适应性电能量信息采集方案的设计与实现

易发胜，龚海刚，汪海鹰

（1.成都学院 模式识别与智能信息处理四川省高校重点实验室，四川 成都610106；2.成都学院信息科学与技术学院，四川 成都610106；3.电子科技大学 计算机学院，四川 成都610054）

0 引 言

随时了解用户用电的电能量数据，充分掌握用户侧能量消耗的模型，便于提供科学的配电策略，优化配电管理，改进供电质量［1］。基于电能量采集的用户侧能量管理模型的基础在于提供及时、准确的电能量及相关信息，这也是科学合理配电调度的必然要求［2］。由于各种影响因素的存在，电能量数据采集常常会出现差错，给相关系统带来很大影响，因此一种基于模式识别的电能量数据辨识和校正方法被提出［3］。在各种电能量采集系统中还面临着诸多其它问题。比如家庭用电是电网配电的一个重要组成部分，伴随着智能家庭技术的逐步普及，智能电网如何与智能家居很好地结合，通过采集家庭用电信息，并利用峰谷电价调节用户的合理用电习惯是一个重要的研究内容［4］。同时，在电能量采集过程中还需满足防泄漏用户用电习惯或家庭活动等隐私信息［5］。目前，通过合理设计智能电表，防止随意采集，或者采用变化的采集时间粒度等方法已被用来保护用户隐私［6，7］。

结合前述相关问题，本文设计了一种适应性电能量采集系统，自动判断数据异常实现补采，根据要求动态改变采集信息参数，并能适应采集时间粒度要求以保护用户隐私，还提供了安全传输机制，为配电网各种高级应用提供了基础支撑。

1 系统框架设计

适应性电能量采集系统的设计目标是提供一种具有通用性的电能量信息采集系统，而没有过多考虑电能量信息的分析、应用和管理。系统包含电能量信息数据库、控制服务器、集中器和各种电能量信息采集器等设施。其中，控制服务器是连接用户管理系统和实际电能量采集系统的核心设备，也是实现适应性电能量信息采集策略的重要组成部分。系统的框架如图1所示。

图1 适应性电能量采集系统结构

如图1所示，系统中的电能量采集工作依靠各种通信模式的采集器完成，目前比较流行的有RS－485通信、短距离无线通信等。近年来，考虑到电能量信息采集的普遍性，出现了DLT－2007标准，将电能量采集与电表集成为一体的智能电表设备。通常一个采集点 （如一栋大楼或者一个机房）有一个集中器，负责对多个采集点的数据进行集中搜集。集中器能够适应各种电能量采集协议，匹配多种通信方式。因此，可以把集中器看作一个采集点电能量采集中转代理设备。它接受控制服务器的采集命令，然后用不同的通信模式与具体采集器通信，让采集器执行并完成采集任务的操作要求。

采集电能量的控制要求由控制服务器发送给集中器。一个控制服务器可与多个集中器进行通信，负责控制和管理实际的电能量采集工作。各个集中器采集的各种电能量数据传递到控制服务器之后，控制服务器进行分析和处理，或者保存到数据库，或者根据管理要求产生报警或者通知信息。根据实际应用环境，集中器可通过GPRS、3G、wifi及双绞线等多种网络介质与处于Internet中的控制服务器通信。

不同的电能量管理系统对控制服务器具有不同的电能量采集控制要求；而在某些环境下，具体的用电用户可能通过对智能电表的设置或者通过整体系统提供的接口可以设置其允许采集电能量信息的一些条件以保护隐私。所有这些最终反应到控制服务器形成适应性采集策略。

通常一个完整的电能量信息管理系统需要设置多个控制服务器，一个控制服务器管理多个集中器，而一个集中器管理多个采集设备，这样形成一个具有良好扩展性的分布式层次化电能量采集系统，以便能很好的适应系统规模的扩展。有关这方面的研究和模型已经比较多［8］。本文主要讨论适应性电能量采集机制，而不涉及系统的扩展性框架结构，因此主要面向控制服务器及集中器的设计思想进行讨论。下面说明系统的具体设计思想。

2 系统各部分设计与实现

2.1 数据集中器设计

数据集中器是系统采集器和控制服务器之间的桥梁，主要负责将控制服务器的具体采集要求转发给各不同类型的采集器，并在不同的通信介质中进行信息转换和匹配。它负责检查采集器或者智能电表是否在线，向控制服务器报告管理的各个采集器或者智能电表的状态。数据集中器的技术较为成熟［9，10］，但是具有安全和自动升级功能的数据集中器则比较缺乏。本系统根据适应性采集策略的需要，借鉴了文献 ［9，10］的设计优点，设计了具有安全和自动升级功能的数据集中器，图2是数据集中器的硬件原理结构。

