CN111610361A - 一种电力物联网随器量测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力物联网随器量测系统及方法，属于电能计量及智能用电技术领域,特别是一种随器量测系统及方法。该系统包括：平台层、终端层、节点层以及设备层，设备层设有随器计量单元，节点层设有电表单元，电表单元与随器计量单元通信连接，电表单元与随器计量单元组成星型网络，平台层设有主站，终端层设有集中器，集中器与主站通信连接，集中器与电表单元通信连接，随器计量单元、集中器以及电表单元均设有电力线载波通信模块，集中器与电表单元组成树形网络，电表单元至少为两个，该树形网络以集中器为主干，以电表单元为分支。本发明旨在动态感知用户用电行为、负荷特性，为用户提供用电设备安全预警、安全监控等用电侧数据服务。

Description

一种电力物联网随器量测系统及方法

技术领域

本发明属于电能计量及智能用电技术领域,特别是涉及一种随器量测系统及方法。

背景技术

当前，能源发展呈现集中式与分布式供给并存的趋势，供给关系由单向响应需求向供需多元、双向互动转变，用能模式由单一能源向多能互补、综合能效优化发展。同时，城镇化进程及电能替代战略的推进，带来了电力负荷的快速增长。部分地区的季节性、时段性缺电问题表现突出，夏季负荷高峰期电力缺口严重，仅对工业负荷进行调控已无法满足电网安全运行要求。与此同时，居民空调负荷在全部用电负荷中比重日增，峰值负荷占比可达总体负荷的30%-40%，具备巨大的可调节能力。

电网企业为应对能源消费发展新形势，进一步延伸用户负荷感知层级，实现电网与分布式能源和用户侧储能、用能等设备的灵活互动，提升电网整体能效水平，满足客户日益多样的服务需求。而目前基于电力线载波通信的用电信息采集系统仅仅深入到用户级，功能包括传统的用电信息采集业务。为了提高能源网络的综合能源服务质量，需要对于电网负载的更细节测量、统计和控制，而且不影响目前电力线载波通信的架构设计和应用。

如何实现动态感知用户用电行为，深度感知低压用户负荷特性，为用户提供用电设备安全预警、健康管理、安全监控等用电侧数据服务，进一步挖掘客户能源互联网的数据资源，充分挖掘可调负荷潜力，向电力用户、政府企业等主体提供增值服务，打造全新的家庭智慧用能服务生态圈，提升客户服务质量，推动电网能源转型，带动产业链上下游企业共同发展，为能源互联网战略提供实践依据，是摆在本领域技术人员急需解决的一道难题。

发明内容

本发明提出了一种电力物联网随器量测系统及方法，旨在动态感知用户用电行为。

本发明采用如下技术方案：

一种电力物联网随器量测系统，包括：平台层、终端层、节点层以及设备层；所述设备层用于采集用电器用电数据；所述节点层用于采集节点用电数据，并将用电器用电数据以及节点用电数据传输至终端层；所述终端层用于将节点用电数据以及用电器用电数据转发至平台层；所述平台层用于存储来自终端层的数据，并接受用户查询。

进一步地，所述设备层设有随器计量单元，所述节点层设有电表单元，所述电表单元与所述随器计量单元通信连接，所述电表单元与所述随器计量单元组成星型网络，所述星型网络以所述电表单元为核心，以所述随器计量单元为分支点；随器计量单元用于采集用电器用电数据，并将用电数据传输至电表单元。

进一步地，所述平台层设有主站，所述终端层设有集中器，所述集中器与所述主站通信连接，所述集中器与所述电表单元通信连接，所述集中器用于将来自电表单元的用电数据转发至主站，所述主站通过集中器实现对随器计量单元的数据采集、状态监测和实时控制。

进一步地，所述随器计量单元、所述集中器以及所述电表单元均设有电力线载波通信模块，所述随器计量单元与所述电表单元通过所述电力线载波通信模块通信，所述电表单元与所述随器计量单元通过所述电力线载波通信模块通信，所述所述电表单元以及所述集中器均接入电力线网络。

