CN107154143B - 一种物联网平台的电能表远程抄表系统 - Google Patents

一种物联网平台的电能表远程抄表系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于物联网平台的电能表远程抄表系统。该系统基于物联网技术，组建了覆盖用电家庭的智能用电物联网，其中，将具备与智能终端以及传感器系统互联互通能力的电能表作为本地用电控制中心，可针对本地用电的各种实际状况和需求，以及来自远程用电控制中心的远程用电控制指令，对智能用电物联网内的智能终端设备的工作状态进行本地及远程的智能化控制。

Description

一种物联网平台的电能表远程抄表系统
技术领域
本发明智能化电网及供电服务技术领域，具体来说，涉及一种物联网平台的电能表远程抄表系统。
背景技术
常规电能表的功能包括：对每个用电家庭的用电量进行实时计量；充值和显示购电余额；当余额为0时控制总开关切断对该用电家庭的供电，在充值之后闭合开关从而恢复对该家庭的供电。目前仍有使用的常规电能表包括IC卡式电能表。但是这种IC卡式的常规电能表系统不具备联网购电、远程抄表等功能，不论对于用户来说还是对于供电公司来说都很不方便，因此随着供电网智能化升级已经面临淘汰。
目前已经开始普及化推广的是具有联网电能表的远程抄表系统。图1示出了现有远程抄表系统的结构示意图。该系统中的电能表1001可以在常规电能表的基础功能之上，通过远程抄表专用网络1002，实现与电网公司的控制中心1003的联网，从而进行远程双向通信；控制中心1003还基于其通信网关1004而接入互联网，接受例如手机、电脑等用户终端1005发送的服务请求，并且响应该服务请求而实现相应的功能，例如联网购电、显示余额。控制中心1003也可以主动向用户终端1005发送服务消息，例如提示不足等。电能表1001将每个用电家庭的用电量上报给控制中心1003；控制中心1003根据每个用电家庭的充值记录，计算购电余额数值，并实时下发给电能表；当用户充值后，控制中心1003可以更新当前购电余额数值，并实时下发给电能表。电能表1001根据当前购电余额数值，控制对用电家庭供电的通断；当余额为0时控制其内置的总开关切断对该家庭的供电，在充值之后控制闭合该总开关从而恢复对该家庭的供电。但是，远程超标系统仍然存在一定的缺陷，例如抄表专用网络成本大、通信效率低、系统功能单一化等。
物联网被称之为“物与物之间的互联网”，这一技术在各种各样的设备之间建立数据通信的路径，进而实现设备之间的信息和指令的传输与共享，从而将各种各样的设备组成一个泛在化的网络。如图2所示的物联网平台技术架构图，
物联网的平台可以划分为感知层、网络层以及应用层。其中感知层用于感应和提取各种数据，该层包括各种传感器以及各种智能终端；传感器可以感应环境信号从而获得数据；智能终端自身可以生成或者获得数据。网络层实现数据的传输、交换和共享。应用层可以在网络层的基础上支撑各种上层应用。建立物联网平台是智能化电网建设中一个重要的新方向。
经过初步检索发现，现有技术中基于物联网实现的远程抄表技术主要是基于ZigBee等物联网无线数据传输协议，实现计量表与控制中心的远程通信。例如，中国专利申请CN104183107A由无线综合抄表监控中心和数台水电气表综合计数器组成远程抄表系统。中国专利申请CN106443166A由电表采集客户端负责采集电表数据；物联网网关层对采集的电表数据进行解析和存储，传输至网络层；在应用层设置有浏览器的访问设备。
这些现有技术建立了一个基于物联网通信方式的系统架构。但是，现有技术中基于物联网实现的远程抄表技术，只是位于每个用电家庭的电能表或者电能采集点与供电公司的控制中心之间的“物联”。电能表并没有融合到每个用电家庭，没有与用电家庭当中的各种智能终端以及传感器网络组成一个统一的物联网。因而，只能实现单一的用电量计量、供电开关控制、余额充值等功能。可以说，现有技术虽然名为“物联”，但只是相当初级的平台，与已有的远程抄表系统相比在功能上没有根本性的进化。
发明内容
为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种基于物联网平台的电能表远程抄表系统。该系统基于物联网技术，组建了覆盖用电家庭的智能用电物联网，其中，将具备与智能终端以及传感器系统互联互通能力的电能表作为本地用电控制中心，可针对本地用电的各种实际状况和需求，以及来自远程用电控制中心的远程用电控制指令，对智能用电物联网内的智能终端设备的工作状态进行本地及远程的智能化控制。
本发明所述的基于物联网平台的电能表远程抄表系统，其特征在于，包括：电能表、智能终端设备、传感器系统、远程抄表专用网络、远程用电控制中心；
其中，所述电能表基于ZigBee等物联网协议与智能终端设备和传感器系统互联，组成智能用电物联网；电能表通过远程抄表专用网络与远程用电控制中心进行双向数据通信；远程用电控制中心接入互联网，并且通过互联网与用户终端设备实现网络联通；
所述智能终端设备用于产生工作状态数据，并且通过所述智能用电物联网将工作状态数据传输给电能表，智能终端设备通过所述智能用电物联网获得由电能表下发的本地用电控制指令，根据本地用电控制指令调节自身的工作状态；
传感器系统通过感应环境状态，生成环境状态数据，通过所述智能用电物联网将环境状态数据传输给电能表；
