CN113452022B - 一种采集设备用电数据的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采集设备用电数据的方法及系统，属于用电设备采集领域，采集终端上电启动，后台系统完成时钟同步；采集第一个数据，用基本周期采集第二个数据；比较第一次采集数据和第二次采集数据，如果两个数据值相同，则执行步骤S4，否则执行步骤S5；S4：采集终端获取保护周期，按保护周期采集下一次数据，执行步骤S6；S5：采集终端计算新的采集周期T′，将T′与保护周期进行比较，如果T′大于或等于保护周期，则进入步骤S4，否则以T′为采集下一次数据的新周期，进入步骤S6；S6：按数据规范要求记录数据；S7：将数据打包压缩生成数据包，按输出周期输出数据包。本发明降低数据规模及数据传输带宽，降低设备功耗。

Description

一种采集设备用电数据的方法及系统
技术领域
本发明属于用电设备采集领域，涉及一种采集设备用电数据的方法及系统。
背景技术
为了降低大量用电设备的日常运维成本，提升运维效率，需要实现用电设备的集中运维、在线监测运行状态，三条技术路径可供选择。路径一是在设备维护功能基础上进行二次开发，路径二是改造设备，路径三是应用用电设备的用电数据。由于设备种类繁多、接口复杂、私有协议等原因，定制、改造的工作量巨大且具有较大的局限性，在无行业统一规范情况下，路径一和路径二已逐渐被放弃。路径三无需对设备进行二次开发或改造，具有很强的通用性，不同的设备用电数据是不同的，设备在不同运行状态下的数据也是不相同的，应用传感器、物联网、云计算等信息技术采集、传输、分析用电数据可识别出设备及其运行状态，具备了集中运维的基础，已成为研究的重点。路径三需要解决三个问题，分别是数据采样率、大量设备数据传输及处理、设备模型。数据采样率需要研究新的采集设备；数据传输及处理需要从源端的输出及后台系统的处理算法进行研究；设备模型需要研究机器学习算法、数据建模等。
发明内容
针对上述数据采样率、数据传输与处理问题，本发明提出一种设备用电数据的采集方法及系统，降低数据规模及数据传输带宽，降低设备功耗。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种采集设备用电数据的方法，包括以下步骤：
S1：采集终端上电启动，所述采集终端与后台系统完成时钟同步；采集终端与后台保持定时时钟同步；
S2：采集终端启动后采集第一个数据，然后用基本周期采集第二个数据；
S3：采集终端比较第一次采集数据和第二次采集数据，如果两个数据值相同，则执行步骤S4，否则执行步骤S5；
S4：采集终端获取保护周期，按保护周期采集下一次数据，执行步骤S6；
S5：采集终端计算新的采集周期T′，将T′与保护周期进行比较，如果T′大于或等于保护周期，则进入步骤S4；如果T′小于保护周期，则以T′为采集下一次数据的新周期，进入步骤S6；
S6：按数据规范要求记录数据，进入步骤S7；
S7：将数据打包压缩生成数据包，按输出周期输出数据包。
进一步，步骤S2中采集的数据为设备用电数据，包括电压U、电流I、有功功率P和无功功率Q，所述电压U和电流I为电网输入，所述有功功率P和无功功率Q与设备相关：
P＝UI*cosα
Q＝UI*sinα
其中α为输入电源相位角，采集设备通过计算输出U、I、P、Q数值。
进一步，在所述步骤S5中，同一个设备不可能在主要使用有功功率的同时主要使用无功功率，为了减少终端计算量，简化终端，本方法只取设备主用方向的数据进行计算，即从U、I、P、Q四个参数中选取P和Q中主要的一项进行计算；
以采集时间为横轴，P或Q参数值为纵轴，形成P或Q参数的曲线；在输入稳定、设备状态稳定情况下，设备的功率线呈现为稳定的直线；在输入变化或设备状态变化情况下，该设备的功率线呈现为曲线。功率曲线体现了变化，通过变化曲线可以发现状态变化、识别状态变化，据此，变化越大则采样频率越高，获取的数据规模越大。考虑到物联网终端设备的计算能力及存储能力，本发明取选择P或Q参数的两个采样点的数据进行计算获得新的采集周期，具体如下：
