CN112881794A - 一种侵入式低频电能消耗数据采集系统 - Google Patents

一种侵入式低频电能消耗数据采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种侵入式低频电能消耗数据采集系统，包括：数据获取模块，用于获取多种低频电能消耗数据；通信协议驱动模块，采用动态加载以及适配器模式的通信驱动程序与数据获取模块连接，用于对多种低频电能消耗数据进行预处理；数据采集代理模块，与通信协议驱动模块连接，用于对格式统一的低频电能消耗数据进行再处理；数据库，与数据采集代理模块连接，用于存储数据。本发明利用动态加载以及适配器模式的通信协议驱动程序与数据采集代理模块连接，以及通过对低频电能消耗数据预处理和再处理，解决了低频电能消耗数据采集的异构性，不兼容性问题，提高了数据采集准确性和稳定性。

Description

一种侵入式低频电能消耗数据采集系统
技术领域
本发明涉及低频电能消耗数据采集技术领域，特别是涉及一种侵入式低频电能消耗数据采集系统。
背景技术
工业领域能耗数据采集设备分散，且多为远距离采集传输，而且企业本身耗电设备种类繁多、数量巨大，设备无人值守导致现场运行管理人员不能及时了解和掌握生产环节和设备的实时能耗状况、单位能耗数据、能耗变化趋势和实时运行参数等信息，导致存在数据滞后、时效性差等问题。能耗数据信息缺失或失真会带来计量检测点配备不足、计量设备计量精度低以及计量数据不准确导致的可靠性低等问题。这对于节能评估无法提供可靠参考数据，导致能耗管理措施难以落地，从而使企业的能源支出成本变得不可控，扩大经营再生产受到制约和影响。
目前工业领域电能消耗数据采集方式主要采用侵入式数据采集方法。侵入式是指通过智能仪表的通信接口，串行部署在耗电设备供电线路中的传感器通信接口或者耗电设备内置的通信接口，获得耗电设备的电能消耗数据的采集方式。但是侵入式数据采集方法仍然面临一些问题：(1)数据采集零散、时效性不强。工业领域耗电设备种类繁多、数量巨大、部署分散且大多无人值守，导致当前电能消耗数据采集缺少规模性、完整性、及时性和准确性。(2)数据采集设备不兼容、成本高。在电能消耗数据采集工程中，智能仪表数据接口、能耗设备数据接口和能耗数据采集模块的通信协议种类繁多，差异性较大。部分采集器不支持网络接入方式，能耗采集表类型众多，采集通讯参数众多且无统一的技术规范，经常出现互相冲突的参数配置。(3)采集过程不确定性导致数据缺失有效性。电能消耗数据采集具有无人值守，设备端无人机交互界面，易受现场突发情况影响等特点，由于停电和重新启动等问题会导致数据采集代理(DCA)不能正常工作，从而影响电能消耗数据的及时性、准确性和完整性。
当前电能消耗采集方法导致工业企业面临的问题：(1)电能消耗成本一直是企业生产成本中占比较大的因素之一。由于技术和管理的原因，大多数企业的电能消耗处于粗放管理阶段，这导致企业单位产能能耗成本虚假刚性现象的存在。诸如：长时间待机、负载不经济、电能调度不合理以及设备功率与负载不匹配等问题。(2)设备运行效率低。对于大型设备来讲，如何提高其正常运转时间是每个企业提高生产效率，降低生产成本的主要手段之一。大型设备一旦出现故障，由于诊断、配件供应和现场维修等问题，往往维修周期很长，极大地影响了生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种侵入式低频电能消耗数据采集系统，以解决低频电能消耗数据采集的兼容性问题，提供统一、简单和兼容的数据采集机制，降低低频电能消耗数据采集的复杂度和成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种侵入式低频电能消耗数据采集系统，包括：
数据获取模块，用于获取多种低频电能消耗数据；
通信协议驱动模块，采用动态加载以及适配器模式的通信驱动程序与所述数据获取模块连接，用于对多种所述低频电能消耗数据进行预处理，得到格式统一的低频电能消耗数据；
数据采集代理模块，与所述通信协议驱动模块连接，用于对所述格式统一的低频电能消耗数据进行再处理，得到格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据；
数据库，与所述数据采集代理模块连接，用于存储所述格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据。
可选地，所述数据获取模块包括智能仪表以及数据采集单元；所述低频电能消耗数据包括电流、电压、功率以及用电量。
可选地，所述通信协议驱动模块包括预处理单元，所述预处理单元用于采用wits协议将多种所述低频电能消耗数据进行预处理，得到格式统一的低频电能消耗数据。