电能表用于通过实时计量用电量产生用电量计量值；并且将所述智能用电物联网内的各个智能终端设备和传感器系统上传的所述工作状态数据和环境状态数据整合为本地状态数据列表加以存储；通过所述远程抄表专用网络将用电量计量值以及本地状态数据列表上传给远程用电控制中心，获得远程用电控制中心下发的用户购电余额数值以及远程用电控制指令；根据所述本地状态数据列表、用电量计量值、购电余额数值以及远程用电控制指令当中的一个或多个，生成所述本地用电控制指令，并向智能终端设备下达本地用电控制指令；
远程用电控制中心用于通过所述远程抄表专用网络获得辖区范围内的各个电能表所上传的所述用电量计量值以及本地状态数据列表，并进行存储；获得用户终端设备发送的服务请求并响应该服务请求，和/或主动向用户终端设备推送服务消息；统计和分析辖区范围内全部电能表的用电量计量值以及本地状态数据列表，生成宏观用电预测管理数据；通过供电公司的调控专用通信网络获得上级供电单位下发的用电调控数据；根据用户的服务请求、宏观用电预测管理数据、上级用电调控数据中的一个或多个，生成远程用电控制指令并下发至作为控制目标的一个或者多个电能表。
优选的是，所述电能表具体包括：用电计量模块、供电开关控制器、本地物联通信模块、数据分析处理模块、数据存储器、抄表专网通信模块、本地用电控制模块；其中：
用电计量模块每隔预定长度的时间段计量出在该时间段内的用电量，生成用电量计量值，以及实时更新用户购电余额数值；
供电开关控制器用于控制电能表内置的用电家庭供电总开关的开关状态；
本地物联通信模块用于基于ZigBee等物联网通信协议与智能终端设备和传感器系统进行通信，组成智能用电物联网，实现对工作状态数据和环境状态数据的获取，以及本地用电控制指令的下达；
数据分析处理模块用于将获得的工作状态数据和环境状态数据按照上述数据格式整合为本地状态数据列表，在数据存储器中加以存储；还用于基于所存储的本地状态数据列表、用电量计量值以及用户购电余额数值，执行分析运算，获得分析结果数据；
数据存储器用于存储本地状态数据列表、用电计量模块所生成的各个用电量计量值，以及更新的用户购电余额数值；
抄表专网通信模块用于接入远程抄表专用网络，与远程用电控制中心进行双向数据通信，将用电量计量值以及本地状态数据列表上传给远程用电控制中心，获得远程用电控制中心下发的用户购电余额数值以及远程用电控制指令；
本地用电控制模块用于基于数据分析处理模块的分析结果数据，以及基于所获得的远程用电控制指令，生成本地用电控制指令。
优选的是，所述远程用电控制中心包括：抄表专网通信服务器、数据存储服务器、用户接口服务器、网络通信网关、数据分析服务器、调控专网接口、远程控制服务器；其中，
所述抄表专网通信服务器用于实现在远程抄表专用网络上的数据收发，包括对用电量计量值以及本地状态数据列表的接收，以及对远程用电控制指令、用户购电余额数值的下达；
数据存储服务器用于对从各个电能表所接收的用电量计量值以及本地状态数据列表的存储和调取，以及对用户购电余额数值的存储和调取；
用户接口服务器经由所述网络通信网关接入互联网以及移动通信网，并且与用户终端设备通信；用户接口服务器获得用户终端设备发送的服务请求，并响应该服务请求；以及主动向用户终端设备推送服务消息；
数据分析服务器通过数据存储服务器调取辖区内全部电能表的用电量计量值以及本地状态数据列表进行统计和分析，生成宏观用电预测管理数据；
调控专网接口连接供电公司内部的调控专用通信网络，并经该网络获得上级供电单位下发的用电调控数据；
远程控制服务器根据用户的服务请求、宏观用电预测管理数据、上级用电调控数据中的一个或多个，生成远程用电控制指令，并通过远程抄表专用网络下发至作为控制目标的一个或者多个电能表。
进一步优选的是，用户接口服务器根据用户终端设备发来的查询服务请求，提供实时用电量查询、购电余额查询、终端设备状态查询和环境状态查询，响应这些查询服务请求而调取数据存储服务器记录的最新用电量计量值、最新用户购电余额数值以及本地状态数据列表记录的工作状态数据和环境状态数据，并将查询结果反馈给用户终端设备；以及，用户接口服务器根据网上购电服务请求，更新用户的用户购电余额数值，并将该用户购电余额数值发送至电能表，以更新电能表端的用户购电余额数值。
进一步优选的是，用户接口服务器响应用户终端设备发来的远程用电控制服务请求，将该请求转送至远程控制服务器；远程控制服务器响应该请求，生成并向电能表发送远程用电控制指令。
优选的是，所述电能表用于基于用电量计量值进行本地用电模式的自动分类识别，具体包括：
步骤1：电能表计量当前时刻之前的一个单位时间段内产生的用电量，作为当前用电量计量值；电能表存储用电量计量值以及与用电量计量值相关联的本地状态数据列表；
步骤2：电能表基于过去一个历史周期内存储的全部用电量计量值的记录，运用自动聚类算法，将这些用电量计量值自动归入若干个用电量聚类；
步骤3:电能表根据最终形成的用电量聚类，统计每个聚类中包含的用电量计量值的分布区间；以及，获得所述当前用电量计量值所属聚类及该聚类所对应的用电量计量值分布区间。
优选的是，电能表在当前用电量计量值超出预定用电量门限值的状态下，对本地用电执行如下智能控制：
步骤1，电能表获得当前用电量计量值，并且将该当前用电量计量值与一预定用电量门限值相比较；当当前用电量计量值高于用电量门限值时，则启动本地用电控制；
