在線用戶電能數據采集-監控-稽查一體化系統研究

梁 飛汪海燕周 睿周媛奉胡婷婷

(1.國網寧夏營銷服務中心(國網寧夏計量中心)，寧夏 銀川 750011；2.國網(寧夏)綜合能源服務有限公司，寧夏 銀川 750011)

能源計量信息化管理是能源計量工作的重要組成部分[1-3]。首先對于主要耗能行業，用能單位，利用現代網絡技術和無線傳感器，可以實現電能在線監測和管理，同時也利于各地電網對于電能計量數據的采集，它不僅可以引導高耗能企業合理評估，開展節能管理。也利于國家電網對用戶的實時監控[4-6]。在線用戶電能數據采集也可克服人工抄表存在的各種弊端。

隨著經濟的發展與社會的進步，電力行業也隨之發生改變，大數據驅動已經成為電力系統發展的主要方向[7-10]。但隨著社會用電需求的不斷增加，用戶用電，智能化電力設備和常規電力設備的在線監測都得到了較大發展并成為趨勢，監測數據變得日益龐大，在線監測系統面臨越來越大的技術挑戰。

文獻[11]研究表明，當前，國內外研究人員針對用電異常檢測提出多種不同方法，有聚類分析法、局部離群因子法、支持向量機、神經網絡等。例如文獻[12]提出一種基于密度聚類技術的用電異常檢測算法，通過關聯分析法結合當前用電量總和給出關聯規則，進行用電異常檢測。但這些方法均存在弊端，比如基于支持向量機的異常識別模型的適用面較窄，面對數據量較大和種類較多的情況無法進行處理等。且現階段較少文獻研究基于實時監測數據與歷史數據相結合的用戶異常行為稽查方案。缺少對異常數據的深入分析與處理。

基于以上分析，本文提出了一個實際應用系統:在線用戶電能數據采集-監控-稽查一體化系統，基于大數據，灰色模型與k-means 算法提出在線稽查業務，有利于供電企業提高企業管理水平和經濟效益。

1 電能數據采集-監控-稽查一體化系統

1.1 系統硬件架構

本網絡由電能表、智能數據采集終端和遠程管理平臺組成，如圖1 所示。這些電能表負責通過RS-458或電力線載波信道測量數據和發送數據。智能數據采集終端通過GPRS 將所采集的電能數據傳送至遠程管理平臺通道。遠程管理平臺實現了對能源數據的遠程監控、存儲、分析和管理。

圖1 電能數據采集-監控-稽查一體化系統

智能數據采集終端由在線數據采集模塊(包括RS-485 模塊和電力線載波模塊)、單片機系統、GPRS DTU 和人機界面組成，如圖1 所示。在線數據采集單片機處理系統由STM32 控制器、時鐘電路和復位電路組成。用于從數據采集模塊讀取電能數據，并通過GPRS DTU 與遠程管理平臺進行數據交換。STM32 單片機通過串口分別與RS 485、電源線載波和GPRS DTU 相連。

1.2 系統軟件結構

作為一種在線電能數據采集與監測系統，實時性是一個重要的指標。實時操作系統的應用是保證實時性能的常用方法，但這意味著更大的代碼量和RAM 成本。

在該系統中，我們可以在不使用實時操作系統的情況下控制多個任務。一方面，系統使用的是STM32F103ZET6 芯片，沒有足夠的閃存和RAM 用于操作系統移植，這意味著需要增加內存芯片的成本。另一方面，采用類似于時間循環的方法可以滿足設計要求。對于該方法，為了保證實時性，采用定時中斷間隔設計，將各個功能模塊設計為一個任務，對所有任務及時進行多任務管理。

如圖2 所示，左邊是主程序，只安排協議分析任務，右邊是定時器中斷子程序，安排所有其他任務。這些任務包括時鐘調整任務、數據采集任務、LCD顯示任務、RTC 任務、密鑰管理任務和GPRS 連接任務。在我們的應用程序中，時鐘任務為系統提供了一個時間基礎，以便每個任務可以按照指定的節奏運行。數據采集任務用于電能表定時采集數據，采集頻率可調。LCD 顯示任務和密鑰管理任務用于現場管理和參數設置。RTC 任務是智能數據采集終端的時間信息來源。GPRS 連接任務保證采集終端始終在線，當終端與主站的連接斷開時，可以實現自動重連接。所有任務都被置于定期的監控周期中，使每個任務都是實時的，系統如何監控各種任務是一個關鍵問題。我們設置了50 ms 的定時器中斷，經過測試，發現運行每個任務的時間花費小于時間間隔，可以滿足實時的需要。智能數據采集終端作為電能表與主站之間的數據轉接站，它包含上行和下行通信協議集，因此協議分析任務是最重要的任務，它主要有兩大功能:

圖2 定時器中斷程序框圖

(1)數據采集終端的數據分析；終端通過分析上行和下行通信協議，接收來自串口的數據包，并根據數據包的內容進行相應的操作。

(2)完成上行和下行通信協議的轉換后，上游和下游之間的數據包格式不同。因此，在通過GPRS 通道將數據包發送到遠程管理平臺之前，需要進行一些轉換。

下行通信采用RS-485 模塊和電力線載波模塊作為硬件接口，以滿足不同的現場需求。電力線傳輸可以利用現有的電力線載波通過模擬信號或數字信號進行高速傳輸，但配電變壓器和開關對電力線載波信號具有阻擋作用。此外，電力線載波還存在其他缺點，限制了其應用范圍。雖然RS-485 需要額外布線，但傳輸距離和抗干擾能力對于系統設計來說十分必要。“DL/T645-2007 多功能電能表通信協議”作為下行鏈路的通信協議，按照中華人民共和國電力行業標準編制。通過通信協議，我們可以實現電網中電能表的控制和數據讀取。最終可以得到不同的能量數據，如視在功率、視在能量、表觀需求、組合有功負荷曲線、功率因數等。

合理的通信協議是保證通信精度的必要條件。通過對抄表時間的控制，實現了對抄表文件的管理，保證了抄表的實時性。通過測試我們知道，在2 400 bit/s的波特率下，讀取一種數據至少需要50 ms，但不會超過2 s。因此當采集終端發送抄表指令時，計時器同時開始計時。如果采集終端在2 s后未收到回復，則記錄電能表地址，并停止讀取該電能表。待文件中所有的電能表采集完畢后，采集終端再次讀取記錄中的電能表。從而保證了系統的實時性，不會漏掉任何電能表。

上行通信協議使用Q/GDW1376.1 2012 電力用戶電能采集系統通信協議。其使用GPRS 通道進行遠程數據交換。遠程傳輸功能由GPRS DTU 實現。GPRS DTU 是一種用于在串行數據和IP 數據包之間轉換的設備。使用GPRS 時需要解決的一個問題是:如果主機和終端斷開鏈路，終端需要發送登錄請求，這樣鏈路才能重新連接。

因此，合理的重接機制是實現電能在線采集與監測系統的必要條件。在我們的系統中，我們設計了這樣的方法:系統啟動后，終端連接到主站并發送登錄框，然后是終端等待確認幀，如果收到確認幀，終端開始發送心跳包(發射頻率可調)。其他終端連接到主站并再次發送登錄框，終端等待確認幀，如果收到它，終端在一個共同的傳播頻率周期性發送心跳包，否則，連續發送三次心跳包(時間間隔10 s)，如果這三個心跳包已經回答，終端繼續在一個共同的傳播頻率周期性發送心跳包，如果不是，則終端連接到主站，如圖3 所示。該方法可以保證采集終端始終在線。這也是實時的前提。

圖3 終端連接主站的程序框圖

無論是上行通信還是下行通信，我們都嚴格遵守了協議，實現了可靠的通信結果和較強的糾錯能力。

2 基于數據稽查的遠程管理平臺

2.1 數據處理架構

遠程管理計算機接收包含所有相關電能表值的協議包。為了便于操作，這些數據被轉換成標準的電子協議數據，并通過TCP/IP 傳輸。網絡服務程序在指定的端口上監聽IP 數據包，并用GPRS、LAN或WIFI 發送數據。

數據處理程序由Visual C++實現，負責從GPRS DTU、LAN 或WIFI 接收標準協議數據。Visual C++在使用前必須解析DTU 數據的順序。獲取的數據存儲在數據庫中，并在監控數據中心顯示。這樣，數據可以在過程周期中立即存儲到SQL 數據庫中，并在消費周期中以恒定的速度顯示。

Visual C++通過ODBC 接口連接SQL 數據庫。為了提高數據庫中數據的顯示性能，需要在常量時間內建立索引，以避免在Visual C++中進行查詢。同時，數據不僅要實時顯示，還要達到歷史查詢和異常報警的目的。