可选地，所述通信协议驱动模块设置有南向接口和北向接口；所述南向接口用于连接所述数据获取模块，所述北向接口用于连接所述数据采集代理模块。
可选地，所述数据采集代理模块包括多个数据采集代理单元和一个数据采集代理服务器；多个所述数据采集代理单元用于对所述格式统一的低频电能消耗数据进行再处理，得到格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据；所述数据采集代理服务器用于时间同步，以及动态检测多个所述数据采集代理单元的运行状态。
可选地，所述时间同步包括：
所述数据采集代理服务器根据所述数据采集代理单元的轮询链表获取所述数据采集代理单元的IP和端口信息；
所述数据采集代理服务器根据所述IP和端口信息向所述数据采集代理单元发送所述数据采集代理服务器的本机时间；
所述数据采集代理单元根据所述数据采集代理服务器的本机时间更新所述数据采集代理单元的本机时间，完成时间同步。
可选地，所述数据采集代理服务器与所述数据采集代理单元之间采用UDP协议进行通信。
可选地，所述数据采集代理模块设置有TCP/IP协议接口和串行通信协议接口，所述TCP/IP协议接口和所述串行通信协议接口用于连接所述通信协议驱动模块；所述TCP/IP协议接口用于汇聚所述格式统一的低频电能消耗数据，所述串行通信协议接口用于采集所述格式统一的低频电能消耗数据。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种侵入式低频电能消耗数据采集系统，包括：数据获取模块，用于获取多种低频电能消耗数据；通信协议驱动模块，采用动态加载以及适配器模式的通信驱动程序与所述数据获取模块连接，用于对多种所述低频电能消耗数据进行预处理，得到格式统一的低频电能消耗数据；数据采集代理模块，与所述通信协议驱动模块连接，用于对所述格式统一的低频电能消耗数据进行再处理，得到格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据；数据库，与所述数据采集代理模块连接，用于存储所述格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据。本发明利用动态加载以及适配器模式的通信协议驱动程序与数据采集代理模块连接，以及通过对低频电能消耗数据预处理和再处理，解决了低频电能消耗数据采集的异构性，不兼容性问题，提高了数据采集准确性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为侵入式低频电能消耗数据采集系统结构图；
图2为侵入式低频电能消耗数据采集系统原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种侵入式低频电能消耗数据采集系统，以解决低频电能消耗数据采集的兼容性问题，提供统一、简单和兼容的数据采集机制，降低低频电能消耗数据采集的复杂度和成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为侵入式低频电能消耗数据采集系统结构图，如图1所示，侵入式低频电能消耗数据采集系统包括：
数据获取模块，用于获取多种低频电能消耗数据。其中，数据获取模块包括智能仪表以及数据采集单元。低频电能消耗数据包括电流、电压、功率以及用电量。
通信协议驱动模块，与数据获取模块连接，采用动态加载以及适配器模式，用于对多种低频电能消耗数据进行预处理，得到格式统一的低频电能消耗数据。其中，通信协议驱动模块包括预处理单元，预处理单元用于采用wits协议将多种低频电能消耗数据进行预处理，得到格式统一的低频电能消耗数据。进一步地，通信协议驱动模块设置有南向接口和北向接口。南向接口用于连接数据获取模块，北向接口用于连接数据采集代理模块。
数据采集代理模块，与通信协议驱动模块连接，用于对格式统一的低频电能消耗数据进行再处理，得到格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据。
数据库，与数据采集代理模块连接，用于存储格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据。
在本实施例中，数据采集代理模块包括多个数据采集代理单元和一个数据采集代理服务器。多个数据采集代理单元用于对格式统一的低频电能消耗数据进行再处理，得到格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据。数据采集代理服务器用于时间同步，以及动态检测多个数据采集代理单元的运行状态。进一步地，时间同步包括：
数据采集代理服务器根据数据采集代理单元的轮询链表获取数据采集代理单元的IP和端口信息。其中，数据采集代理服务器与数据采集代理单元之间采用UDP协议进行通信