步骤2，电能表获得用电量聚类各自的用电量计量值分布区间；首先判断当前用电量计量值属于的用电量聚类对应的用电量计量值分布区间中是否存在低于用电量门限值的部分，如果存在则进行步骤3；反之，如果当前用电量计量值属于的用电量聚类对应的用电量计量值分布区间均高于用电量门限值，则转至执行步骤4；
步骤3，从当前用电量计量值所属于的用电量聚类当中，提取低于用电量门限值的全部用电量计量值；获得当前用电量计量值以及所提取的用电量计量值各自对应的本地状态数据列表，根据本地状态数据列表当中记录的工作状态数据和环境状态数据，结合预定的状态类型权重值，计算每个所提取的用电量计量值与当前用电量计量值的状态差异度；然后执行步骤5；
步骤4，从用电量聚类当中获得用电量计量值分布区间低于用电量门限值的聚类，获得这些聚类中的用电量计量值；根据当前用电量计量值与这些聚类中的用电量计量值各自对应的本地状态数据列表当中记录的工作状态数据和环境状态数据，结合预定的状态类型权重值，计算状态差异度；然后执行步骤5；
步骤5，根据步骤3或者步骤4中计算的状态差异度，选取与当前用电量计量值状态差异度最小的用电量计量值，将该状态差异度最小的用电量计量值对应的本地状态数据列表中记录的各个工作状态数据作为工作状态参照数据，产生命令智能终端设备将其工作状态数据调整为与工作状态参照数据相同的本地用电控制指令。
进一步优选的是，电能表获得实时更新的用户购电余额数值；当用户购电余额数值不足一个预定的余额值时，则电能表根据用户购电余额数值的大小，设置所述预定用电量门限值。
进一步优选的是，远程用电控制中心根据用户发起的降低用电量的远程用电控制服务请求，向电能表发送远程用电控制指令，该指令包含降低后的用电量计量值的数值；电能表根据该远程用电控制指令，将该降低后的用电量计量值设置为所述预定用电量门限值。
进一步优选的是，远程用电控制中心根据用户针对某一个具体的智能终端设备的远程用电控制服务请求，生成调整该智能终端设备工作状态数据的远程用电控制指令，并通过远程抄表专用网络下发至作为控制目标的电能表；进而，电能表根据该远程用电控制指令，转化为相对应的调整该智能终端设备工作状态数据的本地用电控制指令，并将该本地用电控制指令发送给该智能终端设备。
综上所述，本发明在远程抄表系统的基础功能之上，在用电智能控制方面有了本质性的提升。本发明基于物联网技术，组建了覆盖用电家庭的智能用电物联网，其中，将具备与智能终端以及传感器系统互联互通能力的电能表作为本地用电控制中心，可针对本地用电的各种实际状况和需求，以及来自远程用电控制中心的远程用电控制指令，对智能用电物联网内的智能终端设备的工作状态进行本地及远程的智能化控制，可以实现在余额不足的情况下自动调低用电量、根据用户远程指令而自适应调节用电量等等先进的功能和服务。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有技术中的远程抄表系统结构示意图；
图2是现有技术的物联网平台技术架构图；
图3是本发明所述基于物联网平台的电能表远程抄表系统整体结构示意图；
图4是本系统的电能表结构示意图；
图5是本系统远程用电控制中心的模块结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。
1.系统整体架构
图3是本发明所述基于物联网平台的电能表远程抄表系统整体结构示意图。如图3所示，基于ZigBee等各种物联网协议，使电能表1与每个用电家庭当中的各种智能终端设备或传感器系统2-1、2-2…2-N实现互联，组成覆盖每个用电家庭的智能用电物联网3。进而，电能表1通过远程抄表专用网络4，与供电公司的远程用电控制中心5进行双向数据通信。远程用电控制中心5还接入互联网，并且通过互联网与用户终端设备6实现网络联通。
2.系统各部分的结构与功能
2.1智能终端设备与传感器系统
智能终端设备是家庭物联网的基础设施，与一般的家用电器相比，物联网平台下的智能终端设备自身具有数据生成、传输与指令控制功能。本系统中，智能终端设备2-1、2-2…产生工作状态数据，并且通过所述智能用电物联网3，按照ZigBee等物联网通信协议，将工作状态数据传输给电能表1.并且，智能终端设备2-1、2-2…可以通过所述智能用电物联网3获得由电能表1下发的本地用电控制指令，根据本地用电控制指令调节自身的工作状态。
作为示例，下表给出了常见智能终端设备所生成并上传的工作状态数据。
用电家庭的传感器系统2-N具有信号采集、数据生成与传输功能；家庭物联网中常见的传感器系统2-N包括：光照传感器、温湿度传感器、空气质量传感器。通过感应家庭内部的光照、温度、湿度、空气质量等环境状态并对感应信号进行数字化和编码，生成环境状态数据，通过所述智能用电物联网3，将环境状态数据传输给电能表1。
作为示例，下表给出了常见的传感器系统类型及其产生的环境状态数据。
传感器系统类型 环境状态数据
光照 室内照度值RL
温度 室内温度值RT
湿度 室内湿度值RW
空气 室内颗粒物分布值RPM
2.2电能表
电能表1具有传统电能表的用电量计量、购电量余额显示、供电总开关控制功能。
并且，电能表1在本申请中还具备以下功能：
