基于智能檢測技術的電能量采集終端研究

楊光輝, 馮豆, 李自愿, 趙勇

(國網安徽省電力有限公司亳州供電公司, 安徽 亳州 236800)

0 引言

智能電網對于電能量數據采集有著很大的需求，但是配電系統中的電能統計表每家每戶都需要使用，所以數量非常的多并且電表所處的位置地形環境非常復雜、分布非常分散，并且由于電表安裝時間跨度非常大，所以電表種類非常多，統計起來非常困難，需要浪費非常大的人力物力。如文獻[1]所示，文獻介紹的是一種通過4G/GPRS和紅外通信技術實現自動抄表的網絡系統，但是由于老城區和農村的電表種類過于繁多并且分布雜亂，很難良好地進行自動化的抄表行為[1]。如文獻[2]所示，文獻介紹了一種通過掌上GPS定位系統進行電能量數據采集的技術，但是由于GPS定位系統本身的定位精度問題，并且部分用戶的電表會安裝在很接近的位置，因此僅通過GPS定位系統無法把電表與用戶完全的一一對應[2]。如文獻[3]所示，文獻設計了一種基于J2EE架構的電能量信息采集系統的軟件，但是其僅從軟件出發，設計了這種電力監控系統，但并未從硬件實現方面進行思考，并不能很好地對真實環境中的電能量數據進行更好的統計，真實使用還需要一些實現步驟[3]。

針對上述方法的缺點，本文設計了一種軟硬件相結合的方法，通過對軟件和硬件進行不同方面優化，實現自動化的電能量信息采集，不但能夠節省大量的人力與物力資源，而且能夠大大推動智能化電網的發展[4-5]。

1 智能化電能量采集終端設計

為了實現自動化的電能量采集終端，本文主要分別從軟件和硬件兩個方面出發：其中軟件方面通過設計了一種新的終端訪問協議，通過訪問協議數據傳輸更穩定、更安全；在硬件方面通過設計一種新的采集結構進行數據采集，使電能量信息采集更高效，數據傳輸更穩定。從兩個方面對電能量信息采集系統進行優化，可以使系統更高效地運行[6-7]。下面分別對軟件和硬件進行詳細的論述。

1.1 電能量采集終端訪問協議設計

在智能化電能量數據采集終端的軟件運行方面，本文設計了一種新的終端訪問協議，設計的訪問協議的詳細內容[8]如下。

A表示電力數據庫；B表示識別器；C表示電信號采集終端；M表示識別器輸出的請求消息；PB表示B的請求標識；SC表示C的假名；PC表示C的本次請求標識;QC表示C的上一次請求標識；HC為PC經過Hash計算后的值;W表示B的權限;E為同步標識，判斷A和C是否同步，E=0，標識同步，E=1，標識不同步；KB表示B與電力數據庫的密鑰；KC表示C與電力數據庫的密鑰。

第一步：B隨機產生數b，將M和b同時發送到C，創建本次終端訪問請求。

第二步：C在接收到M和b后隨機產生數CB并計算出QC，如果E=0，QC=H(PC)，E=1，反之QC=H(PC‖CB),由C將得出的QC和CB輸送到B。其中,QC表示C的上一次請求標識，H(PC)表示標識的具體內容。

第三步：B在接收到QC和CB后,使Q=H(PB‖b),將得出的QB、QC、CB和b輸送到A。

第四步：A在接收到QB、QC、CB和b后，需要對B進行審核，利用數b判斷滿足H′(PB‖b)=H(PB‖b)的PB，如判斷失敗則禁止訪問，反之繼續對B進行審核。

找出所有的PC的HC，如果存在HC=QC，則審核通過。如果不存在HC=QC，則判斷H(PC‖CB)是否等于QC,如果H(PC‖CB)等于QC則審核通過。如果H(PC‖CB)不等于QC則判斷H(QC‖CB)是否等于QC,如果H(QC‖CB)等于QC則審核通過，反之則終止訪問。

