CN108133588B - 基于实现采集指标的窄带plc用电信息采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，为保证完整高效采集台区下所有智能电表的电能数据，根据台区下智能电表总数和集中器单轮最大采集数设定采集轮次，包括采集轮次总数确定过程和采集轮次判别修改过程；为及时持续进行电能数据采集，本发明提出根据预设的采集时刻持续进行数据采集，包括实时电能数据采集过程；参考历史时刻电能数据，针对当前轮次未采集的电能数据进行数据拟合，包括读取历史时刻电能数据过程和拟合电能数据过程，最终达到提高窄带PLC用电信息采集系统的电量数据采集完整率和数据质量的目的。

Description

基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统

技术领域

本发明属于电气二次系统领域，特别的一种基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统。

背景技术

2010年11月，国家发改委、电监会、能源局等六部委联合印发《电力需求侧管理办法》，该办法的出台意味着国家电网公司“全覆盖、全采集”的要求将推广到全国电网，从而打开了用电信息采集系统的市场容量空间。未来4到5年专网终端年均需求22.5万台，公网终端年均需求90万台。在全套用电信息采集系统中，终端电表的招标建设进度是最快的，2010年实际完成量超过年初计划30％。行业投资的大幅增加以及行业快速增长，意味着用电信息采集系统行业将步入到高成长的周期。

电力线载波通信(PLC)是用电信息采集系统主要采用的通信方式，其优点主要是利用现有的电力线路作为通信线路，省去了铺设线路的成本，并且因其覆盖范围大、运行维护简单、可扩展性好等特点，但由于电力线载波通信信号易受干扰，窄带PLC采集速率低，造成采集的用户电量数据质量低。国家电网公司提供的电力用户用电信息采集系统主站软件标准化设计明确了系统采集速度，其中实时数据刷新时间不大于15分钟。工程实际中，我国仅在电力大用户方面实现了该标准，普通居民用户仅采集日冻结电量，为促进用电信息采集系统的发展需要提高普通居民用户电能数据的采集时效性，因此需要提高窄带PLC用电信息采集系统的采集效率，从而提高台区集抄的时效性，促进需求侧互动，为智能营销提供帮助。

一般来说，居民小区的一个变压器台区下智能电表的数量约为200个，电力用户用电信息采集系统主站软件标准化设计中要求用电信息采集系统采集时间周期为15分钟，但由于集中器的电能数据采集过程是一个采集点完成采集后才进入下一个采集点，实际窄带集中器15分钟约采集60个采集点的电能数据，无法满足采集需求，因此需要通过技术处理来实现电能数据采集的高效性，在不改变设备的基础上提高窄带PLC用电信息采集系统的数据采集性能。

发明内容

为增强用电信息采集系统的数据采集能力和时效性，本发明提出了基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统。

本发明提供一种基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，包括服务器、集中器、采集器、智能电表、485线和电力线，各个智能电表通过电力线连接至集中器或以485线与采集器连接再与集中器连接，集中器以无线数据传输的方式将数据传至服务器，其特征在于：在服务器端进行基于改进蚁群算法快速组网过程，并根据预设的采集时刻进行数据采集，包括进行电能数据采集轮次总数的确定过程、轮次判别修改过程和实际电能数据采集过程；针对当前采集轮次进行电能数据拟合，包括读取历史时刻电能数据过程和电能数据拟合过程；

所述基于改进蚁群算法快速组网过程，包括为获取PLC通信网络中的最小跳数，确定蚁群算法的目标函数，约束条件是每个节点能与其前后2个节点进行通信，采用蚁群算法搜索输出最终优化组网结果；所述改进蚁群算法，包括根据当前节点i到下一节点j的距离以及下一节点j到目标节点的路径长度，设置搜索中路径的期望值；

