基于智能检测技术的电能量采集终端研究

杨光辉, 冯豆, 李自愿, 赵勇

(国网安徽省电力有限公司亳州供电公司, 安徽 亳州 236800)

0 引言

智能电网对于电能量数据采集有着很大的需求，但是配电系统中的电能统计表每家每户都需要使用，所以数量非常的多并且电表所处的位置地形环境非常复杂、分布非常分散，并且由于电表安装时间跨度非常大，所以电表种类非常多，统计起来非常困难，需要浪费非常大的人力物力。如文献[1]所示，文献介绍的是一种通过4G/GPRS和红外通信技术实现自动抄表的网络系统，但是由于老城区和农村的电表种类过于繁多并且分布杂乱，很难良好地进行自动化的抄表行为[1]。如文献[2]所示，文献介绍了一种通过掌上GPS定位系统进行电能量数据采集的技术，但是由于GPS定位系统本身的定位精度问题，并且部分用户的电表会安装在很接近的位置，因此仅通过GPS定位系统无法把电表与用户完全的一一对应[2]。如文献[3]所示，文献设计了一种基于J2EE架构的电能量信息采集系统的软件，但是其仅从软件出发，设计了这种电力监控系统，但并未从硬件实现方面进行思考，并不能很好地对真实环境中的电能量数据进行更好的统计，真实使用还需要一些实现步骤[3]。

针对上述方法的缺点，本文设计了一种软硬件相结合的方法，通过对软件和硬件进行不同方面优化，实现自动化的电能量信息采集，不但能够节省大量的人力与物力资源，而且能够大大推动智能化电网的发展[4-5]。

1 智能化电能量采集终端设计

为了实现自动化的电能量采集终端，本文主要分别从软件和硬件两个方面出发：其中软件方面通过设计了一种新的终端访问协议，通过访问协议数据传输更稳定、更安全；在硬件方面通过设计一种新的采集结构进行数据采集，使电能量信息采集更高效，数据传输更稳定。从两个方面对电能量信息采集系统进行优化，可以使系统更高效地运行[6-7]。下面分别对软件和硬件进行详细的论述。

1.1 电能量采集终端访问协议设计

在智能化电能量数据采集终端的软件运行方面，本文设计了一种新的终端访问协议，设计的访问协议的详细内容[8]如下。

A表示电力数据库；B表示识别器；C表示电信号采集终端；M表示识别器输出的请求消息；PB表示B的请求标识；SC表示C的假名；PC表示C的本次请求标识;QC表示C的上一次请求标识；HC为PC经过Hash计算后的值;W表示B的权限;E为同步标识，判断A和C是否同步，E=0，标识同步，E=1，标识不同步；KB表示B与电力数据库的密钥；KC表示C与电力数据库的密钥。

第一步：B随机产生数b，将M和b同时发送到C，创建本次终端访问请求。

第二步：C在接收到M和b后随机产生数CB并计算出QC，如果E=0，QC=H(PC)，E=1，反之QC=H(PC‖CB),由C将得出的QC和CB输送到B。其中,QC表示C的上一次请求标识，H(PC)表示标识的具体内容。

第三步：B在接收到QC和CB后,使Q=H(PB‖b),将得出的QB、QC、CB和b输送到A。

第四步：A在接收到QB、QC、CB和b后，需要对B进行审核，利用数b判断满足H′(PB‖b)=H(PB‖b)的PB，如判断失败则禁止访问，反之继续对B进行审核。

找出所有的PC的HC，如果存在HC=QC，则审核通过。如果不存在HC=QC，则判断H(PC‖CB)是否等于QC,如果H(PC‖CB)等于QC则审核通过。如果H(PC‖CB)不等于QC则判断H(QC‖CB)是否等于QC,如果H(QC‖CB)等于QC则审核通过，反之则终止访问。

