基于無線傳感網(wǎng)的機械式電能表用電數(shù)據(jù)采集方法

鄭 陽,王旭強,王 堃,劉新波,楊一帆

(1.國網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司,天津 300140;2.天津三源電力信息技術(shù)股份有限公司,天津 300140)

0 引言

在用電數(shù)據(jù)采集過程中,以多樣化的數(shù)據(jù)采集形式實現(xiàn)遠程抄表,可提高用戶服務質(zhì)量[1]。機械式電能表可實時獲取火線、零線電流數(shù)據(jù),正常狀態(tài)下二者的值能夠保持一致,具有較強的抗干擾性。鑒于機械式電能表的特點,需要同時對火線和零線的數(shù)據(jù)幀進行采集,如果發(fā)生負載跳變或者火線、零線數(shù)據(jù)采集不同步,那無法獲取精準的用戶用電數(shù)據(jù),不能真實地反映實際用電情況。

對此,劉瀟瀟等[2]以低開銷為前提,提出基于壓縮傳感的電力數(shù)據(jù)采集方法,但是在實際應用過程中,用電數(shù)據(jù)采集過程較為復雜,容易受到電壓、負載電流和功率因數(shù)變化的影響,導致數(shù)據(jù)采集誤差較大,降低了數(shù)據(jù)采集精度。陳慧等[3]為實現(xiàn)電能計量箱多傳感數(shù)據(jù)同步采集,提出一種基于多特征量的電能計量箱采集系統(tǒng)的設(shè)計方案,但是該方法的丟包率和采集時延較高,影響了數(shù)據(jù)采集的工作效率。

為了解決現(xiàn)有方法存在的不足,本文基于無線傳感網(wǎng)(wireless sensor network,WSN),設(shè)計機械式電能表用電數(shù)據(jù)自動采集方法,以期提高用電數(shù)據(jù)采集的工作效率,促進電力企業(yè)數(shù)字化發(fā)展。

1 無線傳感網(wǎng)分簇路由設(shè)計

1.1 簇的劃分以及傳輸范圍設(shè)定

機械式電能表在樓宇之間的信號傳輸往往會受到建筑物與電纜布設(shè)的影響,障礙物較多,信號傳輸不便。因此,采用WSN在采集電能表用電數(shù)據(jù)過程中,受干擾程度嚴重,會使信息出現(xiàn)衰減的情況。為此,為降低數(shù)據(jù)自動采集誤差,本文特做出幾點假設(shè):

a.忽視WSN信道間的多路徑干擾和碼間干擾ISI(符號間干擾)效應。

b.對于不同簇群的傳感器來說,數(shù)據(jù)傳輸[4]和延遲均保持相等。

c.各傳感器之間保持相同的能量和數(shù)據(jù)傳輸功率。

假設(shè)無線傳感網(wǎng)絡為一個理想的正方形,以Sink作為正方形的中心節(jié)點,將分簇指令傳送給正方形的其他區(qū)域。本文引入了四叉樹分層算法,用來逐步縮小分簇區(qū)域,并給出了四叉樹分層算法結(jié)構(gòu)[5],具體如圖1所示。

圖1 四叉樹分層算法

圖1中,G為正方形區(qū)域內(nèi)的圖元,X區(qū)域為劃分的最小簇,其所在的正方形區(qū)域邊長為l,整個四叉樹分層圖的正方形區(qū)域邊長為24l。那么,第z層簇群的正方形區(qū)域邊長計算公式為

(1)

WSN選擇簇首節(jié)點的基本原理是保證簇中的所有節(jié)點都處于其通信半徑之內(nèi)。這樣,第z層簇群的傳送距離r應該符合式(2)條件,即

(2)

假設(shè)第z層簇的編碼長度為Mz,那么有

Mz=2z

(3)

由此一來,每個簇群都有了獨一無二的簇群編碼,簇群內(nèi)的節(jié)點也有了唯一的標識符id,同時還擁有22 bit的補碼。表1為簇群內(nèi)節(jié)點編碼的標識結(jié)構(gòu)[6]。

表1 節(jié)點編碼標識結(jié)構(gòu)

1.2 無線傳感網(wǎng)路由選擇

在初始狀態(tài)下,在WSN網(wǎng)絡簇群中,以機械電能表數(shù)據(jù)中心節(jié)點向WSN簇群中的所有簇頭節(jié)點發(fā)送路由信息,將簇首節(jié)點用n表示,R為感知節(jié)點。首先合并簇內(nèi)的所有邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)[7],然后計算上一層簇首節(jié)點的位置,將當前層的簇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到下一層,直到機械電能表數(shù)據(jù)中心節(jié)點Sink全部轉(zhuǎn)移到WSN中為止。