所述电能数据采集轮次总数的确定过程，包括根据智能电表的总数和集中器单轮采集智能电表的最大值来确定采集轮次总数N，并分配各轮次采集电能数据的智能电表；

所述轮次判别修改过程，用于确定当前采集时刻进行第几个采集轮次；

所述实际电能数据采集过程，包括服务器端对集中器请求当前轮次需要采集的智能电表的电能数据，集中器返回电能数据至服务器，服务器得到电能数据；

所述读取历史时刻电能数据过程，是提取智能电表的历史电能数据用于拟合实际未进行采集的电能数据；

所述拟合电能数据过程，是基于线性最小二乘法利用历史电能数据对电能数据进行拟合，保证每个采集轮次所有智能电表均有电能数据储存。

而且，所述改进蚁群算法，包括根据当前节点i到下一节点j的距离以及下一节点j到目标节点的路径长度，设置搜索中路径的期望值为

其中，D(i，j)表示当前节点i到下一节点j的距离，D(j，s)表示下一节点j到目标节点s的距离。

而且，所述轮次判别修改过程，包括以下步骤，

1)读取当前时刻采集轮次数t，若当前时刻为首次采集则初始化t为1，确定当前采集轮次进行采集的智能电表；

2)判别t是否等于采集轮次总数，若相等，则修改t值为1，下一次采集需进入新的轮次周期；若不相等，修改t＝t+1，结束采集本次轮次判别修改过程。

而且，所述拟合电能数据过程，实现方式如下，

设第i个智能电表当前时刻进行的采集轮次实际中未采集需要拟合的电能数据为P(i，t)，t为当前进行的采集轮次，则需要读取的历史电能数据为P(i，t-1)，P(i，t-2)，表示第i个智能电表储存于数据库中前两个采集或拟合的电能数据，t-1、t-2为前两个进行的采集轮次；

进行以下步骤，

1)建立线性最小二乘法模型如下，

式中，表示拟合的第i个智能电表第t个电能数据，a_i，t、b_i，t表示第i个智能电表第t个电能数据进行拟合时的待求解的参数；

2)代入读取的历史电能数据P(i，t-1)，P(i，t-2)建立关于待求解参数a_i，t、b_i，t的差值平方和等式，差值平方和取得极小值时对应参数a_i，t、b_i，t为最佳参数，采用P_t-1表示P(i，t-1)，，采用P_t-2表示P(i，t-2)；

式中，L(a_i，t，b_i，t)表示差值平方和函数；

为求得L(a_i，t，b_i，t)的极小值，L(a_i，t，b_i，t)分别对参数a_i，t、b_i，t求偏微分，得到参数a_i，t、b_i，t

3)代入参数得到拟合电能数据完成智能电表电能数据拟合，将拟合电能数据存入对应数据库中，结束电能数据拟合过程。

而且，每轮次分配的智能电表的数量尽量接近，使每轮次实际进行电能数据采集和电能数据拟合的时间相近。

而且，确定采集轮次总数N时，由台区中智能电表的数量Z和集中器每轮实际能够采集智能电表的数量T，得到采集轮次总数N，N为Z除以T的商，若商不是整数，则取整数部分后加一，确保完整采集智能电表。

本发明为解决窄带PLC用电信息采集系统的不足，首次提出基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，为满足采集时间周期的标准，提高了传统的窄带PLC用电信息采集系统的采集效率，针对采集时长难以满足用电信息采集系统理想采集频率的问题，该系统结合分轮次采集和拟合数据的方法，实现单轮次采集台区完整电能数据的效果，通过分轮次采集提高了电能数据采集的有效性，对该采集轮次未进行采集的智能电表的电量数据进行拟合后同时存入数据库中，提高了用电信息采集系统集抄功能的时效性，在满足电力需求侧管理要求的前提下实现自动，为电力系统的营销提供了重要帮助，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为现有技术的用电信息采集系统总体架构图。