进一步地，所述集中器与所述电表单元组成树形网络，所述电表单元至少为两个，该树形网络以所述集中器为主干，以电表单元为分支。

进一步地，所述主站设有档案登记模块，所述档案登记模块用于接收并记录外部智能终端发送的档案信息，所述档案登记模块还用于将档案信息下发至所述集中器以及所述电表，所述档案信息包括用电器资产信息。

进一步地，所述集中器设有轮询模块，所述轮询模块向所述电表单元发送轮询命令，并接收所述电表单元周期性冻结数据。

进一步地，所述随器计量单元设有主动上报模块，所述主动上报模块接受所述随器计量单元采集的周期性冻结数据、随机触发性事件以及随机触发性状态，并将周期性冻结数据、随机触发性事件以及随机触发性状态发送至所述电表单元。

进一步地，所述随器计量模块设有用电信息采集模块、电能计量模块、谐波计量模块以及冻结模块；所述用电信息采集模块用于检测用电器的电压、电流、功率、功率因数，形成瞬时用电数据；所述电能计量模块用于检测用电器的电能消耗，形成电能消耗数据；所述谐波计量模块用于对用电器电流回路的谐波分量进行测量以及对其用电的谐波指标进行评价，形成谐波数据；所述冻结模块用于针对计量过程中特定时间点进行数据冻结，形成冻结数据；所述瞬时用电数据、所述电能消耗数据所述谐波数据以及所述冻结数据分别通过主动上报模块上报至所述电表单元。

进一步地，包括以下步骤：

步骤100：用户将户内用电器档案信息上传至主站；

步骤200：主站将档案信息下发至集中器以及电表；

步骤300：户内用电器采取主动上报方式，通过随器计量单元把用电器用电数据上报到电表单元，用电器用电数据包括：异常事件、动作事件以及周期数据；

步骤400：集中器轮询收集来自电表单元的数据，并转发至主站；

步骤500：主站存储来自集中器的数据；

步骤600：用户登录主站查询用电器用电数据。

本发明的积极效果如下：

本发明公开了一种电力物联网随器量测系统及方法，包括: 平台层、终端层、节点层以及设备层，所述设备层用于采集用电器用电数据；所述节点层用于采集节点用电数据，并将用电器用电数据以及节点用电数据传输至终端层；所述终端层用于将节点用电数据以及用电器用电数据转发至平台层；所述平台层用于存储来自终端层的数据，并接受用户查询。

1.本发明公开的电力物联网随器量测系统及方法，使能源互联网向下延伸至设备级用电信息采集，实现了对单个用电设备的用电信息进行统计分析，设备智能识别，设备用电控制，设备安全防护等。

2.本发明设计的网络架构以及网络拓扑形式，再此基础上可设计出符合物联网通信的通信协议，满足随器计量模块对各类电器设备计量和控制功能的实现，解决了家庭用能设备负荷感知数据交互接口、设计标准不统一的问题，实现了随器计量模块对用能设备的深度感知。

3.本发明确定了随器量测模块与低压用电设备之间的通信机制，实现了对家庭用能设备的即插即用和泛在接入。

4.采用本发明设计的电力物联网随器量测系统及方法，可实现对低压用户负荷的精准调控，具备用电设备信息深度感知和本地实时控制功能；可实现对居民户内用电器的快速控制，实现毫秒级响应，保障随器量测模块与低压用电设备的实时通信。

5.本发明的推广实施，可将大数据，人工智能以及云计算等先进技术应用到电力行业。最终做到从变电站级/用户级/设备级的三级采集、分析、控制，形成基于电力采集的能源互联网的完整性网络。

附图说明

图1为本发明实施方式总体框架示意图；

图2为本发明实施方式网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，一种电力物联网随器量测系统，包括：平台层、终端层、节点层以及设备层；设备层用于采集用电器用电数据；节点层用于采集节点用电数据，并将用电器用电数据以及节点用电数据传输至终端层；终端层用于将节点用电数据以及用电器用电数据转发至平台层；平台层用于存储来自终端层的数据，并接受用户查询。