B通过A的审核后，使MC=KC(SC‖CB‖b),Q=H(PC‖CB‖b),密钥为K，操作权限为W，将数据回传给B。

第五步：B在接收到A的回复后使用KB对数据进行解密，得到W、MC、K(QC)和K，使用MC对K、W、K(QC)进行加密并输送至C。

第六步：C在接收到B发来的数据后，使用KC及SC得出MC、K、W和K(QC),使用K得出QC，QC=H(PC‖CB‖b),则PC=H(PC‖b)，E=0，电能量数据采集终端访问身份认证完成。

第七步：在身份认证完成后进行数据传输，B将数据请求加密后发送至C，C对请求解密进行处理。如果B请求读取信息，C将信息加密后发送给B。如果B请求增改信息，C需要通过W来判断B是否具有增改的权限。如果B具有权限则C进行增改信息，如果B没有权限C将对B发送警告信息，B没有权限并多次发送请求信息C将不会对B进行任何回应。

该终端访问协议通过数据加密算法对数据进行处理，可以数据传输的信息为密文，并且能够进行数字签名，因此通过该终端访问协议能够使电能量信息采集终端能够更加稳定的运行，并且进行数据传输更加安全，数据上传的节点可以更准确地查询。

1.2 电能量采集终端硬件设计

对于设计的电能量信息采集终端硬件主要由集中器、抄表器和电能表三部分组成。其中集中器和抄表器在低压的电力线中进行数据传输，最后把终端采集到数据进行上传，电力数据进入数据库后对数据进行分析，实现电力调度的智能化。

1.2.1 集中器硬件设计

集中器部件主要是实现对数据的汇总，并通过数据传输通道接收和发送信息。电能量信息采集终端集中器硬件组成图，如图1所示。

图1 集中器硬件组成图

如图1所示，其中虚线表示电力传输线路，实线表示为信息传输线路。首先通过抄表模块来记录智能电表的数据，之后使获得的数据存储在存储模块中，该系统硬件中有两种对外传输和接受数据的方法，分别为载波模块和无线模块。

1.2.2 抄表器硬件设计

抄表器是通过抄表模块对智能电表数据进行记录，并通过控制模块实现对用电数据储存和上传。载波抄表器结构的构成图，如图2所示。

图2 载波抄表器结构图

如图2所示，本文使用了对两种不同的电表进行抄表的模块，分别是脉冲表和智能表。通过抄表模块进行智能电表获取的数据传入控制模块，对所获取的数据进行处理，可以通过抄表模块的储存器模块进行储存数据或者通过载波模块上传采集到的数据给集中器模块，实现控制功能。

1.2.3 控制器模块的选取

由于电表的分布广泛，使用环境多种多样，所以与电表配套的载波抄表器和集中器需要处于同样恶劣的环境汇总。其中最精密的仪器就是控制模块，为此需要一种性能稳定的控制模块，以此选取了8051单片机这种工艺成熟，性能稳定的单片机。8051单片机结构示意图，如图3所示。

图3 单片机结构示意图

通过上述文章对智能化电能量信息采集终端硬件结构的叙述，可以发现采集终端硬件的设计可以通过模块化处理使采集终端更有扩展力，使采集终端的运行更加稳定，采集效率大大提高。

2 智能化电能量采集终端应用

通过上文对电能量信息采集终端的研究，发现电能量信息采集智能化是电能量信息采集的大势所趋，自动化电能量信息采集终端是智能化电网的基石，智能化电网进行电力调度需要大量的电力使用情况数据用来作为智能电网对电力调度的依据，因此智能化电网需要自动化的电能量数据采集终端来使其快速发展。为体现智能化电能量信息采集终端在智能化电网中的重要性，因此本文通过电力营销业务的整体流程图来体现，如图4所示。

图4 电力营销业务的流程图

首先是电力营销部门对用户进行销售电力，自动化的电能量信息采集设备对用户的用电情况进行收取，通过对收集的数据进行处理，实现电网端和用户端的电力调度，通过对数据的计算，分析电网各部分的电能损耗情况。