图2为本发明实施例的数据处理过程原理图。

图3为本发明实施例的改进蚁群算法流程图。

图4为本发明实施例的采集轮次总数确定流程图。

图5为本发明实施例的采集轮次判别修改流程图。

图6为本发明实施例的电能数据拟合流程图。

具体实施方式

为简单明了地表述本发明目的及技术方案，以下结合附图及实施例加以说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为提高用电信息采集系统集抄功能的时效性，促进电力系统营销的发展，本发明实施例提出了基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，形成高采集效率的窄带PLC用电信息采集系统，系统总体架构图如图1所示，用电信息采集系统包括服务器、集中器、智能电表、采集器、用以传输弱信号的485线和用以传输电能和信号的电力线，各个智能电表经过电力线连接至集中器或以485线与采集器连接再与集中器连接，集中器通过GPRS无线数据传输连接到服务器。具体实施时可采用软件方式在服务器端实现该方法，通过多轮次采集不同智能电表的电能数据并进行数据拟合，提高了用电信息采集系统现有的采集效率，提供更加完善的数据电力营销参考。

参见图2，本发明实施例所提供方法的基本过程包括：基于蚁群算法快速组网、采集轮次总数确定、采集轮次判别、实时电能数据采集、读取历史时刻电能数据、拟合电能数据，将实际电能数据和拟合电能数据存入数据库，供营销人员参考。

针对低压电力线通信的特性和组网要求，本发明提出首先进行基于蚁群算法快速组网过程；为保证完整高效采集台区下所有智能电表的电能数据，本发明提出根据台区下智能电表总数和集中器单轮最大采集数设定采集轮次，包括采集轮次总数确定过程和采集轮次判别修改过程；为及时持续进行电能数据采集，本发明提出根据预设的采集时刻持续进行数据采集，包括实时电能数据采集过程；参考历史时刻电能数据，针对当前轮次未采集的电能数据进行数据拟合，包括读取历史时刻电能数据过程和拟合电能数据过程。

所述基于蚁群算法快速组网过程，是为了确定集中器和智能电表间的通信链路，确保整个通信网络可以正常通信，通信链路确定后集中器或电表间才能保证互相联通进行通信获取到电表的数据，包括以下步骤，

1)确保蚁群算法的目标函数，为获取PLC通信网络中的最小跳数，跳数指两节点之间实现通信过程数据被转发的次数，故目标函数表示如下：

式中，min N_K(X)表示取得中心节点到目的节点K的跳数的最小值，中心节点即本发明中的集中器，目的节点即本发明中的智能电表，约束条件是每个节点能与其前后2个节点进行通信，s.t.表示约束距离，x_i表示第i个节点，x_j表示第j个节点，X表示为节点集合，x₁,x₂,…,x_N表示节点集合中的第1,2，…N个节点；

2)初始化蚁群算法参数，包括初始信息素τ_ij、蚂蚁总数m、信息素量启发因子α、期望启发式因子β、信息素的衰减系数ξ，其中信息素量启发因子α是两节点之间距离的倒数，期望启发式因子β表示不同路径的相对重要程度，同时为避免初始信息素浓度引起群体失智现象，初始信息素设定含量相等为常数；本发明为保证组网的速度和可靠性，设定初始信息素τ_ij＝10、蚂蚁总数m＝16、期望启发式因子β＝4、衰减系数ξ＝0.53；

3)蚂蚁根据各节点间转移概率开始全局范围搜索，寻找通信链路，并记录蚂蚁所走过路线，根据路径进行信息素局部更新和全局更新，其中，

第t次搜索中，传统的蚁群算法求取路径的期望值η_ij(t)为当前节点i到下一节点j的距离反比，改进蚁群算法求取路径的期望值η_ij(t)同时考虑下一节点j到目标节点的路径长度，蚂蚁k从节点i转移到节点j的概率为

其中，D(i,j)表示当前节点i到下一节点j的距离，D(j,s)表示下一节点j到目标节点s的距离，j_k(i)表示蚂蚁k在节点i可以经过的节点；

信息素局部更新如下，

τ_ij＝(1-ξ)τ_ij (3)

其中，τ_ij为点(i,j)上所带的信息素，ξ为信息素的衰减系数。

τ_ij(t+1)＝(1-ξ)τ_ij(t)+ξΔτ_ij(t) (4)