(1)在覆盖用电家庭的智能用电物联网3中作为本地用电控制中心，获得该智能用电物联网3中的各个智能终端设备和传感器系统2-1、2-2……2-N上传的所述工作状态数据和环境状态数据，将以上工作状态数据和环境状态数据整合为本地状态数据列表加以存储。在本地状态数据列表当中，可以以“状态数据类型:状态数据值”数据对结构来存储所述工作状态数据和环境状态数据。例如，在该列表中，登记“TF：5”表示智能冰箱的冷藏温度设置值为5摄氏度；登记“SA：1”、“TA：25”、“WA：2”表示智能空调的开关状态为开，室温设置为25摄氏度，风速设置为2档；登记“RT：27”表示传感器系统感应到当前室内总体实际温度为27摄氏度。
(2)通过所述远程抄表专用网络4与供电公司的远程用电控制中心5实现双向实时通信交互，将用电量计量值E以及本地状态数据列表上传给远程用电控制中心5，获得远程用电控制中心5下发的用户购电余额数值C以及远程用电控制指令。
(3)根据所述本地状态数据列表、用电量计量值E、购电余额数值C以及远程用电控制指令当中的一个或多个，生成所述本地用电控制指令，并向智能终端设备下达本地用电控制指令。
图4是本发明提供的电能表1的结构模块示意图。电能表1具体包括：用电计量模块101、供电开关控制器102、本地物联通信模块103、数据分析处理模块104、数据存储器105、抄表专网通信模块106、本地用电控制模块107。所述用电计量模块101用于计量用电家庭的用电量(KWh)，以便电能表的表盘能够显示累计用电量；该用电计量模块101还可以每隔预定长度的时间段(例如每半小时)计量出在该时间段内的用电量，以便生成所述用电量计量值；用电计量模块101还负责根据累计用电量的变化，结合阶梯电价费率，实时更新用户购电余额数值C，以便在表盘显示实时的购电余额。供电开关控制器102用于控制电能表内置的用电家庭供电总开关的开关状态；该供电开关控制器102根据由用电量计量模块101所计量的累计用电量，结合阶梯电价费率，更新用户购电余额数值C，在该数值为0时切断供电总开关，以及在经充值该数值转为非0后导通供电总开关。本地物联通信模块103基于ZigBee等物联网通信协议，与用电家庭本地的智能终端设备和传感器系统进行通信，组成智能用电物联网3，为电能表1实现工作状态数据和环境状态数据的获取，以及本地用电控制指令的下达。数据分析处理模块104用于将获得的工作状态数据和环境状态数据按照上述数据格式整合为本地状态数据列表，在数据存储器105中加以存储。数据存储器105还存储用电计量模块101所生成的各个用电量计量值，以及存储更新的用户购电余额数值C。进而，数据分析处理模块104基于所存储的本地状态数据列表、用电量计量值以及用户购电余额数值C，执行对这些数据的分析运算，例如下面将要介绍的本地用电模式分类等，获得分析结果数据。抄表专网通信模块106用于基于抄表专网适用的通信协议，接入远程抄表专用网络4，与远程用电控制中心5进行双向数据通信，从而完成将用电量计量值E以及本地状态数据列表上传给远程用电控制中心5，获得远程用电控制中心5下发的用户购电余额数值C以及远程用电控制指令等通信过程。本地用电控制模块107基于数据分析处理模块104的分析结果数据，以及基于所获得的远程用电控制指令，生成本地用电控制指令。
2.3远程用电控制中心
远程用电控制中心5是供电公司面向一定地理范围(例如一个县乡、一个城区)辖区内的居民生活用电需求而设立的网络系统。该远程用电控制中心5的功能包括：
(1)通过所述远程抄表专用网络4获得辖区范围内的各个电能表1所上传的所述用电量计量值E以及本地状态数据列表，对以上数据进行记录和管理。
(2)通过通信网关接入互联网以及移动通信网，从而通过这些网络与用户终端设备6(例如手机、电脑等)进行通信；获得用户终端设备6发送的服务请求，响应该服务请求；或者，主动向用户终端设备推送服务消息。
(3)统计和分析全部电能表1的用电量计量值E以及本地状态数据列表，生成宏观用电预测管理数据。
(4)通过供电公司的调控专用通信网络，获得上级供电单位下发的用电调控数据。
(5)根据用户的远程用电控制服务请求、宏观用电预测管理数据、上级用电调控数据中的一个或多个，生成远程用电控制指令并下发至作为控制目标的一个或者多个电能表1。
远程用电控制中心的模块如图5所示，包括：抄表专网通信服务器501、数据存储服务器502、用户接口服务器503、网络通信网关504、数据分析服务器505、调控专网接口506、远程控制服务器507。
所述抄表专网通信服务器501负责远程用电控制中心5在远程抄表专用网络4上的数据收发，包括对用电量计量值E以及本地状态数据列表的接收，以及对远程用电控制指令、用户购电余额数值C的下达。
数据存储服务器502负责远程用电控制中心的用电管理相关信息数据的存储；该服务器上建立用电管理数据库和购电管理数据库，前者负责对所接收的用电量计量值E以及本地状态数据列表的存储、调取和更新管理，后者负责对用户购电交易历史、支付状态和用户购电余额数值C的存储、调取和管理。