图2 数据集中器硬件原理结构

如图2所示，集中器采用高性能的ARM处理器AT91RM9200，它外部总线接口丰富，扩展性强。支持静态存储器、闪存、SDRAM等多种存储器。

系统存储系统采用了2种存储器，一种是16MB的NOR Flash存储器用于程序存储；另一种是32MB的SDRAM作为程序运行空间。

AT91RM9200具有丰富的通信接口，为了适应不同的采集器通信要求，集中器设计了多组RS－485通信接口，可适应大多数采集器的通信要求。同时对其串口0设计为复用模式，可以适应一些特殊接口的采集器要求。它可以让集中器在某一时刻，只以载波、无线、RS－485三者之一进行通信，适应现场复杂多样的通信要求。远程通信支持有线的以太网和无线的GPRS／CDMA／WIFI等2种模式，便于满足各种网络环境下与控制服务器的通信要求。

集中器为了具有良好的适应性，其内部并不设置对各采集器的具体控制信令。为了适应不同协议的采集器或者智能电表的控制要求，由控制服务器根据集中器连接的采集器类型设置各种控制信令，这样确保了集中器的通用性和设计简单。具体软件结构如图3所示。

数据集中器含有五大主要功能模块，即网络通信管理、安全认证、通信协议处理、采集执行模块、采集器管理等。其中网络通信模块维护与控制服务器的网络通信通道的畅通，适应具体的网络信道。网络认证模块对数据集中器与控制服务器通信的信息进行检查，确保通信的可靠安全。具体的安全策略可由用户配置及定义的协议保证。通信协议处理实现与控制服务器的通信协议解析。采集执行模块根据控制服务器送达的各种控制命令执行采集要求。采集器管理模块则对连接在集中器的各种采集器进行实时的管理，与不同类型采集器进行物理通信，了解其工作状态。

软件采用嵌入式Linux系统，各个模块的核心组件采用插件式结构，便于自动升级。自动升级模块是通信协议处理模块的一个独立子模块，它根据用户配置、当前网络状况、当前数据集中器工作状况等等综合因素决定升级查询、是否下载最新版本及是否进行升级更新等操作。

为了适应不同用户的要求，集中器提供了用户配置模块，具有web配置和命令配置2种模式。用户可以通过配置模块定制集中器各个重要模块的工作方式。比如可以在集中器中设置对某个采集器采集时间周期，以保证用户的隐私要求。

2.2 控制服务器设计

控制服务器是本系统的控制核心，其设计思想体现了适应性采集的要求，图4是控制服务器的模块结构。

控制服务器具有3个核心模块，其中最重要的是适应性采集策略管理 （ACSM）模块，它从管理端 （具体的电能量信息管理系统）、最新的采集数据和数据库等多个地方获取信息，然后经过处理及时更新采集策略，形成最新的采集任务，让集中器根据更新的采集任务进行电能量信息的采集，实现了适应性电能量信息采集目标。采集数据分析 （CDA）模块对采集的数据进行分析，合理数据写入数据库，异常数据提供给ACSM，根据合适的策略决定重新采集还是报警。采集任务管理 （CTM）模块则是对各种采集任务进行调度管理，以实现各种采集要求。

为了匹配集中器的通用性设计要求，控制服务器从数据库中获取各个集中器所管理的采集器类型及命令要求，通过网络协议传输到集中器，让集中器只需要执行采集命令转发，保证可靠通信即可。

2.3 通信协议设计

本系统需要在设计的控制服务器和集中器之间进行通信，因此需要在控制服务器和多个集中器之间设计通信协议。

考虑到集中器作为嵌入式系统，处理能力有限，因此协议的设计采用二进制格式，力求简单高效且具有良好扩展性。图5是协议基本格式。

集中器和控制服务器之间采用UDP协议通信，可以尽量节省集中器的资源消耗。每个报文均采用图5的基本格式进行封装，由前导符、帧长、传输方向、命令字、发送序号、集中器编号、净荷及校验等8个域构成。其中命令字和净荷是协议的关键部分。报文类型由命令字决定，不同的命令具有不同长度的净荷。所有报文类型总字节数不超过255字节 （帧长度是以字节为单位，用1个字节表示）。

为了实现可靠安全通信要求，系统参考了有关电量采集的安全协议［11］。具体的安全通信过程涉及到密码体制和其它安全设施，在此不再详述。是否启用安全机制由2个方面配置决定。一是集中器在系统数据库中的配置要求；二是集中器用户自己设置。系统默认启用简单保密通信机制，用户可以自己配置修改以提高系统安全性。