由于电能量数据采集和管理是由各个进行供电的分公司进行管理工作，这是一种分布式管理系统。对于这种分布式管理系统采用B/S(Browser/Server)软件管理结构能够拥有更优秀的管理效能。并采用SSH(Struts/Spring/Hibernate)框架进行软件管理，自动化的电能量信息采集终端体系结构图，如图5所示。

图5 电能量信息采集体系结构图

如图5所示，采用显示层、业务逻辑层和数据保存层三层的数据架构图。各个层面拥有着不同的作用，每个层面之间以提前设立接口进行连接，这样可以大大降低程序之间的耦合度，增强整体程序的扩展能力，使其更利于系统管理和发展。其中显示层采用Struts框架技术，并利用JSP(Java Server Pages)技术来实现智能化的电能量信息采集情况通过显示页面的进行呈现。在业务逻辑层利用Spring框架优秀的协调作用，实现对于电能量采集系统各个项目不同逻辑的协调处理。在数据保存层主要是对数据库进行管理，通过Hibernate.cfg.xml配置文件实现实际物品与数据表结构形成连接。电能量信息采集终端技术整体框架图，如图6所示。

图6 电能量信息采集技术架构图

本小节分析了电能量信息采集终端在智能检测系统的应用。首先分析采集终端在电力营销业务方面的作用，之后通过分析智能化电能量信息采集系统的研究，可以发现信息采集终端是智能化电力调度系统的基石，智能化电网的发展需要更加稳定高效的采集终端。

3 系统实际运行分析

为验证本文设计的智能化电能量信息采集终端的运行效果，本文共设计了两个实验，实验一是验证该系统在真实环境中对电能量信息采集的准确度，实验二是考察该系统在极端的环境下的运行情况。在本次实验中采用试验分析环境的参数设置为：选用Windows 10作为操作系统平台，Matlab2020为仿真软件，设置计算机内存为5G，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz。

3.1 电能量终端真实运行实验

该实验采用实地调研进行，对某小区98户用户的电表安装本文设计的智能化的电能量信息采集终端，进行为期90天的考察实验，每天对每个用户采集10组数据，通过采取的数据进行分析该智能化电能量信息采集终端的运行情况。该采集终端信息获取完整度情况统计图，如图7所示。

图7 信息获取完整度统计图

如图7所示为每一户在这90天内的考察期每数据获取的完整度，其采集的数据正确完整度在99.7%以上。并通过对采集到的这98户的用电数据和变电站对这98户的供电数据进行分析，得出对这98户用户的线路损耗为5.21%，与对电路理论计算的5.42%的线路损耗相差小于1%。通过分析可以发现本文设计的采集终端在正常运行环境下拥有极高的运行稳定性。

3.2 极端环境下的运行情况

为考察该智能化电能量信息采集终端在极端恶劣天气下的运行情况，本次实验通过采用变温箱来模拟真实环境下的运行情况，分别使该采集终端在-20℃和50℃两种温度下数据采集情况，本次实验进行十组，每组选取500数据，分析其获取数据完整度和正确率，在这两种极端情况下的统计图，如图8所示。

图8 极端环境运行统计图

如图8所示为在极端温度下该智能化电能量采集终端采集数据的准确性和完整性的情况，其中实线表示为-20 ℃情况下终端数据采集的统计情况，虚线表示为50 ℃情况下终端数据采集的统计情况在图中可以明显看出由于恶劣的运行环境使信息采集器的采集数据的准确率和完整性有所下降，平均正确率达到99%左右，最小值在98%以上。可以知道该采集终端能够在极端的温度条件下依然能够提供稳定的数据采集能力。

4 总结

本文设计了一种智能化的电能量信息采集终端，该终端首先通过抄表模块抄写电表的用电数据，再通过集中模块使采集到的电力数据集中到电力公司的数据库中，最后通过对采集到的电力数据进行分析，实现对电力的调度的自动化。本文设计了一种新的电能量采集终端访问协议，通过这种协议能够更安全地进行数据传输。虽然本研究有一定的技术创新性，但是仍旧存在很多不足，需要进一步的探索和研究。