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摘要:針對現(xiàn)有技術中配用電信息采集技術計算框架復雜、數(shù)據(jù)處理困難等問題，用NB－物聯(lián)網技術實現(xiàn)對配電網用戶用電信息采集和管理的智能化，并構建出智能用電信息采集系統(tǒng)?；贏DE7953電能計量芯片，配合STM32微處理器，實現(xiàn)對用電信息的采集，并通過優(yōu)化電能計量算法提高采集系統(tǒng)的精準度，大大減少了采集時間。試驗結果表明，研究系統(tǒng)的采集準確率提高了約10%，采集效率提高了約33%，智能用電信息采集系統(tǒng)具有高精準度和高效率。

關鍵詞:物聯(lián)網技術;用電信息;智能電子設備;優(yōu)化電能算法;采集系統(tǒng)

隨著人們生活水平的不斷提高和住宅商業(yè)化的發(fā)展，用戶對住宅環(huán)境和物業(yè)管理水平提出了更高的要求［1］，也對住宅的便捷性、交互性和舒適性等提出了更高的期望，需要各類電能計量設備實現(xiàn)自動化［2］工作。目前，隨著電力市場化改革的快速發(fā)展，電力行業(yè)在運行過程中產生了大量的數(shù)據(jù)，如何采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)關系到電力系統(tǒng)運行管理的安全性和可靠性［3］。隨著泛在電網建設的不斷深入，多中心分布式測量已成為各級電力系統(tǒng)網絡精確測量的重要支撐。如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和精準采集成為當前亟待研究的重要課題。在該背景技術下，文獻［4］提出了一種基于MSTP技術的用電信息采集系統(tǒng)。該技術采用收集器采集，提高了計量采集的安全性，但該技術不能應用于分布式計量。文獻［5］提出了一種Hadoop平臺分布式管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的技術優(yōu)勢在于能在各種業(yè)務結構數(shù)據(jù)中利用map-reduce程序分布式進行計算處理，其缺陷在于過程繁瑣，效率低下。文獻［6］提出了一種遠程計量執(zhí)行過程優(yōu)化策略，該策略通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸過程來提高計算效率，但數(shù)據(jù)采集過程中存在安全風險。針對上述技術問題，為提高采集效率和速度，本文提出了一種新型的智能用電信息采集系統(tǒng)，能夠有效地克服上述文獻中存在的技術弊端，具有重要的學術參考價值。

1總體方案設計

關于智能用電信息采集系統(tǒng)框架如圖1所示。智能用電信息采集系統(tǒng)結構框架分為三個不同層次:感知層完成新型智能電子設備(intelligentelectricdivice，IED)數(shù)據(jù)采集、物理量回歸和數(shù)據(jù)接收等，并在安裝實施的過程中能夠進行安裝監(jiān)測、接線監(jiān)測與功能監(jiān)測，保證IED的正常運行;網絡層的服務器將感知層發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，檢查數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)更改并進行數(shù)據(jù)計算與分析，然后將其發(fā)回［7］;應用層通過上層管理中心在在線監(jiān)測上顯示每個電表的實時和歷史數(shù)據(jù)，并經過可視化展示，進一步挖掘用電信息。

2新型IED

目前，智能電網環(huán)境下的傳感器和電能表都基本是“AD采樣+DSP+MCU”架構，這種架構能夠高精準地采集數(shù)據(jù)，但是結構太過復雜，成本較高。為此，本文將采取一種新型的IED，新型IED基于ADE7953［8］電能計量芯片配合微處理器，實現(xiàn)對用電信息的采集，并通過優(yōu)化電能計量算法提高采集系統(tǒng)的精準度。關于新型IED主要硬件結構如圖2所示。通過電流采樣電路和電壓采樣電路得到電能計量數(shù)據(jù)，經過算法優(yōu)化傳輸至ADE7953電能計量芯片。本文微處理器采用STM32F103ZET6芯片，微處理器外圍電路由時鐘電路、復位電路和電源轉換電路組成?？刂仆ㄐ哦税l(fā)射電能計量數(shù)據(jù)信號，并控制整個新型IED。ADE7953電能計量芯片與STM32微處理器，均有電源電路進行充電。下面將重點細述ADE7953電能計量芯片工作原理和算法優(yōu)化模塊。