设定设备基础采集周期T，参数功率曲线相邻两个点(t1，v1)和(t2，v2)，β为曲线水平夹角，则第三次采集数据的采集周期T′计算如下：
曲线两点构成的水平夹角β的正弦计算如下：
Figure BDA0003150633960000021
新周期
Figure BDA0003150633960000022
为了让采集周期变化明显且不会过大，需要合理设置采集周期的时间单位，以及数据变化；
进一步，步骤S6中，所述数据规范要求包括：
数据结构最小化，减少单个数据的字节数，数据结构包括：时间(2字节)+数据标识(1字节)+数值(多字节)，均按十六进制进行编码；
同一时间采集了不同标识的数据，则合并为一条数据，合并后的数据格式为：时间+数据标识1+数值+空格+数据标识2+数值，不同数据标识之间的数据用空格分隔；
采集时间精确到毫秒，计算方法为：ss*1000+SSS，ss为秒，SSS为毫秒。比如采集时间为16:30:12.026，计算为12*1000+26＝12026，十六进制记录为2EFA。在现有通信技术及数据处理技术情况下，接收端接收数据的延时基本在秒级，接收端在接收到数据后按接收时间的分钟点计算出数据产生的绝对时间，精确到毫秒。
进一步，步骤S7中输出数据包括输出周期内的所有的用电数据，数据间采用换行符进行分割。
另一方面，本发明提供一种采集设备用电数据的采集系统，包括采集终端，所述采集终端包括：
电源模块，用于稳电、降压、交流转直流，为其他模块提供电源；
计量模块，用于采集输入交流电源的电流、电压信息，并计算输出有功功率、无功功率；
计算模块，用于从计量模块获取输出数据，实现采集算法并按采集算法控制策略调整计量模块数据读取；按照输出周期实现数据打包，并按输出周期输出数据到通信模块；
通信模块，用于与平台进行通信，实现数据收发；
时钟同步模块，用于实现采集终端与平台时钟同步处理，时钟同步模块通过通信模块与平台实现时钟同步，并根据时钟同步信令调整终端侧时钟与平台一致；
控制模块，用于对外负载输出的通、断控制，控制指令来自计算模块；计算模块根据电流、电压、功率设置阈值向控制模块发送控制指令，或接收平台的指令向控制模块发送控制指令。
本发明的有益效果在于：通过实施发明的数据采集方法，可有效降低采集数据规模及发送数据规模，可有效降低设备功耗、后台数据处理规模。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例提供的一种获取设备用电数据方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种采集终端原理示意图；
图3为本发明实施后的采集数据曲线图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，下面基于本发明所述的方法，具体介绍了一种智能插座的实施过程。如图1所示，其为本发明实施例的流程图，具体实现过程包括以下步骤：
步骤S101，采集终端上电启动，终端与后台系统完成时钟同步；终端与后台保持定时时钟同步，进入步骤S102。
步骤S102，采集终端启动后采集第一个数据，然后用基本周期采集第二个数据，进入步骤S103。采集的数据为设备用电数据，包括电压U、电流I、有功功率P和无功功率Q，所述电压U和电流I为电网输入，所述有功功率P和无功功率Q与设备相关：
P＝UI*cosα
Q＝UI*sinα
其中α为输入电源相位角，采集设备通过计算输出U、I、P、Q数值。
步骤S103，采集终端比较前后两个数据。如果前后两个数据值相同，则进入到步骤S104，否则进步到步骤S105。
步骤S104，终端获取保护周期，按保护周期采集下一次数据，进入步骤S106。
步骤S105，终端计算出结果，结果与保护周期进行比较。如果计算结果大于或等于保护周期，则进入步骤S104；如果计算结果小于保护周期，则取计算结果为采集下一次数据的新周期，进入步骤S106。
