在線用戶電能數(shù)據(jù)采集-監(jiān)控-稽查一體化系統(tǒng)研究

梁 飛汪海燕周 睿周媛奉胡婷婷

(1.國網(wǎng)寧夏營銷服務中心(國網(wǎng)寧夏計量中心)，寧夏 銀川 750011；2.國網(wǎng)(寧夏)綜合能源服務有限公司，寧夏 銀川 750011)

能源計量信息化管理是能源計量工作的重要組成部分[1-3]。首先對于主要耗能行業(yè)，用能單位，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)和無線傳感器，可以實現(xiàn)電能在線監(jiān)測和管理，同時也利于各地電網(wǎng)對于電能計量數(shù)據(jù)的采集，它不僅可以引導高耗能企業(yè)合理評估，開展節(jié)能管理。也利于國家電網(wǎng)對用戶的實時監(jiān)控[4-6]。在線用戶電能數(shù)據(jù)采集也可克服人工抄表存在的各種弊端。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與社會的進步，電力行業(yè)也隨之發(fā)生改變，大數(shù)據(jù)驅(qū)動已經(jīng)成為電力系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[7-10]。但隨著社會用電需求的不斷增加，用戶用電，智能化電力設(shè)備和常規(guī)電力設(shè)備的在線監(jiān)測都得到了較大發(fā)展并成為趨勢，監(jiān)測數(shù)據(jù)變得日益龐大，在線監(jiān)測系統(tǒng)面臨越來越大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

文獻[11]研究表明，當前，國內(nèi)外研究人員針對用電異常檢測提出多種不同方法，有聚類分析法、局部離群因子法、支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡等。例如文獻[12]提出一種基于密度聚類技術(shù)的用電異常檢測算法，通過關(guān)聯(lián)分析法結(jié)合當前用電量總和給出關(guān)聯(lián)規(guī)則，進行用電異常檢測。但這些方法均存在弊端，比如基于支持向量機的異常識別模型的適用面較窄，面對數(shù)據(jù)量較大和種類較多的情況無法進行處理等。且現(xiàn)階段較少文獻研究基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相結(jié)合的用戶異常行為稽查方案。缺少對異常數(shù)據(jù)的深入分析與處理。

基于以上分析，本文提出了一個實際應用系統(tǒng):在線用戶電能數(shù)據(jù)采集-監(jiān)控-稽查一體化系統(tǒng)，基于大數(shù)據(jù)，灰色模型與k-means 算法提出在線稽查業(yè)務，有利于供電企業(yè)提高企業(yè)管理水平和經(jīng)濟效益。

1 電能數(shù)據(jù)采集-監(jiān)控-稽查一體化系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本網(wǎng)絡由電能表、智能數(shù)據(jù)采集終端和遠程管理平臺組成，如圖1 所示。這些電能表負責通過RS-458或電力線載波信道測量數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。智能數(shù)據(jù)采集終端通過GPRS 將所采集的電能數(shù)據(jù)傳送至遠程管理平臺通道。遠程管理平臺實現(xiàn)了對能源數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控、存儲、分析和管理。

圖1 電能數(shù)據(jù)采集-監(jiān)控-稽查一體化系統(tǒng)

智能數(shù)據(jù)采集終端由在線數(shù)據(jù)采集模塊(包括RS-485 模塊和電力線載波模塊)、單片機系統(tǒng)、GPRS DTU 和人機界面組成，如圖1 所示。在線數(shù)據(jù)采集單片機處理系統(tǒng)由STM32 控制器、時鐘電路和復位電路組成。用于從數(shù)據(jù)采集模塊讀取電能數(shù)據(jù)，并通過GPRS DTU 與遠程管理平臺進行數(shù)據(jù)交換。STM32 單片機通過串口分別與RS 485、電源線載波和GPRS DTU 相連。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

作為一種在線電能數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，實時性是一個重要的指標。實時操作系統(tǒng)的應用是保證實時性能的常用方法，但這意味著更大的代碼量和RAM 成本。