主要报文类型包含安全连接、设置、控制、查询和采集等构成。集中器本身并不能对采集设备 （采集器或者智能电表）进行具体操作，所有对采集设备的操作由包含在净荷中的特定采集设备协议规定的控制字决定。这样做的优点在于集中器可以连接任何采集设备，而不用更新集中器程序，只需要在控制服务器所连接的数据库更新相关采集设备的命令字数据即可，实现了不同协议采集设备的良好适应性。

集中器需要主动定时向服务器发送登录保活报文。控制服务器则随时向集中器发送各种控制报文。每个报文皆需要应答，超过3s没有应答表示没有送达或者出差，需要重发或者进行出错处理。控制服务器向集中器发送的各种控制报文内容是由采集任务管理模块决定的，而采集任务又是适应性策略模块的决策结果。这样在协议的设计上很好体现了适应性采集的要求。

3 系统适应性设计

3.1 采集任务的定义

为了实现适应性采集的工作目标，系统设计了一个适应性数据结构——采集任务。一个采集任务是一个数据对象的定义。其包含的信息包括3个部分，具体如下：

（1）采集时间定义，包括间隔固定时间循环、预定某个时刻采集和立即采集等多种时间模式；

（2）采集对象定义，可以是一个自定义集合 （自定义的集中器或者采集设备列表）、多个集中器列表或多个采集设备列表，或者一个具体的集中器或采集设备。具有良好的灵活性。

（3）采集参数定义，一个采集任务需要采集的数据种类可以任意定义到采集任务中，实现了采集信息的动态更新。

采集任务由适应性采集策略模块产生或者修改，由采集任务管理模块进行调度管理，由集中器通信处理模块具体发送到不同的集中器实行，最终完成适应性采集要求。

3.2 采集参数的适应性处理过程

如前所述，采集任务具有良好地采集参数定义，可以动态修改或者产生一个采集任务来及时实现电能量信息管理系统中不同用户的采集需求。

不同用户的采集要求可以通过前端系统提供的接口反应到数据库中或者控制协议中，也可以配置在集中器中通过协议查询得到。ACSM收集到这些要求以后，根据相应的策略，自动修改或者决定各个采集任务中的采集数据类型，从而自动适应各种数据采集参数的要求。在控制服务器的集中器通信处理模块中，每次都是根据最新的采集任务对相应的集中器发出采集要求，确保更新参数的采集任务在下一次的采集中立即得到体现。

3.3 采集时间粒度的适应性处理过程

采集任务中具有多样化的采集时间定义，在采集任务管理模块中，严格实行以时间为目标的调度策略。

由于隐私或者业务要求，不同的集中器管理的区域、或者同一个集中器连接的不同采集器可能都有不同的采集时间要求。这些采集时间要求会通过管理系统接口写入数据库或者直接查询集中器得到。ACSM获取这些信息后，会对相应的采集任务的时间定义进行修改，或者产生新的采集任务写入合理的采集时间定义，满足多样化的采集时间粒度要求。

3.4 异常数据的自动补采处理过程

从集中器采集来的数据会首先进入CDA进行分析。在该模块中，会根据具体环境要求设计各种异常数据分析算法，如果分析出采集的数据是异常的，则通知ACSM进行异常数据策略处理。

ACSM根据设定的配置和算法，或者向管理系统发送一个报警信息，或者产生一个应急采集任务进行补采。这种机制可以灵活的在控制服务器中对异常数据进行合理的处理。异常数据的判别算法可以根据用户的要求进行配置或者替换，尽量满足不同环境下的不同要求。

综上所述，基于对采集任务的合理定义，由CDA、CTM及ACSM配合工作，系统实现了适应性设计要求。

4 结束语

适应性电能量采集系统通过合理的设计，可以动态修改采集任务的各种参数，通过CDA、CTM和ACSM等核心模块的相互配合，实现对电能量采集过程中的各种适应性要求。同时，合理的通信协议设计还使整个系统对电能量信息采集装置具有很好的适应性。本系统还能提供良好的接口可以适应各种电能量信息管理系统的需要，为配电企业进行智能配电和用户企业实行节能减排提供了良好的电能量信息基础采集能力。

目前，本系统设计的系统已经在电信机房和基站电能量信息采集系统中得到试用，同时也与智能家居系统结合，在居民小区电能量管理系统中得到应用。经过工程实践反馈的信息，系统设计得到了优化和扩展，较好地解决了各种电能量信息管理系统对电能量信息采集的特殊要求，为我国实现智能电网和节能减排及相关信息化产业提供了可靠的技术支撑。

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