数据采集代理服务器根据IP和端口信息向数据采集代理单元发送数据采集代理服务器的本机时间。
数据采集代理单元根据数据采集代理服务器的本机时间更新数据采集代理单元的本机时间，完成时间同步。
在本实施例中，数据采集代理模块设置有TCP/IP协议接口和串行通信协议接口，TCP/IP协议接口和串行通信协议接口用于连接通信协议驱动模块。TCP/IP协议接口用于汇聚格式统一的低频电能消耗数据，串行通信协议接口用于采集格式统一的低频电能消耗数据。
图2为侵入式低频电能消耗数据采集系统原理图，如图2所示，区域为本实施例中定义的最小逻辑单位，是产生用电能耗数据的最小单位。例如办公室、会议室或生产车间的用电设备均可称为区域。经通信协议驱动模块动态加载使采集到的不同单位、参数、配置的能耗数据经过驱动程序转换为格式统一的能耗数据传输到数据采集代理模块，解决数据采集的兼容性问题。
在工程中，通过提供通信协议驱动程序模板，可简化驱动程序的编写过程，降低编写设备驱动程序的复杂度和成本。驱动程序模板的设计采用面向对象编程的“继承”特性，定义了数据采集代理模块可加载的标准采集驱动的基类，基类里定义了若干纯虚函数，设备采集驱动程序只需要继承该基类，实现基类的纯虚函数，并在特定的函数中实现相应的函数功能，如将不同单位的电流转换为统一单位类型，不同代码数据转换为可识别的能耗数据。数据采集代理模块利用面向对象的“多态”特性，统一调用驱动程序摸版的基类虚函数，即可将所需采集驱动程序动态加载入数据采集代理模块。
图2中，还可通过第三方软件采集各区域的低频电能消耗数据发送给数据采集代理模块(Data Collection Agent，DCA)，采集频率小于等于1Hz。如TCP-client、TCP-Server、UDP进程、RS232通信进程以及RS485通信进程等第三方软件。数据采集代理模块提供接收第三方软件发送数据功能，实现Ethernet接口和串口数据接收接口，可接收符合格式定义的第三方软件发送的数据。
数据采集代理模块基于多数据采集代理组网技术构建数据采集网络以满足大规模数据采集需求的有效途径。数据采集代理模块采用串行通信方式，通过动态加载、适配器模式的通信驱动程序与数据获取模块连接，采用TCP/IP协议接口与传输网络连接。串行通信协议接口用于采集电能消耗数据，TCP/IP协议接口用于汇聚电能消耗数据。由于电能消耗数据是时序数据，因此必须保证多个数据采集代理单元的时间同步，同时，还需要检测数据采集代理单元的运行状态以及对其进行管理。因此，数据采集代理模块包括多个数据采集代理单元和一个数据采集代理服务器。数据采集代理服务器称为DCA Server，数据采集代理单元称为DCAClient。数据采集代理模块会将处理后的数据通过传输网络发送到数据库进行保存。数据采集代理模块可实现本地存储、断点续传、自动恢复、自动连接和时间同步等功能。在现场网络中，数据采集代理模块作为数据发布者，同时还提供数据汇聚和上传功能，对外提供原始采集数据。外界电能消耗管理系统读取数据库中的实时数据进行实时电能消耗检测，同时也可将数据库中的数据通过办公网络同步到历史数据库中，为能耗管理、规划、分析、诊断和辅助决策提供数据支持。
数据采集代理模块实现本地存储、断点续传、自动恢复、自动连接和时间同步等功能，具体为：
本地存储：数据采集代理模块采集到数据后，对每一条数据进行标准化处理，映射成标准数据格式。然后将标准格式数据实时存入实时数据发送队列。当存在网络传输故障时，数据采集代理模块读取实时数据队列数据，后将数据存入本地sqlite数据库，从而使sqlite数据库每一条数据都记录了数据的采集时间、数据值信息。
断点续传：数据采集代理模块每隔一段时间发送心跳包监测网络状态。当网络状态故障时，数据采集代理模块内单独线程通过本地存储的方法实现数据存储。当网络恢复正常时，数据采集代理模块在读取实时数据的同时，还读取sqlite数据库内的历史数据，并将历史数据放入发送队列。数据发送成功后，删除sqlite内存储的该条数据，保证sqlite数据库内缓存的为发送的历史数据。
自动恢复：数据采集代理模块加载驱动程序成功后，将加载成功时的上下文参数实时写入配置文件中，包括驱动程序名称、驱动程序路径、端口号以及串口号等参数信息。当数据采集代理模块删除或更改某个驱动配置时，同时删除或更改config.xml(该文件为配置文件，记录了数据采集代理模块加载的采集驱动程序的数量、每个采集驱动程序的初始化参数值等信息)内的信息与内存的信息，重新加载该驱动程序。数据采集代理模块重启时读取config.xml文件信息并加载进内存，记录加载的采集驱动程序的数量以及每个采集驱动程序的初始化参数值等信息，当该文件没有记录任何内容时，根据需要配置相应驱动程序并自动连接驱动程序。