其中，表示第k只蚂蚁在本次搜索中在ij节点间路径上残留的信息素，Q为常数，L_k表示第k只蚂蚁在本次搜索中所走过路径长度；

4)判断本次通信链路是否满足约束条件，满足则进入5)，否则返回2)；

5)输出最终优化组网结果，结束基于蚁群算法快速组网过程。

本发明进一步提出，等时间间距设定采集时刻，可以获得典型具有参考价值的电能数据。具体实施时，本领域技术人员可预设数据的采集时刻，优选地：每十五分钟采集一次，每天00:15为第一个采集时刻、24:00为第96个采集时刻。

所述采集轮次总数确定过程是确定服务器完成台区下所有智能电表所需的轮次总数，由于以15分钟的时间间距进行采集，集中器无法完成台区下所有智能电表电能数据的采集，因此本发明提出采用多轮次采集电能数据，采集轮次总数流程如图4所示，其具体过程如下所述。

1)首先，读入该台区下智能电表的总数Z和集中器单轮采集智能电表的最大值C，并计算N＝Z/C。

2)然后，由于轮次总数必为整数，因此先对N值进行判断。若N非整数，则取其整数部分并加1后将该数值赋值给变量T，以确保T为整数且可完整采集台区下所有智能电表，进入4)，否则N为整数，则取直接将该数值赋值给变量T，进入3)。

3)每轮次进行采集的智能电表按照集中器单轮采集智能电表的最大值C分配，采集轮次总数确定为T，具体为第一轮采集前C个智能电表的电能数据，第二轮采集C+1到2C个智能电表，以此类推直至第T轮，结束采集轮次总数确定过程。

4)由于N非整数，实际每轮次采集的智能电表数量无法按集中器单轮采集最大值C进行分配，需要根据T值来分配，具体分配原则：计算Z/T，若结果为整数，则每轮次进行采集的智能电表按照该结果分配，采集轮次总数确定为T，结束采集轮次总数确定过程；若结果不是整数，则取其整数部分加1，记为值A，前a轮次按照该值A分配每轮进行采集的智能电表数量，后b轮次按照Z/T的整数部分B分配每轮采集的智能电表数量，，最终a、b满足以下约束条件，即求解式(7)式(8)所组成的方程组可得a、b的值：

T＝a+b (7)

Z＝a×A+b×B (8)

式中，A表示Z/T非整数时取其整数加1，B表示Z/T非整数时取其整数。

所述采集轮次判别修改过程是用于确定当前采集时刻进行第几个采集轮次，并修改采集轮次数t为下一轮次采集准备，采集轮次数t是用于判断当前时刻需要进行的采集轮次，其中采集轮次特征值t为整数，且1≤t≤T，t表示当次采集进行第t个采集轮次，判别修改流程图如图5，具体过程如下，

1)读取当前时刻采集轮次数t，若当前时刻为首次采集则初始化t为1，确定当前采集轮次进行采集的智能电表。

2)判别t是否等于采集轮次总数，若相等，则修改t值为1，即当次采集对应的采集轮次为最后一轮，下一次采集需进入新的轮次周期，否则继续增加t值会超过采集轮次总数；若不相等，表明当次采集对应的采集轮次未到最后一轮，仍需增加t值才可完成当前轮次周期，则修改t值为t+1，结束采集本次轮次判别修改过程。

例如T＝4，第1次采集的点数为49，第2次采集的点数为49，第3次采集的点数为49，第4次采集的点数为48。通过采集轮次判别修改过程，可以保证确定当前采集时刻进行的采集轮次。

所述实际电能数据采集过程是对当前采集轮次数t对应的智能电表进行电能数据采集，获取智能电表实际的电能数据，供拟合过程参考，具体过程是：服务器端通过GPRS无线数据传输向集中器发送该采集轮次对应智能电表的电能数据请求指令，集中器收到指令后通过电力线载波通信向对应的智能电表请求电能数据，指令到达对应地址的智能电表后，智能电表再以电力线载波通信的方式返回智能电表的电能数据至集中器，集中器最终将电能数据返回服务器，服务器获得电能数据后存入数据库中供查询。实施例中，某次采集的电能数据记为P(i，t)。电能数据是累加递增变化的过程，1号智能电表第一次采集的电能数据为P(1，1)，第二次采集的电能数据为P(1，2)，以此类推。

