電力用戶端電量監測技術研究

畢艷冰，蘇彥龍，蘇鑫磊，楊 君，胡 雨

(北京國網信通埃森哲信息技術有限公司，北京 100053)

傳統電網由大量松散互聯的同步交流電網組成，有3個主要功能：發電、輸電和配電，其中電力只向一個方向流動，即從服務提供商到消費者[1]。隨著社會經濟的發展，人們對電力系統的需求變得更多元化、更智能化，傳統電網也面臨一些挑戰，包括不斷增長的能源需求、可靠性、安全性、新興的可再生能源和老化的基礎設施問題等。在20世紀末，為了解決這些挑戰，智能電網(SG)作為一種有前途的解決方案出現在各種信息和通信技術中[2]。智能電網提供了服務提供者和消費者之間的雙向通信，而傳統的電網只提供從服務提供者到用戶的單向通信[3]。智能電網提供先進的計量基礎設施、智能電表、容錯、未經授權的使用檢測，以及負載平衡和自我修復，即檢測和從故障中恢復[4]。智能電網的一個主要問題是對如此大量設備的連通性、自動化和跟蹤，這就要求通過高速、無處不在的雙向數字通信進行分布式監控、分析和控制[5]。這已經通過物聯網技術在現實世界中得以實現。物聯網被定義為一個網絡，它可以根據各種智能設備之間交換信息和通信的協議將任何對象與互聯網連接起來，以實現監控、跟蹤、管理和位置識別目標。物聯網技術可以通過整合物聯網設備(如傳感器、執行器和智能電表)，以及通過為這些設備提供連接性、自動化和跟蹤，支持整個發電、存儲、傳輸、配電和消費的各種網絡功能來實現智能電網需求[6]。

智能電網信息系統的網絡通信是實現電網智能化的關鍵技術，將底層數據傳輸到信息管理決策系統中，保證數據傳輸的有效性和實時性。智能電網的信息管理決策系統主要用來完成電網數據的存儲，分析和決策。在家庭用戶電量可監控方面，歐美等發達國家大力推廣智能電表，軟硬件廠家開始相互合作，部分產品已投入到市場中，在人機界面設計領域，移動設備的交互設計等智能終端設計仍然還是目前的一個研究熱點。智能電網用戶側通信系統還存在著通信干擾問題，遠程通信部分由于存在著多個網絡，各個網絡相互之間存在著干擾，可能還存在數據丟包的現象[7]。

針對遠程通信過程中存在的干擾問題，文獻[8]提出了一種基于模糊距離的網絡通信協議優化策略，利用參考節點能量的模糊距離算法，對節點的有效選擇進行合理的動態優化，降低節點能量消耗。文獻[9]提出了一種通過對網絡樹族的自適應選擇的AODV路由算法，可以有效地降低ZigBee的數據丟包率。最近，許多研究者提出了博弈論作為通過功率控制處理干擾的潛在分散方法[10-11]。博弈論既能有效地模擬非合作用戶的目標，又能幫助每個玩家制定策略。

本文主要針對智能電網用戶側通信系統和通信過程中產生的干擾問題、數據丟包問題展開研究。首先，基于物聯網技術完成了用戶端網絡通信系統的軟硬件設計；然后，針對遠程通信中的干擾問題、數據丟包問題，設計了一種滿足其功率要求的基于博弈論的無線Mesh網絡通信優化策略。

1 系統的軟硬件設計

物聯網架構主要分為3部分[12-14]：感知層、網絡層和決策層。利用物聯網的架構思想，將智能電網信息系統也劃分為3層：對冰箱、空調、燈、電視等家用電器數據采集與檢測構成的感知層；由無線網絡、4G/5G網絡、ZigBee網絡、LoRa網絡、藍牙、寬帶等構成的網絡層；對采集數據進行分析處理的電力公司云管理平臺構成了決策層。智能電網的通信系統架構如圖1所示。

圖1 智能電網通信系統架構Fig.1 Architecture of smart grid communication system

考慮到ZigBee網絡、LoRa網絡、無線網絡的傳輸特點，本系統主要由ZigBee協調器、LoRa集中器和無線控制器構成了系統網關。通信路徑為：傳感器數據由ZigBee終端節點發送路由給ZigBee協調器，智能電表數據由LoRa終端節點路由到LoRa集中器，各網關通過串行接口進行信息交互，將接收到的數據轉換成TCP/IP協議數據發給云管理平臺。

1.1 系統硬件設計

1.1.1 智能電表模塊設計

為了實現對電力系統參數如電壓、電流、功率、功率因數、頻率等的精準檢測，本文設計了一種基于ADE9153B的智能電表。考慮到因器件老化，系統故障或無效等情況造成電表計量不準確的情況，本文加入了電表自檢模塊，除了可以實現對電壓、火線電流、零線電流的采樣計量外，還可以對電表本身的狀態進行自檢。其硬件拓撲如圖2所示。