2.2 異常數據稽查算法

本文在前文論述的管理平臺基礎上，基于大數據技術提出用電稽查模塊的結構框圖，如圖4 所示。本框圖主要分為數據源，分析模型，功能分類與終端展示模塊。

圖4 基于大數據技術的用電稽查模塊的結構框圖

此平臺數據來源主要為計量系統、外部系統和營銷系統。用戶行為檢測主要基于負荷電量數據，氣象經濟信息以及營銷系統記錄的客戶檔案。通過特征提取、關聯性分析以及模型預測等分析手段，可以實現用戶行為分析、管理及用電稽查的功能。最終以可視化的展示方法呈現在所設計的終端管理平臺。

針對用電稽查的具體實現方式，采用基于k-means 的方法，該方法主要包含五個步驟:數據選擇與處理，基于灰色關聯法的關聯性分析，基于k-means 的負荷模式提取，系數修正，以及用電異常的稽查。具體步驟如下:

(1)采用Z-Score 標準化方法對所獲取的數據進行處理，對于數據x=(x1，x2，x3，…，xn)，建立f映射:

式中:xˉ 為數據x的平均值，s為數據x的標準差。此外，對于文本數據，需要將類型屬性量化處理，例如將四個季節分別設置為1-4。

(2)關聯度計算，反應特征的參考序列Y(k)與參考序列Xi(k)的關聯系數ξi(k)計算公式如(2)所示。

記Δi(k)=｜y(k)-xi(k)｜，則

式中:ρ∈(0，∞)。一般ρ取值為(0，1)，當ρ≤0.546 3時，分辨力最好，本文取ρ=0.5。ξi(k)是矩陣xi的第k個元素與矩陣Y的第k個元素之間的關聯系數。

關聯系數是其在各個時刻或條件下的關聯程度值，數值不止一個，因此信息過于分散不便于進行整體性比較。作為兩個序列關聯程度的數量表示，本文以求平均值為例，其量化值ri計算公式如下:

(3)負荷模式提取，本步驟基于k-means 方法進行負荷模式提取。該方法是一種基于劃分的聚類方法，對于輸入數據，以k為參數，把n個對象分為k個簇。通過不斷更新迭代聚類中心，計算每個樣本與簇之間的距離，直至誤差函數收斂為止。

本平臺可基于此方法對用戶的負荷數據進行聚類以得到典型負荷曲線。

(4)系數修正，本文的用電稽查算法考慮外在氣象因素，由于負荷與溫度濕度相關性較高，筆者根據式(5)和式(6)對負荷F進行修正，

式中:α和β為通過灰色關聯分析方法計算的負荷與溫度和濕度的關聯度；T和H為當天最高溫度和平均濕度。F20和F30分別為溫度為20°時和相對濕度為30%的平均負荷。

(5)用電異常的稽查，設k種典型的負荷模型，有n個用戶數據，修正的負荷曲線為F(F1，F2，F3，…，Fk)。經過標準化處理的數據為B(B1，B2，B3，…，Bn)，根據式(7)計算F與B之間的歐氏距離d。

式中:N為變量數，i和j表示樣本序數。最后根據距離進行降序排序，排序靠前的則為稽查結果中的嫌疑用戶。

3 結束語

本文提出了一個實際應用系統:在線用戶電能數據采集-監控-稽查一體化系統。

首先，設計了系統框架，該系統由智能數據采集終端和管理平臺組成。智能數據采集終端通過電力線載波或RS-485 從電能表獲取數據，即為下行通信。終端通過GPRS 通道與遠程管理平臺傳輸數據，即為上行通信。下行通信使用DL/T645-2007 多功能電能表通信協議，上行通信協議使用Q/GDW1376.1 2012 電力用戶電能采集系統通信協議。兩種協議均符合國家標準，與不同企業的電能表產品具有良好的兼容性。

此外，智能數據采集終端由在線數據采集模塊(包括RS-485 模塊和電力線載波模塊)、單片機系統、GPRS DTU 和人機界面組成。在線數據采集單片機處理系統由STM32 控制器、時鐘電路和復位電路組成。用于從數據采集模塊讀取電能數據，并通過GPRS DTU與遠程管理平臺進行數據交換。STM32 單片機通過串口分別與RS 485、電源線載波和GPRS DTU 相連。

在軟件方面，設計了嚴格的抄表時間控制機制和動態數據存儲管理模式，保證了較高的實時性。最后，基于大數據與k-means 算法提出在線稽查業務，有利于供電企業提高企業管理水平和經濟效益。