào)、燈、電視等家用電器數(shù)據(jù)采集與檢測構(gòu)成的感知層；由無線網(wǎng)絡(luò)、4G/5G網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、LoRa網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、寬帶等構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)層；對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的電力公司云管理平臺構(gòu)成了決策層。智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of smart grid communication system

考慮到ZigBee網(wǎng)絡(luò)、LoRa網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸特點，本系統(tǒng)主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、LoRa集中器和無線控制器構(gòu)成了系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)。通信路徑為：傳感器數(shù)據(jù)由ZigBee終端節(jié)點發(fā)送路由給ZigBee協(xié)調(diào)器，智能電表數(shù)據(jù)由LoRa終端節(jié)點路由到LoRa集中器，各網(wǎng)關(guān)通過串行接口進(jìn)行信息交互，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)給云管理平臺。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.1 智能電表模塊設(shè)計

為了實現(xiàn)對電力系統(tǒng)參數(shù)如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等的精準(zhǔn)檢測，本文設(shè)計了一種基于ADE9153B的智能電表?？紤]到因器件老化，系統(tǒng)故障或無效等情況造成電表計量不準(zhǔn)確的情況，本文加入了電表自檢模塊，除了可以實現(xiàn)對電壓、火線電流、零線電流的采樣計量外，還可以對電表本身的狀態(tài)進(jìn)行自檢。其硬件拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 多路智能電表結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of multi channel smart meter

1.1.2 無線網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計

系統(tǒng)中，有ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、LoRa 網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)3種無線網(wǎng)絡(luò)，不同網(wǎng)絡(luò)有不同的通信協(xié)議，不能直接進(jìn)行通信，不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間通信需要一個協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，即網(wǎng)關(guān)。在本系統(tǒng)中，由ZigBee 協(xié)調(diào)器、LoRa 集中器和WiFi 控制器構(gòu)成無線網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，ZigBee 協(xié)調(diào)器和WiFi 控制器通過USART1 串口進(jìn)行通信，LoRa 集中器和WiFi 控制器通過USART2 串口進(jìn)行通信，3種網(wǎng)絡(luò)相互獨立運行，互不干擾，實現(xiàn)ZigBee 協(xié)議、LoRa 協(xié)議、TCP/IP 協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關(guān)模塊如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)關(guān)模塊Fig.3 Wireless gateway module

1.2 智能電表軟件程序設(shè)計

本文設(shè)計的智能電表主要分為3個模塊[15-16]：電表狀態(tài)自檢模塊、信息采集模塊、信息傳輸模塊。電表自檢模塊主要是通過誤差判定，從計量模塊獲取出廠參數(shù)增益系數(shù)，然后將其與采集得到的增益參數(shù)進(jìn)行對比得到誤差。自檢模塊完成電表校驗后，完成對電量參數(shù)的采集和傳輸功能，程序流程如圖4所示。

圖4 智能電表軟件程序流程Fig.4 Flow chart of smart meter software program

2 基于物聯(lián)網(wǎng)用戶端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化

2.1 基于博弈論和轉(zhuǎn)發(fā)概率的網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化

大量研究調(diào)查表明，無線設(shè)備的劇增導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了大量的網(wǎng)絡(luò)干擾和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時、數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象。大量的網(wǎng)絡(luò)干擾會造成部分網(wǎng)絡(luò)信道被忽視，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，如何優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)信道分配是降低網(wǎng)絡(luò)干擾的一個重要方法。博弈論是一種當(dāng)利益出現(xiàn)矛盾的時候，參與個體根據(jù)自身獲得來自其他參與者的決策信息，然后制定自身動作實現(xiàn)整體利益均衡的策略。將這種理論應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)信道分配中，比傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法更加貼合實際。設(shè)1個無線網(wǎng)絡(luò)中有N個路由器，當(dāng)源節(jié)點S發(fā)送信息到目標(biāo)節(jié)點D時，節(jié)點S的所有出度集合都是路由轉(zhuǎn)發(fā)的預(yù)選節(jié)點，這些預(yù)選節(jié)點會依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)概率和收發(fā)函數(shù)決定是否轉(zhuǎn)發(fā)。

(1)轉(zhuǎn)發(fā)概率：

P(i)=[α×Ei(ci)+(1-α)cosA]×(Oi/Oa)

(1)

式中，Ei(ci)為節(jié)點i當(dāng)前剩余能量與初始值的比值；cosA為候選節(jié)點i與源節(jié)點S和目標(biāo)節(jié)點D構(gòu)成夾角的余弦值；Oi為節(jié)點i的出度值；Oa為所有節(jié)點的平均出度值；α為任意大于0小于1的值。

(2)收發(fā)函數(shù)：

(2)

2.2 仿真驗證

驗證本文提出的基于轉(zhuǎn)發(fā)概率和博弈論的網(wǎng)路通信優(yōu)化策略的一個重要標(biāo)志就是網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時間，通過仿真與文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]的通道分配策略進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計的分配策略大大降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同優(yōu)化策略的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of different optimization strategies

3 結(jié)語

本文主要分析了當(dāng)代智能電網(wǎng)的核心發(fā)展技術(shù)，發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了智能電網(wǎng)更加智能化，利用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效提高智能電網(wǎng)電量可視化和精準(zhǔn)化，可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對電網(wǎng)的電量參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控。首先，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技的智能電網(wǎng)用戶端信息系統(tǒng)，不同的采集信息設(shè)備根據(jù)其傳輸特點分別通過不同的網(wǎng)絡(luò)途徑發(fā)送到電力系統(tǒng)后臺管理平臺，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸途徑主要分為ZigBee網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、LoRa網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)電網(wǎng)用戶端電量可視化，本文設(shè)計了一種可以計量電壓、電流、功率、功率因數(shù)的智能電表。其次，考慮到由于器件老化，電網(wǎng)系統(tǒng)故障或失效引起的計量不精準(zhǔn)問題，還增加了電表狀態(tài)自檢模塊，智能電表將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝處理后通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸給電網(wǎng)管理平臺。不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸時都有不同的端口通信協(xié)議，隨著無線設(shè)備越來越多，網(wǎng)絡(luò)傳輸就會出現(xiàn)大量的干擾，這些干擾會嚴(yán)重降低網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，引發(fā)傳輸延時、數(shù)據(jù)丟包。因此，本文設(shè)計了一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化分配策略，該策略比傳統(tǒng)意義上的多目標(biāo)優(yōu)化策略更加貼合實際，并且通過仿真驗證了該策略可以有效的降低網(wǎng)絡(luò)延遲時間。