用户接口服务器503经由网络通信网关504接入互联网以及移动通信网，负责经由互联网或者移动通信网与用户终端设备6的通信。用户接口服务器503获得用户终端设备6发送的服务请求，并响应该服务请求。具体来说：(1)用户接口服务器503根据用户终端设备6发来的查询服务请求，可提供实时用电量查询、购电余额查询、终端设备状态查询和环境状态查询，响应这些查询服务请求而调取数据存储服务器502记录的最新用电量计量值、最新用户购电余额数值以及本地状态数据列表记录的工作状态数据和环境状态数据，并将查询结果反馈给用户终端设备6；(2)用户接口服务器503根据网上购电服务请求，更新用户的用户购电余额数值，并将该用户购电余额数值发送至电能表，以更新电能表端的用户购电余额数值；(3)用户接口服务器503响应用户终端设备6发来的远程用电控制服务请求，将该请求转送至远程控制服务器507以便生成并向电能表1发送远程用电控制指令。用户接口服务器503也可以主动向用户终端设备6推送服务消息，例如提示余额不足。
数据分析服务器505通过数据存储服务器502调取辖区内全部电能表1的用电量计量值E以及本地状态数据列表进行统计和分析，生成宏观用电预测管理数据。
调控专网接口506连接供电公司内部的调控专用通信网络，并经该网络获得上级供电单位下发的用电调控数据。
远程控制服务器507根据用户的远程用电控制服务请求、宏观用电预测管理数据、上级用电调控数据中的一个或多个，生成远程用电控制指令，并通过远程抄表专用网络下发至作为控制目标的一个或者多个电能表1。
3.本地及远程用电智能化控制功能的实现方式
在以上架构的基础之上，电能表作为覆盖用电家庭的智能用电物联网当中的本地用电控制中心，可针对本地用电的各种实际状况和需求，以及来自远程用电控制中心的远程用电控制指令，对智能用电物联网内的智能终端设备的工作状态进行本地及远程的智能化控制，调节本地用电量。远程用电控制中心可以根据用户的远程命令、对本辖区用电量的宏观预测以及上级单位的调控要求，结合远程控制权限，向电能表下达远程用电控制指令。下面介绍在以上架构基础上本发明能够实现的典型功能及其流程。
3.1本地用电模式的自动分类识别
步骤1：电能表通过用电计量模块计量当前时刻之前的一个单位时间段内产生的用电量，作为当前用电量计量值。例如，当前时刻18:00，单位时间段为30分钟，即将每30分钟的用电量作为一个计量值，则计量17:30-18:00期间产生的用电量作为当前用电量计量值Ei。
电能表通过本地物联通信模块获得该单位时间段内智能用电物联网内的各个智能终端设备的工作状态数据；电能表还通过本地物联通信模块获得该单位时间段内智能用电物联网内各个传感器系统检测数据的平均值，作为环境状态数据；电能表将上述工作状态数据与环境状态数据整合为当前的本地状态数据列表。其中，如果在该单位时间段内某个智能终端设备的工作状态数据发生了变化，则以该单位时间段内持续时间较长的工作状态数据为准记录于所述本地状态数据列表。例如空调在17:30-17:55处于开状态，17:56-18:00处于关状态，则在本地状态数据列表中记录为开状态，即“SA：1”，以及记录相应的温度设置数据和风速设置数据，即“TA：25”和“WA：2”。相反，空气净化器17:30-17:37处于开状态，17:38-18:00处于关状态，则在本地状态数据列表中记录为关状态，即“SC：0”；对于处于关状态的智能终端设备，将其其它状态数据均记为一个特殊值F；例如，该空气净化器将风档设置数据记录为“WC：F”。
电能表将上述用电量计量值以及本地状态数据列表相关联地存储在数据存储器当中，作为一项记录。
步骤2，电能表的数据分析处理模块基于过去一个历史周期内存储的全部用电量计量值的记录，运用自动聚类算法，将这些用电量计量值自动归入若干个用电量聚类。
具体来说，考虑到用电量的季节变化属性，可以将过去30天作为一个历史周期，提取过去30天记录的全部用电量计量值，设共n个用电量计量值，计为Ei-n,Ei-n+1...,Ei；预设将这些用电量计量值归入k个用电量聚类，则从n个用电量计量值中任意选取k个值作为初始的聚类中心，计为Ec1,Ec2,......,Eck；计算Ei-n,Ei-n+1...,Ei中每个用电量计量值与Ec1,Ec2,......,Eck中每个聚类中心的距离值Vi-Ck＝|Ei-Eck|，进而将Ei-n,Ei-n+1...,Ei中的每个用电量计量值分配给Ec1,Ec2,......,Eck当中与之距离最近的聚类中心所属的聚类；然后再重新计算每个聚类的聚类中心，该重新计算的聚类中心为最接近每个聚类的用电量计量值平均值的用电量计量值；然后计算Ei-n,Ei-n+1...,Ei中每个用电量计量值与重新计算的聚类中心的距离值，并根据距离值将Ei-n,Ei-n+1...,Ei中的每个用电量计量值重新分配给与之距离最近的聚类中心所属的聚类；然后再次更新聚类中心；迭代以上过程，直至更新后聚类中心不再发生变化。
步骤3，根据最终形成的k个用电量聚类，统计每个聚类中包含的用电量计量值的分布区间；以及，获得当前用电量计量值Ei所属聚类及该聚类所对应的用电量计量值分布区间。
3.2用电量超限状态下的本地用电控制
电能表对本地用电模式的自动分类识别是其对本地用电实现智能化控制调节的基础。在此基础上，电能表可以在当前超出预定用电量门限值的状态下，对本地用电执行智能控制。