B通過A的審核后，使MC=KC(SC‖CB‖b),Q=H(PC‖CB‖b),密鑰為K，操作權限為W，將數據回傳給B。

第五步：B在接收到A的回復后使用KB對數據進行解密，得到W、MC、K(QC)和K，使用MC對K、W、K(QC)進行加密并輸送至C。

第六步：C在接收到B發來的數據后，使用KC及SC得出MC、K、W和K(QC),使用K得出QC，QC=H(PC‖CB‖b),則PC=H(PC‖b)，E=0，電能量數據采集終端訪問身份認證完成。

第七步：在身份認證完成后進行數據傳輸，B將數據請求加密后發送至C，C對請求解密進行處理。如果B請求讀取信息，C將信息加密后發送給B。如果B請求增改信息，C需要通過W來判斷B是否具有增改的權限。如果B具有權限則C進行增改信息，如果B沒有權限C將對B發送警告信息，B沒有權限并多次發送請求信息C將不會對B進行任何回應。

該終端訪問協議通過數據加密算法對數據進行處理，可以數據傳輸的信息為密文，并且能夠進行數字簽名，因此通過該終端訪問協議能夠使電能量信息采集終端能夠更加穩定的運行，并且進行數據傳輸更加安全，數據上傳的節點可以更準確地查詢。

1.2 電能量采集終端硬件設計

對于設計的電能量信息采集終端硬件主要由集中器、抄表器和電能表三部分組成。其中集中器和抄表器在低壓的電力線中進行數據傳輸，最后把終端采集到數據進行上傳，電力數據進入數據庫后對數據進行分析，實現電力調度的智能化。

1.2.1 集中器硬件設計

集中器部件主要是實現對數據的匯總，并通過數據傳輸通道接收和發送信息。電能量信息采集終端集中器硬件組成圖，如圖1所示。

圖1 集中器硬件組成圖

如圖1所示，其中虛線表示電力傳輸線路，實線表示為信息傳輸線路。首先通過抄表模塊來記錄智能電表的數據，之后使獲得的數據存儲在存儲模塊中，該系統硬件中有兩種對外傳輸和接受數據的方法，分別為載波模塊和無線模塊。

1.2.2 抄表器硬件設計

抄表器是通過抄表模塊對智能電表數據進行記錄，并通過控制模塊實現對用電數據儲存和上傳。載波抄表器結構的構成圖，如圖2所示。

圖2 載波抄表器結構圖

如圖2所示，本文使用了對兩種不同的電表進行抄表的模塊，分別是脈沖表和智能表。通過抄表模塊進行智能電表獲取的數據傳入控制模塊，對所獲取的數據進行處理，可以通過抄表模塊的儲存器模塊進行儲存數據或者通過載波模塊上傳采集到的數據給集中器模塊，實現控制功能。

1.2.3 控制器模塊的選取

由于電表的分布廣泛，使用環境多種多樣，所以與電表配套的載波抄表器和集中器需要處于同樣惡劣的環境匯總。其中最精密的儀器就是控制模塊，為此需要一種性能穩定的控制模塊，以此選取了8051單片機這種工藝成熟，性能穩定的單片機。8051單片機結構示意圖，如圖3所示。

圖3 單片機結構示意圖

通過上述文章對智能化電能量信息采集終端硬件結構的敘述，可以發現采集終端硬件的設計可以通過模塊化處理使采集終端更有擴展力，使采集終端的運行更加穩定，采集效率大大提高。

2 智能化電能量采集終端應用

通過上文對電能量信息采集終端的研究，發現電能量信息采集智能化是電能量信息采集的大勢所趨，自動化電能量信息采集終端是智能化電網的基石，智能化電網進行電力調度需要大量的電力使用情況數據用來作為智能電網對電力調度的依據，因此智能化電網需要自動化的電能量數據采集終端來使其快速發展。為體現智能化電能量信息采集終端在智能化電網中的重要性，因此本文通過電力營銷業務的整體流程圖來體現，如圖4所示。

圖4 電力營銷業務的流程圖

首先是電力營銷部門對用戶進行銷售電力，自動化的電能量信息采集設備對用戶的用電情況進行收取，通過對收集的數據進行處理，實現電網端和用戶端的電力調度，通過對數據的計算，分析電網各部分的電能損耗情況。