圖2 多路智能電表結構Fig.2 Structure diagram of multi channel smart meter

1.1.2 無線網關模塊設計

系統中，有ZigBee 網絡、LoRa 網絡、Mesh網絡3種無線網絡，不同網絡有不同的通信協議，不能直接進行通信，不同協議的網絡之間通信需要一個協議轉換設備，即網關。在本系統中，由ZigBee 協調器、LoRa 集中器和WiFi 控制器構成無線網關來進行協議轉換，ZigBee 協調器和WiFi 控制器通過USART1 串口進行通信，LoRa 集中器和WiFi 控制器通過USART2 串口進行通信，3種網絡相互獨立運行，互不干擾，實現ZigBee 協議、LoRa 協議、TCP/IP 協議之間的轉換。無線網關模塊如圖3所示。

圖3 無線網關模塊Fig.3 Wireless gateway module

1.2 智能電表軟件程序設計

本文設計的智能電表主要分為3個模塊[15-16]：電表狀態自檢模塊、信息采集模塊、信息傳輸模塊。電表自檢模塊主要是通過誤差判定，從計量模塊獲取出廠參數增益系數，然后將其與采集得到的增益參數進行對比得到誤差。自檢模塊完成電表校驗后，完成對電量參數的采集和傳輸功能，程序流程如圖4所示。

圖4 智能電表軟件程序流程Fig.4 Flow chart of smart meter software program

2 基于物聯網用戶端系統的網絡通信優化

2.1 基于博弈論和轉發概率的網絡通信優化

大量研究調查表明，無線設備的劇增導致無線網絡中出現了大量的網絡干擾和網絡數據傳輸延時、數據丟包的現象。大量的網絡干擾會造成部分網絡信道被忽視，從而降低了網絡的傳輸效率，如何優化網絡信道分配是降低網絡干擾的一個重要方法。博弈論是一種當利益出現矛盾的時候，參與個體根據自身獲得來自其他參與者的決策信息，然后制定自身動作實現整體利益均衡的策略。將這種理論應用到無線網絡信道分配中，比傳統的多目標優化算法更加貼合實際。設1個無線網絡中有N個路由器，當源節點S發送信息到目標節點D時，節點S的所有出度集合都是路由轉發的預選節點，這些預選節點會依據轉發概率和收發函數決定是否轉發。

(1)轉發概率：

P(i)=[α×Ei(ci)+(1-α)cosA]×(Oi/Oa)

(1)

式中，Ei(ci)為節點i當前剩余能量與初始值的比值；cosA為候選節點i與源節點S和目標節點D構成夾角的余弦值；Oi為節點i的出度值；Oa為所有節點的平均出度值；α為任意大于0小于1的值。

(2)收發函數：

(2)

2.2 仿真驗證

驗證本文提出的基于轉發概率和博弈論的網路通信優化策略的一個重要標志就是網絡傳輸延遲時間，通過仿真與文獻[10]和文獻[11]的通道分配策略進行對比發現，本文設計的分配策略大大降低了網絡傳輸延遲。仿真結果如圖5所示。

圖5 不同優化策略的仿真結果Fig.5 Simulation results of different optimization strategies

3 結語

本文主要分析了當代智能電網的核心發展技術，發現物聯網技術的飛速發展促進了智能電網更加智能化，利用物聯網大數據技術可以有效提高智能電網電量可視化和精準化，可以利用物聯網技術對電網的電量參數進行實時監控。首先，構建了基于物聯網技的智能電網用戶端信息系統，不同的采集信息設備根據其傳輸特點分別通過不同的網絡途徑發送到電力系統后臺管理平臺，系統的網絡傳輸途徑主要分為ZigBee網絡、無線網絡、LoRa網絡。在此基礎上，為了實現電網用戶端電量可視化，本文設計了一種可以計量電壓、電流、功率、功率因數的智能電表。其次，考慮到由于器件老化，電網系統故障或失效引起的計量不精準問題，還增加了電表狀態自檢模塊，智能電表將采集到的數據經過封裝處理后通過物聯網傳輸給電網管理平臺。不同的網絡傳輸時都有不同的端口通信協議，隨著無線設備越來越多，網絡傳輸就會出現大量的干擾，這些干擾會嚴重降低網絡傳輸效率，引發傳輸延時、數據丟包。因此，本文設計了一種基于博弈論的網絡通信優化分配策略，該策略比傳統意義上的多目標優化策略更加貼合實際，并且通過仿真驗證了該策略可以有效的降低網絡延遲時間。