步骤1，电能表获得当前用电量计量值Ei，并且将该当前用电量计量值Ei与一预定用电量门限值Eth相比较；当Ei高于用电量门限值Eth时，则启动对用电量的本地控制。这里所提到的预定用电量门限值Eth可以是用户自行设置的，例如用户可以自行制订一个每月电费上限额并发送给远程用电控制中心的用户接口服务器503，本系统的远程用电控制中心根据该每月电费上限额以及当前阶梯电价情况，确定每日各时段对应的预定用电量门限值Eth，并将该门限值传输给电能表。该预定用电量门限值Eth也可以由电能表根据本地用电状况、用户远程命令以及用户购电余额数值C等因素而自行确定，在下文中将就其中的一些典型情况予以专门介绍。
步骤2，在Ei高于用电量门限值Eth时，电能表获得上文提到的k个用电量聚类各自用电量计量值分布区间；首先判断当前用电量计量值属于的用电量聚类对应的用电量计量值分布区间中是否存在低于用电量门限值Eth的部分，如果存在则进行步骤3；反之，如果当前用电量计量值属于的用电量聚类对应的用电量计量值分布区间均高于用电量门限值Eth，则转至执行步骤4。
步骤3，从当前用电量计量值属于的用电量聚类当中，提取全部低于Eth的用电量计量值。获得当前用电量计量值以及所提取的用电量计量值各自对应的本地状态数据列表，根据本地状态数据列表当中记录的工作状态数据和环境状态数据，结合预定的状态类型权重值，计算每个所提取的用电量计量值与当前用电量计量值的状态差异度。
具体来说，某个用电量计量值Ek与当前用电量计量值Ei的状态差异度如下计算：
Dk-i＝α1·|WS1k-WS1i|+α2·|WS2k-WS2i|......+αj·|WSjk-WSji|+
αj+1·|ES1k-ES1i|+αj+2·|ES2k-ES2i|......+αj+g·|ESgk-ESgi|
其中，Dk-i表示用电量计量值Ek与当前用电量计量值Ei的状态差异度；WS1k、WS1i表示用电量计量值Ek、Ei各自对应的本地状态数据列表当中第一类型的工作状态数据的取值，例如，第一类型的工作状态数据是智能空调的TA，则WS1k、WS1i表示Ek、Ei各自对应的本地状态数据列表当中TA的取值，如果在本地状态数据列表当中TA取值为F，则将工作状态数据的取值取为一个预定的固定值；同理，WS2k、WS2i表示用电量计量值Ek、Ei各自对应的本地状态数据列表当中第二类型的工作状态数据的取值；以此类推，直至包括全部j个类型的工作状态数据；ES1k、ES1i表示用电量计量值Ek、Ei各自对应的本地状态数据列表当中第一类型环境状态数据的取值，例如，第一类型环境状态数据为RT，则ES1k、ES1i表示用电量计量值Ek、Ei各自对应的本地状态数据列表当中RT的取值；同理，以此类推直到包括全部g个类型的环境状态数据；α1至αj+g表示的是状态类型权重值，该权重值的大小与工作状态数据和环境状态数据的类型相关，例如智能空调中TA的权重值可大于WA，照明调光智能开关的WL的权重值可大于空气净化器的风档设置数据WC的权重值。步骤3执行之后，转至步骤5。
步骤4，从k个用电量聚类当中获得用电量计量值分布区间低于用电量门限值Eth的聚类，获得这些聚类中的用电量计量值。计算当前用电量计量值与这些聚类中的用电量计量值的状态差异度。计算完成后转至步骤5。
步骤5，根据步骤3或者步骤4中计算的状态差异度，选取与当前用电量计量值状态差异度最小的用电量计量值，将该状态差异度最小的用电量计量值对应的本地状态数据列表中记录的各个工作状态数据作为工作状态参照数据，产生命令智能终端设备将其工作状态数据调整为与工作状态参照数据相同的本地用电控制指令。
3.3购电余额不足状态下的本地用电控制
在3.2所介绍的用电量超限状态下的本地用电控制的方式，电能表获得实时更新的用户购电余额数值C。当用户购电余额数值C不足一个预定的余额值时，则电能表根据余额C的大小，设置一个预定用电量门限值Eth，再基于预定用电量门限值Eth，判断当前用电量计量值是否超限，如果超限则展开3.2所述的本地用电控制。
3.4响应用户远程命令的用电控制
如上文所述，用户可利用远程用电控制中心提供的查询服务功能，进行实时用电量查询、购电余额查询、终端设备状态查询和环境状态查询。进而，用户可以针对某一个具体的智能终端设备，发起远程用电控制服务请求，例如请求升高或者降低智能空调的TA值。远程用电控制中心的远程控制服务器507根据用户的该远程用电控制服务请求，生成命令升高或者降低TA值的远程用电控制指令，并通过远程抄表专用网络下发至作为控制目标的电能表1。进而，电能表1根据该升高或者降低TA值的远程用电控制指令，转化为相对应的升高或者降低TA值的本地用电控制指令，并将该本地用电控制指令发送给智能空调。
本系统还可以实现对用户远程用电控制服务请求的自适应响应机制。具体来说，假设用户通过远程用电控制中心提供的查询服务功能，发现当前实时用电量过高，则用户可以发起降低用电量的远程用电控制服务请求，该请求并不针对任何具体的智能终端设备，只是提出将用电量计量值下调到一个更低的数值。远程用电控制中心根据该请求，向电能表发送远程用电控制指令，该指令包含该更低的用电量计量值的数值。电能表根据远程用电控制指令，将该更低的用电量计量值设置为预定用电量门限值Eth，再基于预定用电量门限值Eth，判断当前用电量计量值是否超限，如果超限则展开3.2所述的本地用电控制，最终生成本地用电控制指令下发给对应的智能终端设备。
3.5宏观用电预测基础上或响应上级用电调控的远程用电控制