自动连接：数据采集代理模块启动时，首先读取config.xml文件信息并加载进内存。当config.xml文件没有记录任何内容时，根据需要配置相应驱动程序并自动连接驱动程序。
时间同步：数据采集代理服务器根据数据采集代理单元的轮询链表获取数据采集代理单元的IP和端口信息。数据采集代理服务器根据IP和端口信息向数据采集代理单元发送数据采集代理服务器的本机时间。数据采集代理单元根据数据采集代理服务器的本机时间更新数据采集代理单元的本机时间，完成时间同步。
本发明利用动态加载以及适配器模式的通信协议驱动程序与数据采集代理模块连接，以及通过对低频电能消耗数据预处理和再处理，解决了低频电能消耗数据采集的异构性，不兼容性问题，提高了数据采集准确性和稳定性。
本发明采用数据采集代理组网技术解决了数据采集的规模问题。通过本地存储、断点续传、自动恢复、自动连接和时间同步等功能解决数据不可靠性、失效性问题。
本发明的数据采集代理模块为采集现场数据提供了支持。使用该模块可随时采集设备运行状态数据，并根据这些数据对设备运行健康情况进行诊断和分析，根据分析结果确定设备是否存在隐患或故障状态。这些信息支持设备及时维护、保养，也支持设备故障第一时间确定所需部件、工具、材料和技术人员，极大地缩短了设备维修时间。
本发明采集的数据是设备或区域电能消耗的原始数据，数量巨大，同时这些数据蕴含着企业生产的内在特征和模式，是企业宝贵的数据资产。通过对这些数据资产的分析，可获得企业生产逻辑模式，发现产能、效率和成本瓶颈。找出企业能耗问题，解决管理、设备以及工艺操作中的能源浪费问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种侵入式低频电能消耗数据采集系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取多种低频电能消耗数据；
通信协议驱动模块，采用动态加载以及适配器模式的通信驱动程序与所述数据获取模块连接，用于对多种所述低频电能消耗数据进行预处理，得到格式统一的低频电能消耗数据；
数据采集代理模块，与所述通信协议驱动模块连接，用于对所述格式统一的低频电能消耗数据进行再处理，得到格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据；
数据库，与所述数据采集代理模块连接，用于存储所述格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据。
2.根据权利要求1所述的侵入式低频电能消耗数据采集系统，其特征在于，所述数据获取模块包括智能仪表以及数据采集单元；所述低频电能消耗数据包括电流、电压、功率以及用电量。
3.根据权利要求1所述的侵入式低频电能消耗数据采集系统，其特征在于，所述通信协议驱动模块包括预处理单元，所述预处理单元用于采用wits协议将多种所述低频电能消耗数据进行预处理，得到格式统一的低频电能消耗数据。
4.根据权利要求1所述的侵入式低频电能消耗数据采集系统，其特征在于，所述通信协议驱动模块设置有南向接口和北向接口；所述南向接口用于连接所述数据获取模块，所述北向接口用于连接所述数据采集代理模块。
5.根据权利要求1所述的侵入式低频电能消耗数据采集系统，其特征在于，所述数据采集代理模块包括多个数据采集代理单元和一个数据采集代理服务器；多个所述数据采集代理单元用于对所述格式统一的低频电能消耗数据进行再处理，得到格式统一、单位统一以及参数统一的低频电能消耗数据；所述数据采集代理服务器用于时间同步，以及动态检测多个所述数据采集代理单元的运行状态。
6.根据权利要求5所述的侵入式低频电能消耗数据采集系统，其特征在于，所述时间同步包括：
所述数据采集代理服务器根据所述数据采集代理单元的轮询链表获取所述数据采集代理单元的IP和端口信息；
所述数据采集代理服务器根据所述IP和端口信息向所述数据采集代理单元发送所述数据采集代理服务器的本机时间；
所述数据采集代理单元根据所述数据采集代理服务器的本机时间更新所述数据采集代理单元的本机时间，完成时间同步。
7.根据权利要求6所述的侵入式低频电能消耗数据采集系统，其特征在于，所述数据采集代理服务器与所述数据采集代理单元之间采用UDP协议进行通信。
8.根据权利要求1所述的侵入式低频电能消耗数据采集系统，其特征在于，所述数据采集代理模块设置有TCP/IP协议接口和串行通信协议接口，所述TCP/IP协议接口和所述串行通信协议接口用于连接所述通信协议驱动模块；所述TCP/IP协议接口用于汇聚所述格式统一的低频电能消耗数据，所述串行通信协议接口用于采集所述格式统一的低频电能消耗数据。
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