所述读取历史时刻电能数据过程是提取智能电表的历史电能数据用于拟合实际未进行采集的电能数据，利用储存于数据库中智能电表的历史电能数据实现对当前采集轮次实际未进行采集的智能电表的数据进行拟合，具体读取数据库中电能数据如下，设第i个智能电表当前时刻进行的采集轮次实际中未采集需要拟合的电能数据为P(i，t)，t为当前进行的采集轮次，则需要读取的历史电能数据为P(i，t-1)，P(i，t-2)，即第i个智能电表储存于数据库中前两个采集或拟合的电能数据，t-1、t-2为前两个进行的采集轮次，最终读取的历史电能数据为所有智能电表上述的历史电能数据，除当前时刻进行的采集轮次中实际进行电能采集的智能电表。

所述拟合电能数据过程是基于线性最小二乘法利用历史电能数据对电能数据进行拟合，保证每个采集轮次所有智能电表均有电能数据储存于数据库中，提高采集时效性和提供数据供参考，先利用历史电能数据建立线性最小二乘法的等式约束关系，而后计算得到线性最小二乘法的模型参数，最终将参数代入模型中得到所需的拟合电能数据，拟合流程图如图6，其具体过程如下所述，

1)线性最小二乘法模型如下，

式中，表示拟合的第i个智能电表第t个电能数据，a_i，t、b_i，t表示第i个智能电表第t个电能数据进行拟合时的待求解的参数。

2)代入读取的历史电能数据P(i，t-1)，P(i，t-2)建立关于待求解参数a_i，t、b_i，t的差值平方和等式，差值平方和取得极小值时对应参数a_i，t、b_i，t即最佳参数，采用P_t-1表示P(i，t-1)，，采用P_t-2表示P(i，t-2)；

式中，L(a_i，t，b_i，t)表示差值平方和函数，t-2和t-1为读取的历史电能数据，P(i，t-1)，P(i，t-2)对应的电能数据的序号。

为求得L(a_i，t，b_i，t)的极小值，L(a_i，t，b_i，t)分别对参数a_i，t、b_i，t求偏微分并取零得

式中，表示函数L(a_i，t，b_i，t)对参数a_i，t的偏微分、表示函数L(a_i，t，b_i，t)对参数b_i，t的偏微分。

得到参数a_i，t、b_i，t如下，

3)最后，将式(12)结果代入式(9)中即可得到关于拟合的线性最小二乘法模型，代入t可得拟合的第i个智能电表第t个电能数据同时将拟合电能数据储存于数据库中，结束对第i个智能电表当前采集轮次拟合电能数据过程。

结束拟合电能数据过程后，可以在下一采集时刻到达前，返回执行采集轮次判别修改过程、实际电能数据采集过程、读取历史时刻电能数据过程、拟合电能数据过程，即针对新的采集时刻进行新一轮次的电能数据采集和拟合。

该系统实际运行采集轮次划分情况如表1所示，某日每轮时间如下表2所示，其中实际采集点数指该时段实际采集的窄带智能电表数量，拟合点数指该时段拟合电能数据的窄带智能电表数量。

表1采集轮次情况

表2实际运行时间表

具体实施时，以上方法可通过计算机软件技术实现自动运行。还可以将其集成于服务器、集中器、智能电表及电力线所构成基本的窄带PLC用电信息采集系统中，形成基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，提高窄带PLC用电信息采集系统的集抄功能的时效性，促进电力智能营销的发展。

Claims (6)

1.一种基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，包括服务器、集中器、采集器、智能电表、485线和电力线，各个智能电表通过电力线连接至集中器或以485线与采集器连接再与集中器连接，集中器以无线数据传输的方式将数据传至服务器，其特征在于：在服务器端进行基于改进蚁群算法快速组网过程，并根据预设的采集时刻进行数据采集，包括进行电能数据采集轮次总数的确定过程、轮次判别修改过程和实际电能数据采集过程；针对当前采集轮次进行电能数据拟合，包括读取历史时刻电能数据过程和电能数据拟合过程；