进一步地，设备层设有随器计量单元，节点层设有电表单元，电表单元与随器计量单元通信连接，电表单元与随器计量单元组成星型网络，星型网络以电表单元为核心，以随器计量单元为分支点；随器计量单元用于采集用电器用电数据，并将用电数据传输至电表单元。

进一步地，平台层设有主站，终端层设有集中器，集中器与主站通信连接，集中器与电表单元通信连接，集中器用于将来自电表单元的用电数据转发至主站，主站通过集中器实现对随器计量单元的数据采集、状态监测和实时控制。

进一步地，随器计量单元、集中器以及电表单元均设有电力线载波通信模块，随器计量单元与电表单元通过电力线载波通信模块通信，电表单元与随器计量单元通过电力线载波通信模块通信，电表单元以及集中器均接入电力线网络。

进一步地，集中器与电表单元组成树形网络，电表单元至少为两个，该树形网络以集中器为主干，以电表单元为分支。

更为具体地，总体架构上，随器计量单元与电表单元以及电表单元与集中器之间通信均采用电力线载波通讯模块通信，家庭用户通过户外电表单元接入电力线网络，主站通过集中器实现对随器计量单元的数据采集、状态监测和实时控制。该系统以现有电力线载波通信网络为主干网络，电表单元和家庭用电器之间形成子网，构成星型拓扑。电表单元完成子网状态收集以及入网流程。

网络拓扑上，多个户外电表单元与一个集中器组成以集中器为主干、电表单元为分支的电力线载波通信树型网络，多个户内随器计量单元与一个电表单元组成以电表单元为核心的星型网络。最终形成基于电力线载波通信的树型主干网络+多个电力线载波通信星型子网的混合网络。集中器侧负责整个网络的管理、数据的汇集、以及与主站的交互。在具体实施方式上，主站通过集中器，按照业务优先级、避峰延迟、长帧报文优化等策略，获取电表单元及户内随器计量设备数据。

网络的节点角色划分上，考虑到在一个台区中，随器计量节点的数量可能会比智能电表的数量高一个量级，因此如果继续沿用现有的电力线载波通信网络运行机制，网络节点规模和网络运行开销将大幅度增加，载波网络将面临瘫痪。因此需要对原协议进行一些修改，其中在网络节点角色划分方面，制定如下规则：节点共划分为中央协调器CCO（Central Coordinator）本实施方式对应主站、代理协调器PCO（Proxy Coordinator）本实施方式对应集中器、站点STA（Station）本实施方式对应电表单元、以及分站点SSTA（SubStation）本实施方式对应随器计量单元，四种角色。正式节点：指的是中央协调器CCO和中央协调器CCO白名单上的节点（代理协调器PCO和站点STA）；临时节点：随器计量节点SSTA。和正式节点相比，临时节点在网络中的地位较低，电力线载波通信网络对其业务的通信保障水平比较低。

进一步地，主站设有档案登记模块，档案登记模块用于接收并记录外部智能终端发送的档案信息，档案登记模块还用于将档案信息下发至集中器以及电表，档案信息包括用电器资产信息。

进一步地，集中器设有轮询模块，轮询模块向电表单元发送轮询命令，并接收电表单元周期性冻结数据。

进一步地，随器计量单元设有主动上报模块，主动上报模块接受随器计量单元采集的周期性冻结数据、随机触发性事件以及随机触发性状态，并将周期性冻结数据、随机触发性事件以及随机触发性状态发送至电表单元。

进一步地，随器计量模块设有用电信息采集模块、电能计量模块、谐波计量模块以及冻结模块；用电信息采集模块用于检测用电器的电压、电流、功率、功率因数，形成瞬时用电数据；电能计量模块用于检测用电器的电能消耗，形成电能消耗数据；谐波计量模块用于对用电器电流回路的谐波分量进行测量以及对其用电的谐波指标进行评价，形成谐波数据；冻结模块用于针对计量过程中特定时间点进行数据冻结，形成冻结数据；瞬时用电数据、电能消耗数据谐波数据以及冻结数据分别通过主动上报模块上报至电表单元。

