探究智能用電網絡數據采集與通信機制

鮑亞英 陳險寧 鮑亞男 趙連江 王哲

摘要：智能用電網絡通信機制先進，數據監測頻率為傳統通信機制的10多倍，在信息吞吐量方面降低90%以上，其在計算和核心設備控制方面的運行負荷也降低了90%以上，網絡規模擴大，實用性提升。

關鍵詞：智能用電；網絡數據采集；通信機制

1智能用電網絡的概述

智能用電網絡屬于典型的用戶側信息物理系統，它主要以信息能量網關為核心，通過能效終端來連接各個用電設備，具有計算、通信等多項功能。為了優化智能用電網絡的數據采集與通信機制，滿足現實應用需求，可以配合信息物理系統理論，提出基于時間驅動與事件驅動的多智能數據采集與通信體制，構建機制混合動態系統，并進行實驗驗證智能用電網絡的實時性、數據吞吐量與網絡規模。

2分析智能用電網絡的數據采集和通信應具備的特點

2.1實時性

在現實應用場景中，需要實時獲知物理設備的工作狀態及當下的物理環境，進而實時計算出符合當下目標的最優的控制策略。特別是當出現突發狀況時，要及時下達控制指令，對目標設備和周圍環境進行干預。

2.2動態可變性

動態可變性是指交互界面下數據的非確定及不可預測性。

2.3可信性

為了實現信息物理系統精確控制、遠程協調和自治的高級功能，在進行數據采集、傳輸、計算和反饋的過程中，需要保證數據的正確性、可靠性及安全性。

2.4多樣性

智能用電網絡中存在多種類型的數據，如表征電器運行狀態及表征周圍物理環境的各種參數，這些目標監測參數共同構成了數據的多樣性，并為更加準確的識別和預測監測設備的運行狀態和能效水平提供了支持。

2.5海量性

隨著物理信息系統的不斷更新和發展，其規模、功能等都有所升級，物理設備在實時監控和交互時會產生大量數據。

2.6通信設備資源有限

目前應用在用戶側信息物理系統的嵌入式物聯網設備，特別是無線局域網通信設備具有低功耗、低成本、低通信速率、資源和功能高度有限等特點，使得這些設備的計算速度、數據處理能力、信息傳輸速度都十分有限。可知，智能用電網絡通信設備的資源有限性和采集數據的實時性、動態可變性、海量性和多樣性在某種程度上是矛盾的。為了兼容這兩種要求，需要先分析用電設備狀態參數曲線特性，根據其特性，在采樣保真度得到保證的前提下，盡可能減少通信量。

3智能用電網絡數據采集與通信機制設計

實時了解用電設備狀態參數變化情況，并進行采樣的目的是使智能用電網絡能夠識別用電設備的運行狀態，評估其能效情況，對它進行精確控制等。將狀態參數曲線頻率設置為f，已知數據可變，得出f為不定值，用電設備狀態為非工作或穩定工作，f→0；反之，狀態不穩定，f→N，N為實數。即

其中，W（tj）、Ws、Wb分別表示用電設備在tj時刻、穩定、非穩定情境下的工作狀態。該系統通過精確記錄設備動態及穩定工作過程，以符合信息物理系統的實時性特征。根據已知的采樣定理，當采樣頻率fs比信號最大頻率兩倍還大時，可實現原始信號的還原，即

基于前端數據采集設備考量，其數據采樣過程呈現持續性特征。采樣最小間隔由設備芯片各次循環花費時間決定，對應采樣頻率為，依據智能用電網絡情況可知，動態情境下的用電設備，即使采樣頻率非常高，也能符合采樣定理要求，保證真實性?；谟嬎憧刂坪诵脑O備考量，整體系統采樣設備與前端設備的數據上報通信頻率相關，后者是否上報數據又受時間響應和事件響應判定結構影響。倘若有足夠的條件設立通信機制，當用電設備狀態為Wtj時，響應機制判斷為真的概率P（Wtj）滿足：

該情境下，系統是不定頻率fws的采樣，且

這一數據采集和通信機制的優勢在于不僅與信息物理系統實時性要求吻合，而且使核心計算設備和通信模塊的壓力得到了緩解。

4智能用電網絡通信機制混合動態系統

4.1分析建模

將嵌入式系統構建作為智能用電網絡數據采集和通信機制混合動態系統創建起點，注重嵌入式系統與物理過程的結合。智能用電網絡通信機制混合動態系統主要是事件狀態和混合系統控制相結合。智能用電網絡要依托應用限制條件和現實場景需求，劃定系統狀態，科學規劃狀態轉移條件，減少信息系統和物理系統異構性差異。

4.2形式化規格

它借助數學符號，對系統安全運行狀態下的必須屬性進行描述。線性時序邏輯功能在于對混合系統軌跡要求進行準確描述，用于系統屬性展示。主要通過線性時序邏輯對智能用電網絡通信機制混合動態系統屬性進行表述。在這一表述過程中可知系統的不變量是由其包含的安全性和活躍性來構建的。

4.3分析可到達性

系統是否與時序化邏輯公式表達的形式化規格算法吻合由模型檢測來確定。該過程以計算系統可到達狀態集為核心。混合動態系統的狀態空間很大，常規模型檢測方式不具備適用性，多采用符號化模型檢測方法，應用原理為依托命題邏輯公式對某個狀態集進行符號化表示，繼而直接在狀態集合上處理模型檢測。該研究以混合動態系統為基礎，借助智能插座和信息能量網關，對該機制原型系統進行開發，從而驗證智能用電網絡數據采集與通信機制的高效與否。無論是智能插座的核心處理芯片，還是通信方式都是依據實驗本身擇優選取的，能量信息網關選用的是因特爾生產的Quark系列網關Riban，ATOM處理器，CPU基準頻率是400MHZ。

5結語

總之，作為最重要的用戶側信息物理系統實現方式，智能用電網絡在構建方面具有低成本、低功耗等諸多優勢，而且其在數據采集與通信方面的實時性與動態可變性也非常實用。

參考文獻：

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[2]劉軍利，李大勇.智能用電網絡數據采集與通信機制的研究分析[J].科技經濟導刊，2017（14）.

（作者單位：國網葫蘆島供電公司）