由于電能量數據采集和管理是由各個進行供電的分公司進行管理工作，這是一種分布式管理系統。對于這種分布式管理系統采用B/S(Browser/Server)軟件管理結構能夠擁有更優秀的管理效能。并采用SSH(Struts/Spring/Hibernate)框架進行軟件管理，自動化的電能量信息采集終端體系結構圖，如圖5所示。

圖5 電能量信息采集體系結構圖

如圖5所示，采用顯示層、業務邏輯層和數據保存層三層的數據架構圖。各個層面擁有著不同的作用，每個層面之間以提前設立接口進行連接，這樣可以大大降低程序之間的耦合度，增強整體程序的擴展能力，使其更利于系統管理和發展。其中顯示層采用Struts框架技術，并利用JSP(Java Server Pages)技術來實現智能化的電能量信息采集情況通過顯示頁面的進行呈現。在業務邏輯層利用Spring框架優秀的協調作用，實現對于電能量采集系統各個項目不同邏輯的協調處理。在數據保存層主要是對數據庫進行管理，通過Hibernate.cfg.xml配置文件實現實際物品與數據表結構形成連接。電能量信息采集終端技術整體框架圖，如圖6所示。

圖6 電能量信息采集技術架構圖

本小節分析了電能量信息采集終端在智能檢測系統的應用。首先分析采集終端在電力營銷業務方面的作用，之后通過分析智能化電能量信息采集系統的研究，可以發現信息采集終端是智能化電力調度系統的基石，智能化電網的發展需要更加穩定高效的采集終端。

3 系統實際運行分析

為驗證本文設計的智能化電能量信息采集終端的運行效果，本文共設計了兩個實驗，實驗一是驗證該系統在真實環境中對電能量信息采集的準確度，實驗二是考察該系統在極端的環境下的運行情況。在本次實驗中采用試驗分析環境的參數設置為：選用Windows 10作為操作系統平臺，Matlab2020為仿真軟件，設置計算機內存為5G，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz。

3.1 電能量終端真實運行實驗

該實驗采用實地調研進行，對某小區98戶用戶的電表安裝本文設計的智能化的電能量信息采集終端，進行為期90天的考察實驗，每天對每個用戶采集10組數據，通過采取的數據進行分析該智能化電能量信息采集終端的運行情況。該采集終端信息獲取完整度情況統計圖，如圖7所示。

圖7 信息獲取完整度統計圖

如圖7所示為每一戶在這90天內的考察期每數據獲取的完整度，其采集的數據正確完整度在99.7%以上。并通過對采集到的這98戶的用電數據和變電站對這98戶的供電數據進行分析，得出對這98戶用戶的線路損耗為5.21%，與對電路理論計算的5.42%的線路損耗相差小于1%。通過分析可以發現本文設計的采集終端在正常運行環境下擁有極高的運行穩定性。

3.2 極端環境下的運行情況

為考察該智能化電能量信息采集終端在極端惡劣天氣下的運行情況，本次實驗通過采用變溫箱來模擬真實環境下的運行情況，分別使該采集終端在-20℃和50℃兩種溫度下數據采集情況，本次實驗進行十組，每組選取500數據，分析其獲取數據完整度和正確率，在這兩種極端情況下的統計圖，如圖8所示。

圖8 極端環境運行統計圖

如圖8所示為在極端溫度下該智能化電能量采集終端采集數據的準確性和完整性的情況，其中實線表示為-20 ℃情況下終端數據采集的統計情況，虛線表示為50 ℃情況下終端數據采集的統計情況在圖中可以明顯看出由于惡劣的運行環境使信息采集器的采集數據的準確率和完整性有所下降，平均正確率達到99%左右，最小值在98%以上。可以知道該采集終端能夠在極端的溫度條件下依然能夠提供穩定的數據采集能力。

4 總結

本文設計了一種智能化的電能量信息采集終端，該終端首先通過抄表模塊抄寫電表的用電數據，再通過集中模塊使采集到的電力數據集中到電力公司的數據庫中，最后通過對采集到的電力數據進行分析，實現對電力的調度的自動化。本文設計了一種新的電能量采集終端訪問協議，通過這種協議能夠更安全地進行數據傳輸。雖然本研究有一定的技術創新性，但是仍舊存在很多不足，需要進一步的探索和研究。