进一步地，嵌入式随器测量使用方法包括以下步骤：

步骤100：用户将户内用电器档案信息上传至主站；

步骤200：主站将档案信息下发至集中器以及电表；

步骤300：户内用电器采取主动上报方式，通过随器计量单元把用电器用电数据上报到电表单元，用电器用电数据包括：异常事件、动作事件以及周期数据；

步骤400：集中器轮询收集来自电表单元的数据，并转发至主站；

步骤500：主站存储来自集中器的数据；

步骤600：用户登录主站查询用电器用电数据。

更为具体地，在组网方式上，一种方式为用户参与，将户内用电器的资产如表号等信息，通过智能终端如手机操作APP上传至主站，主站将档案信息下发至集中器、电表单元。集中器采用轮循方式采集电表单元、随器计量家电（如物联网冰箱、物联网洗衣机、物联网电视，等设有随器计量单元的智能用电器）、物联网微型断路器、随器计量插座等周期性冻结数据。对于在电表单元、随器计量家电产生的异常事件、状态等信息，则通过主动上报方式。

另一种方式为，电表单元、随器计量家电（如物联网冰箱、物联网洗衣机、物联网电视，等设有随器计量单元的智能用电器）、智能微型断路器、随器计量插座板等，采取主动上报方式，把异常事件、动作事件、周期数据、按需实时断面数据等直接上报到主站系统。设备产生的周期性冻结数据、随机触发性事件、随机触发性状态根据上报任务的参数（如周期性数据1天上报一次，其余事件或状态随机触发）全部进行上报。集中器，作为边缘计算终端，将过滤后的数据上传至主站。主站在必要时可以透抄设备数据，支持电表单元的费控功能，及随器计量各个端侧用电器客户关心的数据。

随器计量单元在功能设计上，需要具备以下功能：

电压、电流、功率、功率因数：对用电器的瞬时用电指标进行测量。

双向有功无功电能计量：对用电器的电能消耗进行计量，包括正反向、有功电能和无功电能。

谐波计量：对用电器电流回路的谐波分量进行测量，对其用电的谐波指标进行评价。

冻结功能：针对计量过程中的某些事件或时间的特殊点进行相关数据的冻结。

事件上报功能：当分析到异常的用电行为，可以进行主动的事件上报。

在通信机制上，时隙机制以及信标机制相结合的方式。

时隙机制，在网络节点角色划分的基础上，对于信标中时隙的管理算法必须保持统一，站点STA（Station）以及分站点SSTA（Sub Station）报文交互在绑定载波监听多路访问CSMA（Carrier Sense Multiple Access）时隙中进行，该时隙由中央协调器CCO统一安排。站点STA（Station）报文包括发送的信标、应用层入网确认报文以及应用层业务报文。分站点SSTA（Sub Station）报文包括应用层入网请求报文以及应用层心跳信息报文。中央协调器CCO将信标周期中的时隙分配，按照统一的算法，填充到信标中的时隙分配条目，通过信标发送，通知给代理协调器PCO和站点STA。代理协调器PCO和站点STA对于信标中的时隙分配条目的解析，也同样需要遵循统一的算法。