如上文所述，远程用电控制中心可以统计辖区内全部电能表1上报的用电量计量值E以及本地状态数据列表，从而生成宏观用电预测管理数据。具体来说，远程用电控制中心可以累加全部电能表1上报的用电量计量值，获得最近半小时内的总用电量，并且与更早时间段上统计的总用电量进行比较，分析宏观用电量的变化趋势是上升还是下降。或者，远程用电控制中心可以基于全部电能表1上报的本地状态数据列表，分析空调、热水器等主要耗电品的开机率变化趋势，并基于此预测宏观用电量。当预测宏观用电量过高而希望降低本辖区宏观用电量的情况下，和/或，上级单位的调控要求降低本辖区的宏观用电量的情况下，远程用电控制中心可以结合远程控制权限，向其有权限控制用电量的辖区内电能表(例如隶属于公共建筑或住宅公共部分而非个人家庭部分的电能表)下达降低用电量的远程用电控制指令。电能表根据该远程用电控制指令，将更低的用电量计量值设置为预定用电量门限值Eth，再基于预定用电量门限值Eth，判断当前用电量计量值是否超限，如果超限则展开3.2所述的本地用电控制，最终生成本地用电控制指令下发给对应的智能终端设备。
综上所述，本发明在远程抄表系统的基础功能之上，在用电智能控制方面有了本质性的提升。本发明基于物联网技术，组建了覆盖用电家庭的智能用电物联网，其中，将具备与智能终端以及传感器系统互联互通能力的电能表作为本地用电控制中心，可针对本地用电的各种实际状况和需求，以及来自远程用电控制中心的远程用电控制指令，对智能用电物联网内的智能终端设备的工作状态进行本地及远程的智能化控制，可以实现在余额不足的情况下自动调低用电量、根据用户远程指令而自适应调节用电量等等先进的功能和服务。
以上描述中的尺寸和数量均仅为参考性的，本领域技术人员可根据实际需要选择适当的应用尺寸，而不脱离本发明的范围。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于物联网平台的电能表远程抄表系统，其特征在于，包括：电能表、智能终端设备、传感器系统、远程抄表专用网络、远程用电控制中心；
其中，所述电能表基于ZigBee等物联网协议与智能终端设备和传感器系统互联，组成智能用电物联网；电能表通过远程抄表专用网络与远程用电控制中心进行双向数据通信；远程用电控制中心接入互联网，并且通过互联网与用户终端设备实现网络联通；
所述智能终端设备用于产生工作状态数据，并且通过所述智能用电物联网将工作状态数据传输给电能表，智能终端设备通过所述智能用电物联网获得由电能表下发的本地用电控制指令，根据本地用电控制指令调节自身的工作状态；
传感器系统通过感应环境状态，生成环境状态数据，通过所述智能用电物联网将环境状态数据传输给电能表；
电能表用于通过实时计量用电量产生用电量计量值；并且将所述智能用电物联网内的各个智能终端设备和传感器系统上传的所述工作状态数据和环境状态数据整合为本地状态数据列表加以存储；通过所述远程抄表专用网络将用电量计量值以及本地状态数据列表上传给远程用电控制中心，获得远程用电控制中心下发的用户购电余额数值以及远程用电控制指令；根据所述本地状态数据列表、用电量计量值、购电余额数值以及远程用电控制指令当中的一个或多个，生成所述本地用电控制指令，并向智能终端设备下达本地用电控制指令；
远程用电控制中心用于通过所述远程抄表专用网络获得辖区范围内的各个电能表所上传的所述用电量计量值以及本地状态数据列表，并进行存储；获得用户终端设备发送的服务请求并响应该服务请求，和/或主动向用户终端设备推送服务消息；统计和分析辖区范围内全部电能表的用电量计量值以及本地状态数据列表，生成宏观用电预测管理数据；通过供电公司的调控专用通信网络获得上级供电单位下发的用电调控数据；根据用户的服务请求、宏观用电预测管理数据、上级用电调控数据中的一个或多个，生成远程用电控制指令并下发至作为控制目标的一个或者多个电能表；
所述电能表用于基于用电量计量值进行本地用电模式的自动分类识别，具体包括：
步骤1.1：电能表计量当前时刻之前的一个单位时间段内产生的用电量，作为当前用电量计量值；电能表存储用电量计量值以及与用电量计量值相关联的本地状态数据列表；
步骤2.1：电能表基于过去一个历史周期内存储的全部用电量计量值的记录，运用自动聚类算法，将这些用电量计量值自动归入若干个用电量聚类；
步骤3.1:电能表根据最终形成的用电量聚类，统计每个聚类中包含的用电量计量值的分布区间；以及，获得所述当前用电量计量值所属聚类及该聚类所对应的用电量计量值分布区间；
电能表在当前用电量计量值超出预定用电量门限值的状态下，对本地用电执行如下智能控制：
步骤1.2，电能表获得当前用电量计量值，并且将该当前用电量计量值与一预定用电量门限值相比较；当当前用电量计量值高于用电量门限值时，则启动本地用电控制；
步骤2.2，电能表获得用电量聚类各自的用电量计量值分布区间；首先判断当前用电量计量值属于的用电量聚类对应的用电量计量值分布区间中是否存在低于用电量门限值的部分，如果存在则进行步骤3.2；反之，如果当前用电量计量值属于的用电量聚类对应的用电量计量值分布区间均高于用电量门限值，则转至执行步骤4.2；
步骤3.2，从当前用电量计量值所属于的用电量聚类当中，提取低于用电量门限值的全部用电量计量值；获得当前用电量计量值以及所提取的用电量计量值各自对应的本地状态数据列表，根据本地状态数据列表当中记录的工作状态数据和环境状态数据，结合预定的状态类型权重值，计算每个所提取的用电量计量值与当前用电量计量值的状态差异度；然后执行步骤5.2；