2．1ADE7953電能計量芯片工作原理

ADE7953電能計量芯片是一款高精度專用電能計量采集的單相集成電路芯片，采用3．3V電壓供電，內有三個2階ADC，能適用于各種采樣方法。在電能計量數(shù)據(jù)信號中，高于ADC半采樣速率但低于半采樣速率之間的數(shù)據(jù)信號，會在這個速率區(qū)間左右擺動，這就是ADE7953電能計量芯片工作原理中的混疊效應，因此要先串聯(lián)一個濾波器來避免這種情況的發(fā)生。關于ADE7953芯片數(shù)據(jù)信號轉換原理如圖3所示。如圖3所示，整個轉換器主要是由積分器、鎖存比較器和采集時鐘組成，采集時鐘的頻率傳輸至鎖存比較器和積分器，將輸入信號轉換成連續(xù)的單比特串行流。單比特串行流驅動數(shù)模轉換，并從輸入信號中減去數(shù)模轉換的輸出，形成反饋回路。當回路中數(shù)模轉換的平均輸出值接近輸入信號電平的平均值時，通過濾波器對串行流數(shù)據(jù)進行平均，使得與輸入信號成正比，并轉換成24位數(shù)據(jù)字輸出，降低輸入用電信息信號的量化噪聲，使輸出的用電信息信號魯棒性更好。

2．2電能計量算法的優(yōu)化

為了得到更為精確的用電信息，本文對IED［9］中的計算框架算法采取了一些優(yōu)化。以有功電能計算為例，設每周期擁有總數(shù)為N的電能計量采樣點，則電壓正弦公式為:考慮實際情況中，IED上傳的電能數(shù)據(jù)也存在誤差，導致上一層級IED的電能并不嚴格等于下級各用戶IED的電能之和。如果直接分別計算下級IED會導致電能矩陣的階數(shù)太高，實際進行計算時計算量太大而耗費太長時間。為了降低計算量，本文利用用戶總IED與其對應分支IED電壓變化趨勢相似度高的特點，根據(jù)其大小篩選出位于同一分支下的用戶，降低了電能矩陣的階數(shù)，減少了計算的復雜度和計算時間。關于IED誤差主要考慮以下幾點:(1)線路損耗誤差。由于線路損耗導致上級IED的電能稍大于下級IED記錄的電能之和，線路損耗的大小隨網絡負載而變化，與線路的長度有關。這些損耗在節(jié)點列寫的電能守恒方程中引入了誤差。令λ(j)是第j個時間間隔內分支IED的測量結果中的線路損耗向量，可以將它們建模為具有非零均值和異方差的高斯模型，如式(6)所示。(6)式中:λ為線路損耗均值;μλ為線路損耗均值的向量;Hλ為線路損耗的協(xié)方差矩陣。由于不同線路的損耗沒有相關性，因此Hλ為對角矩陣。假設測量誤差是獨立同分布的，對電能進行預處理，線路損耗是根據(jù)上級IED節(jié)點電能讀數(shù)總和與下級IED電能讀數(shù)總和之差進行計算，如式(7)所示。

3試驗與分析

通過某國家電網公司調研X小區(qū)內所有用戶信息，在50戶家庭更換安裝了本文研究的新型IED，后臺管理系統(tǒng)以工具包OpenAIGym進行仿真。采用JavaScript語言對SVG交互技術進行編碼，其計算機操作系統(tǒng)為Windows10［10］，64位，計算機的開發(fā)工具為VisualStudio2019，OpenCV3．0。計算機的硬件環(huán)境為CPU:Inter(Ｒ)Core(TM)i7;主頻為2．59GHz;內存16G，所用的軟件JavaScript的版本為ECMAScript6。搭建的智能用電信息采集系統(tǒng)端口主要包括以下配置，即波特率9600bps、8位數(shù)據(jù)格式、1位停止位、甚至不校驗位、無硬件數(shù)據(jù)流控制。采集裝置從采集的電源輸出0～5V模擬信號，系統(tǒng)將其轉換成相應的數(shù)字信號，并經過云端服務器與Web服務器報告至上層管理中心。經過30d采集得到的用電信息構建出試驗數(shù)據(jù)庫，并從中提取數(shù)據(jù)量為2TB的電能計量數(shù)據(jù)信息，其中一些數(shù)據(jù)的相關代碼如表1所示。

作者：劉超 孫保東 單位：國網冀北電力有限公司信息通信分公司 北京中電飛華通信股份有限公司