信标机制，通信网络中有四类信标帧：中央信标帧、代理信标帧、发现信标帧和信标短帧。前三类必须要对应的信标时隙中发送，信标短帧在载波监听多路访问CSMA时隙中发送，信标时隙由中央协调器CCO进行分配，分配时指定具体的代理协调器PCO和站点STA可以使用的对应时隙。其中，中央信标和代理信标在每个信标周期内都必须发送。发现信标要求每一个站点STA从加入网络后，每170S内至少发送两个信标帧。站点STA在接收到信标帧后，一旦确定中央协调器CCO指定其在某个时隙内发送信标帧，则必须在响应的时隙内发送信标帧，若站点STA在一个信标周期内，中央协调器CCO未安排其发送信标帧，则该站点STA必须生成信标短帧。其中携带本信标周期的载波监听多路访问CSMA时隙信息，在载波监听多路访问CSMA时隙开始时，高优先级发送。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所做出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，包括：平台层、终端层、节点层以及设备层；所述设备层用于采集用电器用电数据；所述节点层用于采集节点用电数据，并将用电器用电数据以及节点用电数据传输至终端层；所述终端层用于将节点用电数据以及用电器用电数据转发至平台层；所述平台层用于存储来自终端层的数据，并接受用户查询。

2.根据权利要求1所述的一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，所述设备层设有随器计量单元，所述节点层设有电表单元，所述电表单元与所述随器计量单元通信连接，所述电表单元与所述随器计量单元组成星型网络，所述星型网络以所述电表单元为核心，以所述随器计量单元为分支点；随器计量单元用于采集用电器用电数据以及实时状态，并通过电力线载波通信方式将用电器用电数据以及实时状态传输至电表单元。

3.根据权利要求2所述的一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，所述平台层设有主站，所述终端层设有集中器，所述集中器与所述主站通信连接，所述集中器与所述电表单元通信连接，所述集中器用于将来自电表单元的用电数据转发至主站，所述主站通过集中器以及电表单元实现对随器计量单元的数据采集、状态监测和实时控制。

4.根据权利要求3所述的一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，所述集中器以及所述电表单元均设有电力线载波通信模块，所述电表单元与所述集中器通过所述电力线载波通信模块通信，所述电表单元以及所述集中器均接入电力线网络。

5.根据权利要求4所述的一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，所述集中器与所述电表单元组成树形网络，所述电表单元至少为两个，该树形网络以所述集中器为主干，以电表单元为分支。

6.根据权利要求5所述的一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，所述主站设有档案登记模块，所述档案登记模块用于接收并记录外部智能终端发送的档案信息，所述档案登记模块还用于将档案信息下发至所述集中器以及所述电表，所述档案信息包括用电器资产信息。

7.根据权利要求6所述的一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，所述集中器设有轮询模块，所述轮询模块向所述电表单元发送轮询命令，并接收所述电表单元周期性冻结数据。

8.根据权利要求7所述的一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，所述随器计量单元设有主动上报模块，所述主动上报模块接受所述随器计量单元采集的瞬时用电数据、电能消耗数据、谐波数据以及冻结数据，并将所述瞬时用电数据、所述电能消耗数据、所述谐波数据以及所述冻结数据发送至所述电表单元。

9.根据权利要求8所述的一种电力物联网随器量测系统，其特征在于，所述随器计量模块设有用电信息采集模块、电能计量模块、谐波计量模块以及数据冻结模块；所述用电信息采集模块用于测量电器的电压、电流、功率以及功率因数，形成瞬时用电数据；所述电能计量模块用于计量用电器的电能消耗，形成电能消耗数据；所述谐波计量模块用于对用电器电流回路的谐波分量进行测量以及对用电器用电的谐波指标进行评价，形成谐波数据；所述数据冻结模块用于针对计量过程中特定时间点进行数据冻结，形成冻结数据；所述瞬时用电数据、所述电能消耗数据、所述谐波数据以及所述冻结数据分别通过主动上报模块上报至所述电表单元。

10.一种电力物联网随器量测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100：用户将户内用电器档案信息上传至主站；

步骤200：主站将档案信息下发至集中器以及电表；

步骤300：户内用电器采取主动上报方式，通过随器计量单元把用电器用电数据上报到电表单元，用电器用电数据包括：异常事件、动作事件以及周期数据；

步骤400：集中器轮询收集来自电表单元的数据，并转发至主站；

步骤500：主站存储来自集中器的数据；

步骤600：用户登录主站查询用电器用电数据。

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