同一个设备不可能在主要使用有功功率时又同时主要使用无功功率，为了减少终端计算量，简化终端，本发明只取设备主用方向的数据进行计算，即从U、I、P、Q四个参数中选取主要的P或Q进行计算。
以采集时间为横轴和参数值为纵轴，这样就形成了该参数的曲线。在输入稳定、设备状态稳定情况下，该设备的功率线呈现为稳定的直线；在输入变化或设备状态变化情况下，该设备的功率线呈现为曲线。功率曲线体现了变化，通过变化曲线可以发现状态变化、识别状态变化，据此，变化越大则采样频率越高，获取的数据规模越大。考虑到物联网终端设备的计算能力及存储能力，本发明取选择的参数两个采样点的数据进行计算获得新的采集周期。具体计算方法如下。
设定设备基础采集周期T，参数功率曲线相邻两个点(t1，v1)和(t2，v2)，β为曲线水平夹角，那么第三次采集数据的采集周期T′计算公式可推导如下。
曲线两点构成的水平夹角β的正弦计算如下：
Figure BDA0003150633960000051
新周期
Figure BDA0003150633960000052
为了让采集周期变化明显且不会过大，需要合理设置采集周期的时间单位，以及数据变化。
理论上存在电源输入、设备状态完全稳定形成一条直线，或前后两个采样值相同时，采集方法设计时考虑这种极限情况，设置一个保护周期参数，按上述计算方法得出的采集周期大于保护周期时则以保护周期进行数据采集下一个点的数据。
步骤S106，按以下数据规范要求记录数据，进入步骤S107。
数据结构最小化，减少单个数据的字节数，数据结构包括：时间+数据标识+数值，均按十六进制进行编码；
同一时间采集了不同标识的数据，则合并为一条数据，合并后的数据格式为：时间+数据标识1+数值+空格+数据标识2+数值，不同数据标识之间的数据用空格分隔；
采集时间精确到毫秒，计算方法为：ss*1000+SSS，ss为秒，SSS为毫秒。
步骤S107，按发明的数据打包规范要求生成数据包，按输出周期输出数据包。输出数据包括输出周期内的所有的用电数据，数据间采用换行符进行分割。
如图2所示，其为本发明实施例的原理图，具体实现过程包括以下步骤：
输入电源为220v或380v交流电，电源模块完成稳电、降压、交流转直流等工作，为其他模块工作提供电源。
计量模块负责采集输入交流电源的电流、电压等信息，并计算输出有功功率、无功功率。
计算模块负责从计量模块获取输出数据，实现采集算法并按采集算法控制策略调整计量模块数据读取；按照输出周期实现数据打包，并按输出周期输出数据到通信模块。
通信模块负责与平台等进行通信，实现数据收发，通信模块由WiFi、蓝牙、双绞线、光纤、4G等通信模组、天线、接口等构成。
时钟同步模块实现终端与平台时钟同步处理，时钟同步模块通过通信模块与平台实现时钟同步，并根据时钟同步信令调整终端侧时钟与平台一致。
控制模块实现对外负载输出的通、断控制，控制指令来自计算模块。计算模块根据电流、电压、功率设置阈值向控制模块发送控制指令，也可接收平台的指令向控制模块发送控制指令。
通过实施发明的数据采集方法，设备采集的数据规模可大大降低，特别是存在待机状态的设备取得的效果会更好。某种设备处于开机状态—低功率工作状态—待机状态过程中采集的数据如下所示。
数据：55.5→56→57→60→180.5→185→180→190→191→200→195→60→61→60.5→61→61.5→60.5→61→61.5；
对应的采集时间：0→1→3.24→5.69→6.98→7.98→9.00→10.02→11.03→12.44→13.46→14.48→15.48→16.89→19.89→25.97→38.18→50.43→70.43；
数据用曲线显示如图3所示。从图3可直观看出，数据变化越大则采集周期越短。
按原方案采集数据的规模：每秒中采集1次，采集数据71个；
按发明方法采集数据的规模：19个；
采集数据规模下降了：19/71*100％＝73.24％；
通过数据打包压缩，可缩减发送的数据包，节省带宽及功耗。在不计算通信协议头部的情况下，按上述的设备数据取4个字节。
