CN112073460A

CN112073460A - 一种数据采集单元、数据传输方法及综合能源监测系统

Info

Publication number: CN112073460A
Application number: CN202010767544.6A
Authority: CN
Inventors: 魏大钧; 程艳; 王玥娇; 孙树敏; 滕玮; 于芃; 李广磊; 王士柏; 张兴友; 王楠; 邢家维; 张海静; 梁将
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2040-08-03
Also published as: CN112073460B

Abstract

本发明属于数据采集领域，提供了一种数据采集单元、数据传输方法及综合能源监测系统。其中，数据采集单元包括：智能采集模块，其内配置有电子数据表并结合同步授时模块进行同步采集，根据电子数据表及接收多种类型传感器上传的测量数据实现传感器的自动解析与即插即用；同步授时模块，其采用基于数字锁相环的卫星时钟授时方案为采集单元提供稳定的时钟脉冲信号；数据处理模块，其用于接收智能采集模块传送来的测量数据并进行预处理，构建采集层与上层监控层时间断面统一的数据上行信息模型，输出时间断面统一的预处理后测量数据。

Description

一种数据采集单元、数据传输方法及综合能源监测系统

技术领域

本发明属于数据采集领域，尤其涉及一种数据采集单元、数据传输方法及综合能源监测系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

多能互补系统是为终端用户提供灵活、节能型综合能源服务的重要途径。具体而言，多能互补综合能源系统是指可包容多种能源资源输入，并具有多种产出功能和输运形式的"区域能源互联网"系统。它不是多种能源的简单叠加，而要在系统高度上按照不同能源品味的高低进行综合互补利用，并统筹安排好各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得最合理能源利用效果与效益。

多能互补综合能源系统作为一个复杂的系统，想要对其运行状态进行全面细致的管理需要采集监测海量的异质能流数据及运行状态数据。正是由于多能流传感网络测点分布广、量测种类多、数据质量低、维护难度大、成本敏感度高，所以出现采集数据不全、错误的情况在所难免。同时由于系统中接入的多种能源形式，不同能流系统具有显著不同的动态过程，使得系统数据呈现多尺度的特性，致使多能流数据采集还存在着多时间尺度差异问题。因此多能流网络需要提供实时、可靠、完整、时间尺度配合最佳的数据采集和信息传输方法，为综合能源的监测和控制提供基础。另外，随着现代化的物联网的发展，尤其在智能电网等领域，对实时监测的需求越来越广泛，采集点颗粒度越来越小，并且越恶劣越不易部署的条件下痛点越突出，因此必须解决传感器无源供能问题。对于现有数据感知单元，传统环境能量收集方法仅对无线传感器网络工作周边环境的特定能量进行收集。然而，在实际应用中无线传感器网络周边环境的能量是多变的，传统的环境能量收集模型很难为系统提供持续稳定的能量，故须设计适用于同时收集多种能量的混合供能方式。

在此前提下，综合能源系统对数据采集监测提出了较高的要求。发明人发现，目前的数据采集监测存在多能流多时间尺度差异问题，无法保证数据层与上层监控层时间断面的统一；GPS授时易受环境影响不定时中断导致各采集节点存在同步时间误差的问题；综合能源系统的数据量较为繁杂，在无线传感网传输过程中存在节点数据包端到端延时较高的问题，无法保证数据的实时有效性；综合能源系统数据采集涉及到多类别传感器，每个节点所需采集的参量不尽相同，不满足各传感器的即插即用需求，进而无法实现节点数据的全面感知。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种数据采集单元、数据传输方法及综合能源监测系统，其适用于综合能源系统多能流特性感知，能够满足综合能源系统中智能全感知和高可靠性信息采集传输需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种数据采集单元。

一种数据采集单元，包括：

智能采集模块，其内配置有电子数据表并结合同步授时模块进行同步采集，根据电子数据表及接收传感器上传的测量数据实现传感器的自动解析与即插即用；

同步授时模块，其采用基于数字锁相环的卫星时钟授时方案为采集单元提供稳定的时钟脉冲信号；

数据处理模块，其用于接收智能采集模块传送来的测量数据并进行预处理，构建采集层与上层监控层时间断面统一的数据上行信息模型，输出时间断面统一的预处理后测量数据。

本发明的第二个方面提供一种数据采集单元的数据传输方法。

一种数据采集单元的数据传输方法包括：

利用所述数据采集单元对电、气、冷、热网异质能流数据和分布式电源及微电网运行状态数据以及负荷侧各类联网用能设备运行状态参数进行实时数据采集，并保持采集层与上层监控层时间断面一致；