無線傳感網(wǎng)絡四層樹形結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議如圖2所示。

圖2 四層樹形結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議

無線傳感網(wǎng)理由選擇步驟為:

a.對WSN中的傳感器節(jié)點進行初始化處理,并為每個簇選擇一個簇首節(jié)點。

b.在確定了各簇的簇首節(jié)點之后,采用簇首節(jié)點對簇群中的所有邊緣節(jié)點進行融合。

c.確定上一層WSN網(wǎng)絡簇的路由節(jié)點或簇首節(jié)點,并與當前簇的數(shù)據(jù)進行融合,然后一并傳送至上一層簇。

d.當下一層簇首節(jié)點將融合數(shù)據(jù)傳送至上一層后,該層簇首節(jié)點首先會判斷數(shù)據(jù)是否完整,如果完整,繼續(xù)接下來的步驟,如果不完整,返回步驟b。

e.當前簇接收到下一層傳送過來的數(shù)據(jù)后,要明確上一層簇的路由轉(zhuǎn)接節(jié)點,然后才能將所有數(shù)據(jù)融合后一并向上傳送。

f.最后,將所有傳輸?shù)娜诤蠑?shù)據(jù)進行整合,一并發(fā)送給中心節(jié)點Sink,完成無線傳感網(wǎng)的路由選擇,可實現(xiàn)機械式電能表用電數(shù)據(jù)自動采集。

2 機械式電能表用電數(shù)據(jù)自動采集方法

用電數(shù)據(jù)自動采集模型由若干個終端節(jié)點、1個協(xié)調(diào)器和1臺上位機[8]共同組成,該模型能夠?qū)崿F(xiàn)用電數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)與處理。在終端節(jié)點上,采用傳感器對機械式電能表的電力數(shù)據(jù)進行采集,并將其傳送給協(xié)調(diào)器[9],并由協(xié)調(diào)器的串行接口將其傳送給主機,主機根據(jù)預先設(shè)定的參數(shù)值做出相應的調(diào)節(jié)和回應。

在參考了電路相關(guān)理論后,對電能表周期電壓U和電流I的有效值展開計算,即:

(4)

(5)

T為機械式電能表數(shù)據(jù)采樣周期間隔[10];u、i分別為電能表采集電壓、電流。

在同一采樣周期的不同時間段下,獲取機械式電能表的具體采樣值和采樣點數(shù),并計算出其有效值,接著對有效值進行離散化處理,計算公式為:

(6)

(7)

N為電能表總采樣點數(shù)[11];u(n)、i(n)分別為電壓和電流的采樣值。

根據(jù)電路相關(guān)理論要求,只有當電壓和電流諧波分量二者之間具有相同的頻率時,才會產(chǎn)生有功功率或者無功功率[12]。視在功率與有功功率之間的夾角為功率因角,它反映了該交流電路中電壓與電流之間的相位差(角),計算公式為

(8)

P為有功功率;Q為無功功率;S為視在功率;φ為功率因數(shù)。

在奈奎斯特(Nyquist)采樣定理[13]基礎(chǔ)上,可以得到

N≥2CFm

(9)

C為采樣工頻周期數(shù),通常情況下,C=1,為了滿足較高的采樣精度,可采用多周期采樣法[14];Fm為采樣信號的最高諧波分量次數(shù)。

當機械式電能表用電數(shù)據(jù)的諧波分量較小時,利用上述采樣方法可以取得理想的采樣數(shù)據(jù);但是當電能表用電數(shù)據(jù)中存在畸變或含有較高次的諧波分量[15]時,就會導致采集精度無法達到理想值。為了提高用電數(shù)據(jù)自動采集精度,本文增加了工頻周期內(nèi)的采樣點數(shù),但是這樣會在一定程度上增加算法的運算難度。因此要設(shè)定好合適的采樣點數(shù)N和采樣時間間隔T。經(jīng)過一系列計算對比,最終確定當Fm=15時,N=32,就可以實現(xiàn)對機械式電能表用電數(shù)據(jù)的高精度采集。

3 實驗測試

為了驗證本文方法在實際應用中是否同樣合理有效,在不同的工作電壓和負載電流情況下,對本文方法與文獻[2]壓縮傳感數(shù)據(jù)采集方法、文獻[3]多傳感數(shù)據(jù)同步采集方法的用電數(shù)據(jù)采集性能進行分析,并從丟包率、時延等方面進一步對比3種算法的綜合性能。