原上报方案为逐条发送，时间字段16个字节，发送数据的规模：(16+4)*4＝80字节；
发明方法打包发送，时间字段2字节，发送数据规模：2+(1+4)*4＝22字节；
发明方法发送数据下降：22/80*100％＝72.5％；
通过上述对比，发明方法可有效降低采集数据规模及发送数据规模，可有效降低设备功耗、后台数据处理规模。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种采集设备用电数据的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采集终端上电启动，所述采集终端与后台系统完成时钟同步；采集终端与后台保持定时时钟同步；
S2：采集终端启动后采集第一个数据，然后用基本周期采集第二个数据；
S3：采集终端比较第一次采集数据和第二次采集数据，如果两个数据值相同，则执行步骤S4，否则执行步骤S5；
S4：采集终端获取保护周期，按保护周期采集下一次数据，执行步骤S6；
S5：采集终端计算新的采集周期T′，将T′与保护周期进行比较，如果T′大于或等于保护周期，则进入步骤S4；如果T′小于保护周期，则以T′为采集下一次数据的新周期，进入步骤S6；在所述步骤S5中，从电压U、电流I、有功功率P和无功功率Q四个参数中选取P和Q中主要的一项进行计算；
以采集时间为横轴，P或Q参数值为纵轴，形成P或Q参数的曲线；选择P或Q参数的两个采样点的数据进行计算获得新的采集周期，具体如下：
设定设备基础采集周期T，参数功率曲线相邻两个点(t1，v1)和(t2，v2)，β为曲线水平夹角，则第三次采集数据的采集周期T′计算如下：
曲线两点构成的水平夹角β的正弦计算如下：
Figure FDA0003781946950000011
新周期
Figure FDA0003781946950000012
S6：按数据规范要求记录数据，进入步骤S7；
S7：将数据打包压缩生成数据包，按输出周期输出数据包。
2.根据权利要求1所述的采集设备用电数据的方法，其特征在于：步骤S2中采集的数据为设备用电数据，包括电压U、电流I、有功功率P和无功功率Q，所述电压U和电流I为电网输入，所述有功功率P和无功功率Q与设备相关：
P＝UI*cosα
Q＝UI*sinα
其中α为输入电源相位角，采集设备通过计算输出U、I、P、Q数值。
3.根据权利要求1所述的采集设备用电数据的方法，其特征在于：步骤S6中，所述数据规范要求包括：
数据结构最小化，减少单个数据的字节数，数据结构包括：时间+数据标识+数值，均按十六进制进行编码；
同一时间采集了不同标识的数据，则合并为一条数据，合并后的数据格式为：时间+数据标识1+数值+空格+数据标识2+数值，不同数据标识之间的数据用空格分隔；
采集时间精确到毫秒，计算方法为：ss*1000+SSS，ss为秒，SSS为毫秒。
4.根据权利要求1所述的采集设备用电数据的方法，其特征在于：步骤S7中输出数据包括输出周期内的所有的用电数据，数据间采用换行符进行分割。
5.一种基于权利要求1-4任一所述采集设备用电数据的 方法的采集系统，包括采集终端，所述采集终端包括：
电源模块，用于稳电、降压、交流转直流，为其他模块提供电源；
计量模块，用于采集输入交流电源的电流、电压信息，并计算输出有功功率、无功功率；
计算模块，用于从计量模块获取输出数据，实现采集算法并按采集算法控制策略调整计量模块数据读取；按照输出周期实现数据打包，并按输出周期输出数据到通信模块；
通信模块，用于与平台进行通信，实现数据收发；
时钟同步模块，用于实现采集终端与平台时钟同步处理，时钟同步模块通过通信模块与平台实现时钟同步，并根据时钟同步信令调整终端侧时钟与平台一致；
控制模块，用于对外负载输出的通、断控制，控制指令来自计算模块；计算模块根据电流、电压、功率设置阈值向控制模块发送控制指令，或接收平台的指令向控制模块发送控制指令。
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