各数据采集单元作为采集节点利用组建无线传感网，采用数据收集策略对无线传感网多层分簇的处理方式以减少冗余数据传输，采用延时优化策略改变数据包传输路径以减少排队延时增加；

数据集合至组建的无线传感网中的智能采集路由器后，统一传输至上层监控层。

本发明的第三个方面提供一种综合能源监测系统。

一种综合能源监测系统，其包括：处理器及上述所述的数据采集单元；数据采集单元用于将其采集到的信息均上传至处理器。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的智能采集模块内配置有电子数据表并结合同步授时模块进行同步采集，根据电子数据表及接收多种类型传感器上传的测量数据实现传感器的自动解析与即插即用，适用于综合能源系统多能流特性感知，能够实时采集模拟量、开关量、数字量，涵盖电、气、冷、热网和分布式电源及微电网运行状态数据以及负荷侧各类联网用能设备运行状态参数，实现节点数据的全面感知；

(2)本发明采用基于数字锁相环的卫星时钟授时方案为采集单元提供稳定的时钟脉冲信号，实现了高精度同步数据采集，克服了GPS授时易受环境影响不定时中断导致各采集节点存在同步时间误差的问题。

(3)针对解决多能流多时间尺度差异问题，在数据处理模块中构建采集层与上层监控层时间断面统一的数据上行信息模型，保证了数据层与上层监控层时间断面的统一，为后续综合能源的优化控制提供技术支撑。

(4)由于综合能源系统的数据量较为繁杂，需要有良好的数据采集策略对数据进行处理筛选，本发明采用数据收集策略对无线传感网多层分簇的处理方式以减少冗余数据传输，采用延时优化策略改变数据包传输路径以减少排队延时增加，解决了节点数据包端到端延时较高的问题，保证了数据的实时有效性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的数据采集单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

<数据采集单元>

附图1给出了本实施例的数据采集单元结构示意图。

下面结合附图1来详细说明本实施例的数据采集单元的具体结构及其工作原理：

本实施例的数据采集单元，包括智能采集模块、同步授时模块、电源模块、数据处理模块和通信模块。

在具体实施中，智能采集模块内配置有电子数据表并结合同步授时模块进行同步采集，根据电子数据表及接收多种类型传感器上传的测量数据实现传感器的自动解析与即插即用。

具体地，智能采集模块包括信号接口、调理模块、SPI存储器、同步信号采集模块；所述信号接口包含多个串口，能够在不固定传感器采集通道的情况下接入多种类型传感器；所述调理模块能够针对不同传感器输出数据特点，实现对信号的归一化处理；所述SPI存储器内配置有电子数据表(TEDS)；SPI存储器中设置电子数据表(TEDS)，描述各类传感器的类型、操作和属性，储存传感器自身描述信息(传感器类别、物理单位，输入/输出信号类型、范围)以及采集通道ID至SPI存储器，具有自动识别传感器的功能。所述同步信号采集模块(FPGA)能够结合同步授时模块控制采集单元进行同步采集，并能根据TEDS及测量数据实现传感器的自动解析与即插即用。

通过TEDS自动识别传感器输出信号特征参量，为传感器输出信号分配合适的调理通道实现多种类型传感器即插即用接入。传感器即插即用接入采集单元实现步骤如下：

(1)传感器的自身的自描述信息以及所处采集通道ID打包发送；

(2)采集单元检测到该传感器数据包，由FPGA完成对传感器相关信息数据表格的读取和配置；

(3)传感器根据TEDS表格实现传感数据的输出；

(4)FPGA根据TEDS的数据及传感器测量数据分配合适的调理通道，实现传感器信息的自动接入。

智能采集模块内配置有电子数据表并结合同步授时模块进行同步采集，根据电子数据表及接收多种类型传感器上传的测量数据实现传感器的自动解析与即插即用，适用于综合能源系统多能流特性感知，能够实时采集模拟量、开关量、数字量，涵盖电、气、冷、热网和分布式电源及微电网运行状态数据以及负荷侧各类联网用能设备运行状态参数，实现节点数据的全面感知。

在具体实施中，同步授时模块采用基于数字锁相环的卫星时钟授时方案为采集单元提供稳定的时钟脉冲信号。

具体地，同步授时模块可接收卫星同步信号，通过加窗处理的方法判定信号合法性，并依据卫星时钟与晶振时钟的误差互补特性对晶振进行校正，结合精确的晶振时钟误差预测算法，使得产生的时钟信号具有高度精确的精稳特性。

