電力用戶用電信息采集系統(tǒng)優(yōu)化設計與實現(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)絡信息技術以及物聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛應用，為智能電網(wǎng)的輔助提供了技術支撐，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上通過進一步處理實現(xiàn)信息交流共享與實時監(jiān)控和管理功能，將當?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、售電側和購電側)進行設計和完善成為目前研究的重點之一。

1 現(xiàn)狀分析

互聯(lián)網(wǎng)+及大數(shù)據(jù)技術不斷發(fā)展完善的大背景下，為發(fā)展電力信息系統(tǒng)提供了技術支撐，隨著智能電網(wǎng)的深入建設及智能電表的普及應用，對電力信息的智能管理要求和整體服務水平不斷提高，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，供電公司需在收集并掌握客戶用電信息的基礎上，通過進一步的數(shù)據(jù)挖掘分析實現(xiàn)對電網(wǎng)的科學高效的管理過程，同時確保用戶用電信息的監(jiān)測過程能夠有效結合大數(shù)據(jù)信息處理技術，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，以供遠程控制和分析相關信息使用，從而提高用電信息的實時處理能力，通過信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)對用戶重要信息的實時采集(包括負荷、用電電量、電壓等)，進而將完整準確的電力用戶數(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)化設計方法和技術對用戶用電信息采集系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，提出了一種自適應信息調(diào)度方法，實現(xiàn)了對電力信息系統(tǒng)的進一步優(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)的硬件設計與實現(xiàn)

目前對電力用戶用電信息采集方面的研究已經(jīng)取得了一定的進展， PLC 設計和單片機控制是現(xiàn)有設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，再結合運用大數(shù)據(jù)管理技術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)絡模型的使用完成了多傳感器組網(wǎng)的構建，提高了信息采集能力，但存在智能信息處理能力較弱、集成性不佳不強的不足。本文為彌補傳統(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)采用自適應分布式優(yōu)化定位設計完成了電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的構建，結合運用向量量化方法和模式識別技術完成對所采集的信息融合處理及屬性歸類處理，實現(xiàn)電力用戶用電信息自動采集挖掘功能[1]。

2.1 系統(tǒng)的總體架構設計

本文所構建的用電信息采集系統(tǒng)的總體架構，如圖1所示。

圖1 信息采集系統(tǒng)的總體架構

該系統(tǒng)采用多傳感器(分布于用戶用電信息監(jiān)測區(qū))進行數(shù)據(jù)采集，基于ZigBee 網(wǎng)絡模型(由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、數(shù)據(jù)傳輸層構成)的用戶用電信息采集系統(tǒng)采用自適應分布式優(yōu)化定位設計方法對信息采集傳感器節(jié)點進行設計，數(shù)據(jù)總線傳輸調(diào)度通過ZigBee 網(wǎng)絡應用服務層完成，在此基礎上優(yōu)化設計信息動態(tài)采集技術，信息的自適應轉(zhuǎn)發(fā)控制通過多模嵌入式控制方法的使用完成，開發(fā)設計信息采集系統(tǒng)時通過使用嵌入式技術完成，從而使電力用戶用電信息采集的實時性及準確性得到有效提高，信息的 ZigBee 組網(wǎng)結構采用VXI 總線調(diào)度模式，自適應信息處理過程則采用嵌入式信息采集技術完成，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)回放處理在應用層模塊完成，在此基礎上實現(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)進行嵌入式設計時，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時觸發(fā)器 PXI-6713 完成，復位模塊中的電路復位基于簡單RC 復位方法實現(xiàn)，系統(tǒng)的鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制輸出終端由采用 2片 AD5545 芯片構成(具備自適應特點)，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時 VXI總線技術方法實現(xiàn)，總線驅(qū)動通過運行標準VPP 儀器驅(qū)動程序完成。人機交互端的傳感器模塊的構建通過使用ARM Cortex處理器內(nèi)核(能夠進行全波采樣)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 機間的通信過程，信息采集的采樣頻率≥15 MHz，構建時鐘控制模塊時結合運用低電壓及時鐘復位完成，人機交互接口由復用的數(shù)據(jù)引腳(16 個)、專用時鐘引腳及幀同步引腳構成[3]。

3 電力用戶信息采集的 ZigBee 網(wǎng)絡模型及節(jié)點定位

3.1 電力用戶用電信息采集網(wǎng)絡結構模型

通過ZigBee 網(wǎng)絡結構模型(分布式組網(wǎng))的使用完成基陣組網(wǎng)結構的設計，再通過分布式物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)設計方法的使用完成對該網(wǎng)絡基陣的進一步優(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)點完成，使電力用戶用電信息采集過程得以有效實現(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，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)點采集)，ZigBee網(wǎng)絡采集的用電信息的脈沖響應由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，Hi(k)表示信息動態(tài)采集的加權矩陣，ui(k)表示匹配向量， 且Hi(k)和ui(k)間存在關聯(lián)規(guī)則項，對用電信息的多模特征通過模糊信息加權控制技術的使用完成健全處理過程，信息采集的節(jié)點分布情況采用多傳感器進行融合跟蹤識別，得到節(jié)點分布結構，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)絡中(包括N個傳感器節(jié)點)，信息采樣網(wǎng)絡輸出結構模型通過傳感器節(jié)點基陣的使用完成構建，信息采集的傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位，如式(4)。

(4)

在對反饋均衡濾波器進行構建時則基于節(jié)點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)分布的原點矩在t+1 個監(jiān)測節(jié)點中對應的坐標為(xi，t+1，yi，t+1)，遠程監(jiān)控的用電信息通過多傳感器網(wǎng)絡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)點的優(yōu)化定位設計

本文優(yōu)化采集電力用戶用電信息的實現(xiàn)過程基于所構建的分布式數(shù)據(jù)結構模型(對應云服務組合模式下)，信息的模糊分布式結存儲中心由G(一個四元組)表示，假設，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聯(lián)規(guī)則項約束方程進行描述[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完成屬性歸類處理，在信息挖掘和特征提取過程結合運用量化融合跟蹤方法，從而使采集的傳感器節(jié)點定位能力得到顯著提高。

4 系統(tǒng)測試

通過仿真實驗對本文構建的用戶用電信息采集系統(tǒng)及方法的實用性進行測試，實驗在設計ZigBee 組網(wǎng)時采用了 32 個傳感器節(jié)點，配置Visual DSP，數(shù)據(jù)采集時硬件仿真的相關參數(shù)為：信息輸出的脈沖寬度為 2 μs，設置兩路 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)信息采集的準確性及穩(wěn)定性的測試對比結果如圖3所示。

圖3 性能測試結果

仿真實驗結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，能夠獲得準確可靠的采集結果，為提高智能化管理和優(yōu)質(zhì)服務水平提供支撐[8]。

5 總結

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)化設計，實現(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能力的采集傳感器節(jié)點進行設計，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完成，再對用戶用電信息運用量化融合跟蹤方法完成進一步的特征提取和自動挖掘過程，針對信息采集結果通過自適應信息調(diào)度方法的使用實現(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果具備較高的可靠度。