步骤4.2，从用电量聚类当中获得用电量计量值分布区间低于用电量门限值的聚类，获得这些聚类中的用电量计量值；根据当前用电量计量值与这些聚类中的用电量计量值各自对应的本地状态数据列表当中记录的工作状态数据和环境状态数据，结合预定的状态类型权重值，计算状态差异度；然后执行步骤5.2；
步骤5.2，根据步骤3.2或者步骤4.2中计算的状态差异度，选取与当前用电量计量值状态差异度最小的用电量计量值，将该状态差异度最小的用电量计量值对应的本地状态数据列表中记录的各个工作状态数据作为工作状态参照数据，产生命令智能终端设备将其工作状态数据调整为与工作状态参照数据相同的本地用电控制指令。
2.根据权利要求1所述的电能表远程抄表系统，其特征在于，所述电能表具体包括：用电计量模块、供电开关控制器、本地物联通信模块、数据分析处理模块、数据存储器、抄表专网通信模块、本地用电控制模块；其中：
用电计量模块每隔预定长度的时间段计量出在该时间段内的用电量，生成用电量计量值，以及实时更新用户购电余额数值；
供电开关控制器用于控制电能表内置的用电家庭供电总开关的开关状态；
本地物联通信模块用于基于ZigBee等物联网通信协议与智能终端设备和传感器系统进行通信，组成智能用电物联网，实现对工作状态数据和环境状态数据的获取，以及本地用电控制指令的下达；
数据分析处理模块用于将获得的工作状态数据和环境状态数据按照上述数据格式整合为本地状态数据列表，在数据存储器中加以存储；还用于基于所存储的本地状态数据列表、用电量计量值以及用户购电余额数值，执行分析运算，获得分析结果数据；
数据存储器用于存储本地状态数据列表、用电计量模块所生成的各个用电量计量值，以及更新的用户购电余额数值；
抄表专网通信模块用于接入远程抄表专用网络，与远程用电控制中心进行双向数据通信，将用电量计量值以及本地状态数据列表上传给远程用电控制中心，获得远程用电控制中心下发的用户购电余额数值以及远程用电控制指令；
本地用电控制模块用于基于数据分析处理模块的分析结果数据，以及基于所获得的远程用电控制指令，生成本地用电控制指令。
3.根据权利要求1所述的电能表远程抄表系统，其特征在于，所述远程用电控制中心包括：抄表专网通信服务器、数据存储服务器、用户接口服务器、网络通信网关、数据分析服务器、调控专网接口、远程控制服务器；其中，
所述抄表专网通信服务器用于实现在远程抄表专用网络上的数据收发，包括对用电量计量值以及本地状态数据列表的接收，以及对远程用电控制指令、用户购电余额数值的下达；
数据存储服务器用于对从各个电能表所接收的用电量计量值以及本地状态数据列表的存储和调取，以及对用户购电余额数值的存储和调取；
用户接口服务器经由所述网络通信网关接入互联网以及移动通信网，并且与用户终端设备通信；用户接口服务器获得用户终端设备发送的服务请求，并响应该服务请求；以及主动向用户终端设备推送服务消息；
数据分析服务器通过数据存储服务器调取辖区内全部电能表的用电量计量值以及本地状态数据列表进行统计和分析，生成宏观用电预测管理数据；
调控专网接口连接供电公司内部的调控专用通信网络，并经该网络获得上级供电单位下发的用电调控数据；
远程控制服务器根据用户的服务请求、宏观用电预测管理数据、上级用电调控数据中的一个或多个，生成远程用电控制指令，并通过远程抄表专用网络下发至作为控制目标的一个或者多个电能表。
4.根据权利要求3所述的电能表远程抄表系统，其特征在于，用户接口服务器根据用户终端设备发来的查询服务请求，提供实时用电量查询、购电余额查询、终端设备状态查询和环境状态查询，响应这些查询服务请求而调取数据存储服务器记录的最新用电量计量值、最新用户购电余额数值以及本地状态数据列表记录的工作状态数据和环境状态数据，并将查询结果反馈给用户终端设备；以及，用户接口服务器根据网上购电服务请求，更新用户的用户购电余额数值，并将该用户购电余额数值发送至电能表，以更新电能表端的用户购电余额数值。
5.根据权利要求3所述的电能表远程抄表系统，其特征在于，用户接口服务器响应用户终端设备发来的远程用电控制服务请求，将该请求转送至远程控制服务器；远程控制服务器响应该请求，生成并向电能表发送远程用电控制指令。
6.根据权利要求1所述的电能表远程抄表系统，其特征在于，电能表获得实时更新的用户购电余额数值；当用户购电余额数值不足一个预定的余额值时，则电能表根据用户购电余额数值的大小，设置所述预定用电量门限值。
7.根据权利要求6所述的电能表远程抄表系统，其特征在于，远程用电控制中心根据用户发起的降低用电量的远程用电控制服务请求，向电能表发送远程用电控制指令，该指令包含降低后的用电量计量值的数值；电能表根据该远程用电控制指令，将该降低后的用电量计量值设置为所述预定用电量门限值。
8.根据权利要求7所述的电能表远程抄表系统，其特征在于，远程用电控制中心根据用户针对某一个具体的智能终端设备的远程用电控制服务请求，生成调整该智能终端设备工作状态数据的远程用电控制指令，并通过远程抄表专用网络下发至作为控制目标的电能表；进而，电能表根据该远程用电控制指令，转化为相对应的调整该智能终端设备工作状态数据的本地用电控制指令，并将该本地用电控制指令发送给该智能终端设备。
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