所述基于改进蚁群算法快速组网过程，包括为获取PLC通信网络中的最小跳数，确定蚁群算法的目标函数，约束条件是每个节点能与其前后2个节点进行通信，采用蚁群算法搜索输出最终优化组网结果；所述改进蚁群算法，包括根据当前节点i到下一节点j的距离以及下一节点j到目标节点的路径长度，设置搜索中路径的期望值；

所述电能数据采集轮次总数的确定过程，包括根据智能电表的总数和集中器单轮采集智能电表的最大值来确定采集轮次总数N，并分配各轮次采集电能数据的智能电表；

所述轮次判别修改过程，用于确定当前采集时刻进行第几个采集轮次；

所述实际电能数据采集过程，包括服务器端对集中器请求当前轮次需要采集的智能电表的电能数据，集中器返回电能数据至服务器，服务器得到电能数据；

所述读取历史时刻电能数据过程，是提取智能电表的历史电能数据用于拟合实际未进行采集的电能数据；

所述拟合电能数据过程，是基于线性最小二乘法利用历史电能数据对电能数据进行拟合，保证每个采集轮次所有智能电表均有电能数据储存。

2.根据权利要求1所述基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，其特征在于：所述改进蚁群算法，包括根据当前节点i到下一节点j的距离以及下一节点j到目标节点的路径长度，设置搜索中路径的期望值为其中，D(i,j)表示当前节点i到下一节点j的距离，D(j,s)表示下一节点j到目标节点s的距离。

3.根据权利要求1所述基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，其特征在于：所述轮次判别修改过程，包括以下步骤，

1)读取当前时刻采集轮次数t，若当前时刻为首次采集则初始化t为1，确定当前采集轮次进行采集的智能电表；

2)判别t是否等于采集轮次总数，若相等，则修改t值为1，下一次采集需进入新的轮次周期；若不相等，修改t＝t+1，结束采集本次轮次判别修改过程。

4.根据权利要求1所述基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，其特征在于：所述拟合电能数据过程，实现方式如下，

设第i个智能电表当前时刻进行的采集轮次实际中未采集需要拟合的电能数据为P(i,t)，t为当前进行的采集轮次，则需要读取的历史电能数据为P(i,t-1),P(i,t-2)，表示第i个智能电表储存于数据库中前两个采集或拟合的电能数据，t-1、t-2为前两个进行的采集轮次；进行以下步骤，

1)建立线性最小二乘法模型如下，

式中，表示拟合的第i个智能电表第t个电能数据，a_i,t、b_i,t表示第i个智能电表第t个电能数据进行拟合时的待求解的参数；

2)代入读取的历史电能数据P(i,t-1),P(i,t-2)建立关于待求解参数a_i,t、b_i,t的差值平方和等式，差值平方和取得极小值时对应参数a_i,t、b_i,t为最佳参数，采用P_t-1表示P(i,t-1)，采用P_t-2表示P(i,t-2)；

式中，L(a_i,t,b_i,t)表示差值平方和函数；

为求得L(a_i,t,b_i,t)的极小值，L(a_i,t,b_i,t)分别对参数a_i,t、b_i,t求偏微分，得到参数a_i,t、b_i,t

3)代入参数得到拟合电能数据完成智能电表电能数据拟合，将拟合电能数据存入对应数据库中，结束电能数据拟合过程。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，其特征在于：每轮次分配的智能电表的数量尽量接近，使每轮次实际进行电能数据采集和电能数据拟合的时间相近。

6.根据权利要求5所述的一种基于实现采集指标的窄带PLC用电信息采集系统，其特征在于：确定采集轮次总数N时，由台区中智能电表的数量Z和集中器每轮实际能够采集智能电表的数量T，得到采集轮次总数N，N为Z除以T的商，若商不是整数，则取整数部分后加一，确保完整采集智能电表。