其中，GPS接收模块对接收的数据包进行解析，得到秒脉冲信号PPS。

秒脉冲信号状态监测模块利用加窗的方法判定PPS状态合法性，若PPS合法，则进行正常工作模式；反之，则进行非正常工作模式。

在正常工作模式下，鉴相模块利用采样时钟周期对输入卫星时钟PPS信号与输出晶振时钟PPS信号的间隔进行脉冲计数，通过公式

得到二者之间的相位超前或者滞后信息，对其进行比较和滤波，并将能表征二者之间相位差输出信号传送至分频控制模块。其中，式中n为相位误差值，f_c为鉴相模块计数时钟频率，f_out为输出信号频率，f_o为输入信号频率。

分频控制模块能够抑制噪声和高频分量，根据相位关系得到分频控制系数，并分别传送至自校正模块、晶振校正模块和分频模块。

晶振校正模块根据分频控制系数判别晶振的工作状态，提取出晶振时钟的频率误差。

晶振模块根据晶振校正模块对晶振时钟进行在线修正，调整输出脉冲，并传送至分频模块。

自校正模块根据存储的历史分频控制系数和晶振时钟的短时稳定性建立时钟误差预测算法模型；

在卫星时钟不合法时，根据公式

预测产生分频控制参数，传至分频模块。其中N_k为k时刻的分频控制参数，N_old为历史分频控制参数，用ξ表示晶振温度影响系数，x(t)表示t时刻晶振温度，y(t)表示t时刻的校正信号，z(t)表示t时刻的噪声，ω为噪声衰减系数。

分频模块根据分频控制系数对晶振脉冲进行分频，产生高精度和高稳定的输出时钟PPS。

采用基于数字锁相环的卫星时钟授时方案为采集单元提供稳定的时钟脉冲信号，实现了高精度同步数据采集，克服了GPS授时易受环境影响不定时中断导致各采集节点存在同步时间误差的问题。

在具体实施中，电源模块用于收集周边环境能量，根据收集能量的条件控制能量转换及电压输出。

电源模块通过对周边环境多种类型能量的收集，实现采集单元持续稳定供电；

所述环境能量收集模块采用高度集成电路的环境微弱能量收集电路，能够收集射频、温差以及振动能量；

所述混合能量管理模块包括存储模块、电压监测电路和升压电路，能够根据收集能量的条件控制储能模块的输出和充电状态，储能模块能够将环境能量收集模块收集的电能转换为稳定能量并进行存储，电压监测电路输出信号控制升压电路开闭操作。

在具体实施中，数据处理模块用于接收智能采集模块传送来的测量数据并进行预处理，构建采集层与上层监控层时间断面统一的数据上行信息模型，输出时间断面统一的预处理后测量数据。

在所述数据处理模块中，数据上行信息模型为采集层数据到上层监控层的一个映射；数据层的输入X_D为带时间标签的相关数据，输出Y_C为上层监控层所需同一时间断面的数据，其映射为

Y_C＝T_D-C·X_D

其具体为：

其中T_D-C为输入X_D到输出Y_C的时间尺度变换矩阵中的映射函数。映射函数中E_P，F_Q由不同类型的输入数据确定，分别为P个常数类输入数据x_c，Q-P个采样时刻为t_i、采样周期为T_i的周期性量测数据

常数类输入数据x_c的映射函数E_P为与y_1,c和x_1,c同维单位矩阵。

对于存在时间断面不统一问题的周期性量测数据，第q个输入数据

与对应输出控制所需时刻t、控制周期T的输出y_q,Tt之间的映射关系为：

式中

为基于输入数据x的历史数据值实现的拟合函数，符号|表示周期T是周期T_i的整数倍。

当上层监控层所需数据周期是采样周期的整数倍，且时间断面相同时，输入数据直接传输至上层监控层；否则，基于

函数对输入数据

拟合后再进行传输。

针对解决多能流多时间尺度差异问题，在数据处理模块中构建采集层与上层监控层时间断面统一的数据上行信息模型，保证了数据层与上层监控层时间断面的统一，为后续综合能源的优化控制提供技术支撑。