在該系統(tǒng)中，我們可以在不使用實時操作系統(tǒng)的情況下控制多個任務。一方面，系統(tǒng)使用的是STM32F103ZET6 芯片，沒有足夠的閃存和RAM 用于操作系統(tǒng)移植，這意味著需要增加內(nèi)存芯片的成本。另一方面，采用類似于時間循環(huán)的方法可以滿足設(shè)計要求。對于該方法，為了保證實時性，采用定時中斷間隔設(shè)計，將各個功能模塊設(shè)計為一個任務，對所有任務及時進行多任務管理。

如圖2 所示，左邊是主程序，只安排協(xié)議分析任務，右邊是定時器中斷子程序，安排所有其他任務。這些任務包括時鐘調(diào)整任務、數(shù)據(jù)采集任務、LCD顯示任務、RTC 任務、密鑰管理任務和GPRS 連接任務。在我們的應用程序中，時鐘任務為系統(tǒng)提供了一個時間基礎(chǔ)，以便每個任務可以按照指定的節(jié)奏運行。數(shù)據(jù)采集任務用于電能表定時采集數(shù)據(jù)，采集頻率可調(diào)。LCD 顯示任務和密鑰管理任務用于現(xiàn)場管理和參數(shù)設(shè)置。RTC 任務是智能數(shù)據(jù)采集終端的時間信息來源。GPRS 連接任務保證采集終端始終在線，當終端與主站的連接斷開時，可以實現(xiàn)自動重連接。所有任務都被置于定期的監(jiān)控周期中，使每個任務都是實時的，系統(tǒng)如何監(jiān)控各種任務是一個關(guān)鍵問題。我們設(shè)置了50 ms 的定時器中斷，經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)運行每個任務的時間花費小于時間間隔，可以滿足實時的需要。智能數(shù)據(jù)采集終端作為電能表與主站之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接站，它包含上行和下行通信協(xié)議集，因此協(xié)議分析任務是最重要的任務，它主要有兩大功能:

圖2 定時器中斷程序框圖

(1)數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)分析；終端通過分析上行和下行通信協(xié)議，接收來自串口的數(shù)據(jù)包，并根據(jù)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容進行相應的操作。

(2)完成上行和下行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換后，上游和下游之間的數(shù)據(jù)包格式不同。因此，在通過GPRS 通道將數(shù)據(jù)包發(fā)送到遠程管理平臺之前，需要進行一些轉(zhuǎn)換。

下行通信采用RS-485 模塊和電力線載波模塊作為硬件接口，以滿足不同的現(xiàn)場需求。電力線傳輸可以利用現(xiàn)有的電力線載波通過模擬信號或數(shù)字信號進行高速傳輸，但配電變壓器和開關(guān)對電力線載波信號具有阻擋作用。此外，電力線載波還存在其他缺點，限制了其應用范圍。雖然RS-485 需要額外布線，但傳輸距離和抗干擾能力對于系統(tǒng)設(shè)計來說十分必要?！癉L/T645-2007 多功能電能表通信協(xié)議”作為下行鏈路的通信協(xié)議，按照中華人民共和國電力行業(yè)標準編制。通過通信協(xié)議，我們可以實現(xiàn)電網(wǎng)中電能表的控制和數(shù)據(jù)讀取。最終可以得到不同的能量數(shù)據(jù)，如視在功率、視在能量、表觀需求、組合有功負荷曲線、功率因數(shù)等。

合理的通信協(xié)議是保證通信精度的必要條件。通過對抄表時間的控制，實現(xiàn)了對抄表文件的管理，保證了抄表的實時性。通過測試我們知道，在2 400 bit/s的波特率下，讀取一種數(shù)據(jù)至少需要50 ms，但不會超過2 s。因此當采集終端發(fā)送抄表指令時，計時器同時開始計時。如果采集終端在2 s后未收到回復，則記錄電能表地址，并停止讀取該電能表。待文件中所有的電能表采集完畢后，采集終端再次讀取記錄中的電能表。從而保證了系統(tǒng)的實時性，不會漏掉任何電能表。