3.1 實驗設(shè)置

在MATLAB環(huán)境下,由Java語言完成實驗平臺的建設(shè),選取硬件相同、配置相同的服務器,確保每種算法的實驗執(zhí)行環(huán)境是相同的。實驗所用機械式電能表為DD722型單相長壽命有功電能表,具體參數(shù)如表2所示。

表2 機械式電能表參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 工作電壓

根據(jù)國家關(guān)于機械式電能表用電數(shù)據(jù)采集的相關(guān)規(guī)定章程,當基準電流Ib的功率因數(shù)φ為1.0時,工作電壓將會在120%Un(Un=220 V)至最低極限工作電壓之間變化波動。當電壓不同時,3種算法的電能表用電數(shù)據(jù)采集誤差對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同工作電壓下用電數(shù)據(jù)采集誤差對比

由圖3可知,隨著工作電壓的不斷降低,3種算法的采集誤差也出現(xiàn)了不同的變化,綜合對比之下可以發(fā)現(xiàn),本文方法的誤差始終低于其他2種方法,且誤差波動幅度最小,這是由于本文方法引入奈奎斯特采樣定理,保證用電數(shù)據(jù)采集結(jié)果具有較高的精度。

3.2.2 負載電流

當φ=1.0時,電流在0.1Ib～1.0Ib區(qū)間內(nèi)波動變化,將機械式電能表的工作電壓設(shè)定為50%Un(110 V),用以對比3種算法的用電數(shù)據(jù)采集誤差,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同負載電流下用電數(shù)據(jù)采集誤差對比

由圖4可知,當工作電壓一定時,隨著負載電流的逐漸減小,本文方法取得的數(shù)據(jù)采集誤差始終低于其他2種方法,多傳感數(shù)據(jù)同步采集方法較壓縮傳感數(shù)據(jù)采集方法相比誤差要小一些。由此得出結(jié)論,無論負載電流怎樣變化,本文方法都能夠取得理想的采集精度。

3.2.3 功率因數(shù)

選定機械式電能表50 %Un(110 V)工作電壓和0.1Ib負載電流,測試在不同的功率因數(shù)φ下,對比3種算法的用電數(shù)據(jù)采集誤差,具體如圖5所示。

圖5 不同功率因數(shù)下用電數(shù)據(jù)采集誤差對比

由圖5可知,在已知工作電壓和負載電流的情況下,隨著功率因數(shù)的變化,本文方法取得的用電數(shù)據(jù)采集誤差最低。

綜上所述,無論工作電壓、負載電流還是功率因數(shù)如何變化,本文方法用電數(shù)據(jù)采集誤差始終低于其他2種方法,可保證較高的采集精度。

3.2.4 綜合性能

在實驗拓撲環(huán)境中,利用3種算法分別進行55次的用電數(shù)據(jù)采集,對比3種算法的丟包率和采集時延,實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 3種算法丟包率對比結(jié)果

由圖6和圖7可知,隨著用電數(shù)據(jù)采集點的不斷增加,壓縮傳感數(shù)據(jù)采集方法的丟包率最高,多傳感數(shù)據(jù)同步采集方法的時延最高,而本文方法的丟包率和時延在3種算法中都是最低的,且本文方法的曲線波動幅度最小。這是由于本文方法利用四層樹形結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議,通過無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)機械式電能表用電數(shù)據(jù)的采集,因此保證了較低的丟包率和時延。

4 結(jié)束語

為了精準獲取機械式電能表用戶用電數(shù)據(jù),本文在無線傳感網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上,提出了一種用電數(shù)據(jù)自動采集方法,用于機械式電能表用電數(shù)據(jù)的采集和傳輸。對無線傳感網(wǎng)絡進行簇的劃分以及通信范圍的設(shè)定;對路由協(xié)議進行選擇;構(gòu)建機械式電能表用電數(shù)據(jù)自動采集模型,在奈奎斯特采樣定理的基礎(chǔ)上完成用電數(shù)據(jù)的采集。并通過實驗驗證,無論工作電壓、負載電流以及功率因數(shù)如何變化,本文方法始終能夠取得較高的采集精度,并且將丟包率與采集時延保持最低,具有較高的數(shù)據(jù)采集效率,為機械式電能表數(shù)據(jù)自動采集提供了有效的技術(shù)支持。