在具体实施中，通信模块与其他数据采集单元组网后进行数据无线传输。

例如：通信模块采用无线通信的方式，能够利用IPv6技术与其他采集节点组网后进行数据无线传输。

需要说明的是，在其他实施例中，通信模块也能够利用其它通信技术与其他采集节点组网，比如Zigbee等其他通信技术。

<数据采集单元的数据传输方法>

本实施例的的数据采集单元的数据传输方法，具体包括：

在具体实施中，所述数据收集策略为：综合考虑数据对象的物理空间属性和信息空间属性，通过构建基于P函数的分簇式网络结构的方式对采集节点进行初始划分，将各个分簇的节点感知数据传输至对应簇的簇头节点处后，在各簇头节点处执行基于数据场的数据双重聚类算法。

基于P函数的分簇式网络结构搭建第一层类簇的方法如下：

首先从流量、能耗、剩余能量三方面选举簇头C_j，由半径阈值R确定C_j的覆盖区域，直到所有采集节点都被覆盖。

计算C_j区域内所有采集节点的相似性，对于两个数据序列{x₁，x₂，x₃…x_n}和{y₁，y₂，y₃…y_n}，如果(x_i，y_i)满足公式：

和

则两个采集节点具有相似性，其中，δ为误差和阈值，α为均值阈值。

簇头C_j先将一个具有相似属性的采集节点纳为其初始节点，再将簇头覆盖范围内的所有节点代入公式：

其中N_sim表示C_j簇内相似节点的个数，N_all表示C_j簇内所有节点的个数，x_i为初始节点的数据序列，y_i为待计算的节点数据序列，M为一极大的值，τ为单位阶跃函数，根据计算结果将节点分配到

值最小的簇内。

基于数据场的数据双重聚类算法的执行流程为：

首先结合信息熵为第一层分簇各簇头节点数据赋予相应的权值；

其次综合考虑数据对象的物理空间属性和信息空间属性，计算第一层分簇各簇头数据对象的势值：

其中x_i表示数据对象i处的数据特征值，

表示任一簇头节点x_i在节点x_j处产生的势值，Fx_i表示任一数据对象i在网络数据集中的数据特征值，

表示任意两个簇头之间物理空间相对位置距离，δ为数据影响因子；

将势值相等的节点数据对象连接起来，形成等势线，从而形成数据场；找出局部势值中最大的点(即空间势心)，按照此势心的辐射方向向外扩散，找到局部势值极小的等势线，当下一条等势线的势值逐渐增强或者为零时，以上一条极小等势线作为第二层分簇类簇数据的粗划分界限；

其余少量特殊标记的部分边缘或重叠数据，依据该数据对象的势值与其他各聚簇空间势心的距离进一步细致化分。

在具体实施中，所述延时优化策略首先按照节点数据紧急度大小确定数据的传输时序，然后给定最大和最小两个排队延时阈值划分出排队延时区间，数据接收节点根据数据包的排队延时所属的区间决定是否通知数据发送节点更改传输路径。

所述延时优化策略具体执行步骤为：

步骤1：每一簇的节点按照其紧急度大小(数据包倒数的大小，紧急度与数据包的商的大小)降序排列，排列顺序定为每簇节点数据的传输时序。

步骤2：计算排队延时。数据接收节点通过数据包的实际延时以及理论延时的差值估算数据包的排队延时T_q，具体为：

其中：

为节点收到第i个数据包的时间，

为第i个数据包开始发送时间，

为第i个数据包实际延时；t_s为数据包理论上的发送延时，t_tr为数据包理论上的传播延时，t＝t_s+2t_tr为数据包理论上的延时；k表示某时间段内已发送的数据包个数，n表示缓冲区数据包个数。

步骤3：路径更改判断。当T_q不大于最小排队阈值时，可以继续接收数据；当T_q不小于最大排队阈值时，不可以继续接收数据；当T_q处于最小和最大排队阈值之间时，根据

判断是否可以继续接收数据；式中

为继续接收数据判断指标；

表示节点m转发节点j数据的链路质量与j候选路由节点链路质量均值的关系，

表示节点j数据包排队延时与排队延时阈值的关系；

时节点可接收数据，否则不可接收。满足继续接收数据的条件，则flag＝0：否则，flag＝1，并将flag返回给数据发送节点。

步骤4：路径更改。数据发送节点根据flag的值判断是否更改路径，若更改路径，则执行步骤5。否则，执行步骤6。

步骤5：节点选择。路径更改时，依次选择路由表中优先级较高的数据接收节点发送数据。当数据接收节点收到数据包且满足flag＝0时，则仅返回确认消息；否则，通过确认消息携带flag＝1信息返回数据发送节点。当数据发送节点收到flag＝1的消息或者在设定的最大消息回传等待时间内未收到确认消息，则重复执行步骤5，选择新的数据接收节点；否则，选择当前节点作为下一跳节点继续传输数据。