上行通信協(xié)議使用Q/GDW1376.1 2012 電力用戶電能采集系統(tǒng)通信協(xié)議。其使用GPRS 通道進行遠程數(shù)據(jù)交換。遠程傳輸功能由GPRS DTU 實現(xiàn)。GPRS DTU 是一種用于在串行數(shù)據(jù)和IP 數(shù)據(jù)包之間轉(zhuǎn)換的設(shè)備。使用GPRS 時需要解決的一個問題是:如果主機和終端斷開鏈路，終端需要發(fā)送登錄請求，這樣鏈路才能重新連接。

因此，合理的重接機制是實現(xiàn)電能在線采集與監(jiān)測系統(tǒng)的必要條件。在我們的系統(tǒng)中，我們設(shè)計了這樣的方法:系統(tǒng)啟動后，終端連接到主站并發(fā)送登錄框，然后是終端等待確認幀，如果收到確認幀，終端開始發(fā)送心跳包(發(fā)射頻率可調(diào))。其他終端連接到主站并再次發(fā)送登錄框，終端等待確認幀，如果收到它，終端在一個共同的傳播頻率周期性發(fā)送心跳包，否則，連續(xù)發(fā)送三次心跳包(時間間隔10 s)，如果這三個心跳包已經(jīng)回答，終端繼續(xù)在一個共同的傳播頻率周期性發(fā)送心跳包，如果不是，則終端連接到主站，如圖3 所示。該方法可以保證采集終端始終在線。這也是實時的前提。

圖3 終端連接主站的程序框圖

無論是上行通信還是下行通信，我們都嚴格遵守了協(xié)議，實現(xiàn)了可靠的通信結(jié)果和較強的糾錯能力。

2 基于數(shù)據(jù)稽查的遠程管理平臺

2.1 數(shù)據(jù)處理架構(gòu)

遠程管理計算機接收包含所有相關(guān)電能表值的協(xié)議包。為了便于操作，這些數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成標準的電子協(xié)議數(shù)據(jù)，并通過TCP/IP 傳輸。網(wǎng)絡服務程序在指定的端口上監(jiān)聽IP 數(shù)據(jù)包，并用GPRS、LAN或WIFI 發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理程序由Visual C++實現(xiàn)，負責從GPRS DTU、LAN 或WIFI 接收標準協(xié)議數(shù)據(jù)。Visual C++在使用前必須解析DTU 數(shù)據(jù)的順序。獲取的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并在監(jiān)控數(shù)據(jù)中心顯示。這樣，數(shù)據(jù)可以在過程周期中立即存儲到SQL 數(shù)據(jù)庫中，并在消費周期中以恒定的速度顯示。

Visual C++通過ODBC 接口連接SQL 數(shù)據(jù)庫。為了提高數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的顯示性能，需要在常量時間內(nèi)建立索引，以避免在Visual C++中進行查詢。同時，數(shù)據(jù)不僅要實時顯示，還要達到歷史查詢和異常報警的目的。

2.2 異常數(shù)據(jù)稽查算法

本文在前文論述的管理平臺基礎(chǔ)上，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)提出用電稽查模塊的結(jié)構(gòu)框圖，如圖4 所示。本框圖主要分為數(shù)據(jù)源，分析模型，功能分類與終端展示模塊。

圖4 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的用電稽查模塊的結(jié)構(gòu)框圖

此平臺數(shù)據(jù)來源主要為計量系統(tǒng)、外部系統(tǒng)和營銷系統(tǒng)。用戶行為檢測主要基于負荷電量數(shù)據(jù)，氣象經(jīng)濟信息以及營銷系統(tǒng)記錄的客戶檔案。通過特征提取、關(guān)聯(lián)性分析以及模型預測等分析手段，可以實現(xiàn)用戶行為分析、管理及用電稽查的功能。最終以可視化的展示方法呈現(xiàn)在所設(shè)計的終端管理平臺。

針對用電稽查的具體實現(xiàn)方式，采用基于k-means 的方法，該方法主要包含五個步驟:數(shù)據(jù)選擇與處理，基于灰色關(guān)聯(lián)法的關(guān)聯(lián)性分析，基于k-means 的負荷模式提取，系數(shù)修正，以及用電異常的稽查。具體步驟如下:

(1)采用Z-Score 標準化方法對所獲取的數(shù)據(jù)進行處理，對于數(shù)據(jù)x=(x1，x2，x3，…，xn)，建立f映射:

式中:xˉ 為數(shù)據(jù)x的平均值，s為數(shù)據(jù)x的標準差。此外，對于文本數(shù)據(jù)，需要將類型屬性量化處理，例如將四個季節(jié)分別設(shè)置為1-4。

(2)關(guān)聯(lián)度計算，反應特征的參考序列Y(k)與參考序列Xi(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)計算公式如(2)所示。

記Δi(k)=｜y(k)-xi(k)｜，則

式中:ρ∈(0，∞)。一般ρ取值為(0，1)，當ρ≤0.546 3時，分辨力最好，本文取ρ=0.5。ξi(k)是矩陣xi的第k個元素與矩陣Y的第k個元素之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

關(guān)聯(lián)系數(shù)是其在各個時刻或條件下的關(guān)聯(lián)程度值，數(shù)值不止一個，因此信息過于分散不便于進行整體性比較。作為兩個序列關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示，本文以求平均值為例，其量化值ri計算公式如下:

(3)負荷模式提取，本步驟基于k-means 方法進行負荷模式提取。該方法是一種基于劃分的聚類方法，對于輸入數(shù)據(jù)，以k為參數(shù)，把n個對象分為k個簇。通過不斷更新迭代聚類中心，計算每個樣本與簇之間的距離，直至誤差函數(shù)收斂為止。

本平臺可基于此方法對用戶的負荷數(shù)據(jù)進行聚類以得到典型負荷曲線。

(4)系數(shù)修正，本文的用電稽查算法考慮外在氣象因素，由于負荷與溫度濕度相關(guān)性較高，筆者根據(jù)式(5)和式(6)對負荷F進行修正，

式中:α和β為通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法計算的負荷與溫度和濕度的關(guān)聯(lián)度；T和H為當天最高溫度和平均濕度。F20和F30分別為溫度為20°時和相對濕度為30%的平均負荷。

(5)用電異常的稽查，設(shè)k種典型的負荷模型，有n個用戶數(shù)據(jù)，修正的負荷曲線為F(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)k)。經(jīng)過標準化處理的數(shù)據(jù)為B(B1，B2，B3，…，Bn)，根據(jù)式(7)計算F與B之間的歐氏距離d。

式中:N為變量數(shù)，i和j表示樣本序數(shù)。最后根據(jù)距離進行降序排序，排序靠前的則為稽查結(jié)果中的嫌疑用戶。

3 結(jié)束語

本文提出了一個實際應用系統(tǒng):在線用戶電能數(shù)據(jù)采集-監(jiān)控-稽查一體化系統(tǒng)。

首先，設(shè)計了系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)由智能數(shù)據(jù)采集終端和管理平臺組成。智能數(shù)據(jù)采集終端通過電力線載波或RS-485 從電能表獲取數(shù)據(jù)，即為下行通信。終端通過GPRS 通道與遠程管理平臺傳輸數(shù)據(jù)，即為上行通信。下行通信使用DL/T645-2007 多功能電能表通信協(xié)議，上行通信協(xié)議使用Q/GDW1376.1 2012 電力用戶電能采集系統(tǒng)通信協(xié)議。兩種協(xié)議均符合國家標準，與不同企業(yè)的電能表產(chǎn)品具有良好的兼容性。

此外，智能數(shù)據(jù)采集終端由在線數(shù)據(jù)采集模塊(包括RS-485 模塊和電力線載波模塊)、單片機系統(tǒng)、GPRS DTU 和人機界面組成。在線數(shù)據(jù)采集單片機處理系統(tǒng)由STM32 控制器、時鐘電路和復位電路組成。用于從數(shù)據(jù)采集模塊讀取電能數(shù)據(jù)，并通過GPRS DTU與遠程管理平臺進行數(shù)據(jù)交換。STM32 單片機通過串口分別與RS 485、電源線載波和GPRS DTU 相連。

在軟件方面，設(shè)計了嚴格的抄表時間控制機制和動態(tài)數(shù)據(jù)存儲管理模式，保證了較高的實時性。最后，基于大數(shù)據(jù)與k-means 算法提出在線稽查業(yè)務，有利于供電企業(yè)提高企業(yè)管理水平和經(jīng)濟效益。