步骤6：数据传输。数据发送节点向选择好的下一跳节点发送数据。

由于综合能源系统的数据量较为繁杂，需要有良好的数据采集策略对数据进行处理筛选，本实施例采用数据收集策略对无线传感网多层分簇的处理方式以减少冗余数据传输，采用延时优化策略改变数据包传输路径以减少排队延时增加，解决了节点数据包端到端延时较高的问题，保证了数据的实时有效性。

<综合能源监测系统>

一种综合能源监测系统，其特征在于，包括：处理器及如权利要求1-6中任一项所述的数据采集单元；数据采集单元用于将其采集到的信息均上传至处理器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种数据采集单元，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的数据采集单元，其特征在于，所述数据采集单元还包括通信模块，所述通信模块与其他数据采集单元组网后进行数据无线传输。

3.如权利要求1所述的数据采集单元，其特征在于，所述智能采集模块包括信号接口、调理模块、SPI存储器和同步信号采集模块；信号接口包括多个串口，在不固定传感器采集通道时接入多种类型传感器；同步信号采集模块用于归一化处理传感器上传的测量数据；电子数据表配置在SPI存储器内；同步信号采集模块实现同步采集及传感器的自动解析与即插即用。

4.如权利要求1所述的数据采集单元，其特征在于，所述同步授时模块包括：

GPS接收模块，用于接收卫星同步信号并解析，得到秒脉冲信号PPS；

秒脉冲信号状态监测模块，利用加窗方法判定秒脉冲信号PPS状态合法性；

鉴相模块，用于在秒脉冲信号PPS状态合法时，表征输入卫星时钟PPS信号与输出晶振时钟PPS信号之间相位差输出信号并传送至分频控制模块；

分频控制模块，用于根据相位关系得到分频控制系数并传送至分频模块；

晶振模块，用于输出晶振脉冲传送至分频模块；

分频模块，用于根据分频控制系数对晶振脉冲进行分频，输出时钟PPS。

5.如权利要求4所述的数据采集单元，其特征在于，所述同步授时模块还包括自校正模块，其用于根据存储的历史分频控制系数和晶振时钟的短时稳定性建立时钟误差预测算法模型，在秒脉冲信号PPS状态不合法时，预测产生分频控制参数传至分频模块；

或/和

所述同步授时模块还包括晶振校正模块，晶振校正模块用于根据分频控制系数判别晶振的工作状态，提取出晶振时钟的频率误差并传送至晶振模块；晶振模块根据晶振校正模块对晶振时钟进行在线修正，调整输出脉冲并传送至分频模块。

6.如权利要求1所述的数据采集单元，其特征在于，所述的数据采集单元，还包括电源模块，其用于收集周边环境能量，根据收集能量的条件控制能量转换及电压输出；电源模块包括环境能量收集模块和混合能量管理模块，环境能量收集模块用于收集射频、温差及振动能量；混合能量管理模块包括存储模块、电压监测电路和升压电路，储能模块用于将环境能量收集模块收集的电能转换为稳定能量并进行存储，电压监测电路输出信号控制升压电路开闭操作；

或

在所述数据处理模块中，数据上行信息模型为采集层数据到上层监控层的一个映射；数据层的输入为带时间标签的相关数据，输出为上层监控层所需同一时间断面的数据。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的数据采集单元的数据传输方法，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的数据采集单元的数据传输方法，其特征在于，所述数据收集策略为：综合考虑数据对象的物理空间属性和信息空间属性，通过构建基于P函数的分簇式网络结构的方式对采集节点进行初始划分，将各个分簇的节点感知数据传输至对应簇的簇头节点处后，在各簇头节点处执行基于数据场的数据双重聚类算法。

9.如权利要求7所述的数据采集单元的数据传输方法，其特征在于，所述延时优化策略首先按照节点数据紧急度大小确定数据的传输时序，然后给定最大和最小两个排队延时阈值划分出排队延时区间，数据接收节点根据数据包的排队延时所属的区间决定是否通知数据发送节点更改传输路径。

10.一种综合能源监测系统，其特征在于，包括：处理器及如权利要求1-6中任一项所述的数据采集单元；数据采集单元用于将其采集到的信息均上传至处理器。