在线用户电能数据采集-监控-稽查一体化系统研究

梁 飞汪海燕周 睿周媛奉胡婷婷

(1.国网宁夏营销服务中心(国网宁夏计量中心)，宁夏 银川 750011；2.国网(宁夏)综合能源服务有限公司，宁夏 银川 750011)

能源计量信息化管理是能源计量工作的重要组成部分[1-3]。首先对于主要耗能行业，用能单位，利用现代网络技术和无线传感器，可以实现电能在线监测和管理，同时也利于各地电网对于电能计量数据的采集，它不仅可以引导高耗能企业合理评估，开展节能管理。也利于国家电网对用户的实时监控[4-6]。在线用户电能数据采集也可克服人工抄表存在的各种弊端。

随着经济的发展与社会的进步，电力行业也随之发生改变，大数据驱动已经成为电力系统发展的主要方向[7-10]。但随着社会用电需求的不断增加，用户用电，智能化电力设备和常规电力设备的在线监测都得到了较大发展并成为趋势，监测数据变得日益庞大，在线监测系统面临越来越大的技术挑战。

文献[11]研究表明，当前，国内外研究人员针对用电异常检测提出多种不同方法，有聚类分析法、局部离群因子法、支持向量机、神经网络等。例如文献[12]提出一种基于密度聚类技术的用电异常检测算法，通过关联分析法结合当前用电量总和给出关联规则，进行用电异常检测。但这些方法均存在弊端，比如基于支持向量机的异常识别模型的适用面较窄，面对数据量较大和种类较多的情况无法进行处理等。且现阶段较少文献研究基于实时监测数据与历史数据相结合的用户异常行为稽查方案。缺少对异常数据的深入分析与处理。

基于以上分析，本文提出了一个实际应用系统:在线用户电能数据采集-监控-稽查一体化系统，基于大数据，灰色模型与k-means 算法提出在线稽查业务，有利于供电企业提高企业管理水平和经济效益。

1 电能数据采集-监控-稽查一体化系统

1.1 系统硬件架构

本网络由电能表、智能数据采集终端和远程管理平台组成，如图1 所示。这些电能表负责通过RS-458或电力线载波信道测量数据和发送数据。智能数据采集终端通过GPRS 将所采集的电能数据传送至远程管理平台通道。远程管理平台实现了对能源数据的远程监控、存储、分析和管理。

图1 电能数据采集-监控-稽查一体化系统

智能数据采集终端由在线数据采集模块(包括RS-485 模块和电力线载波模块)、单片机系统、GPRS DTU 和人机界面组成，如图1 所示。在线数据采集单片机处理系统由STM32 控制器、时钟电路和复位电路组成。用于从数据采集模块读取电能数据，并通过GPRS DTU 与远程管理平台进行数据交换。STM32 单片机通过串口分别与RS 485、电源线载波和GPRS DTU 相连。

1.2 系统软件结构

作为一种在线电能数据采集与监测系统，实时性是一个重要的指标。实时操作系统的应用是保证实时性能的常用方法，但这意味着更大的代码量和RAM 成本。

在该系统中，我们可以在不使用实时操作系统的情况下控制多个任务。一方面，系统使用的是STM32F103ZET6 芯片，没有足够的闪存和RAM 用于操作系统移植，这意味着需要增加内存芯片的成本。另一方面，采用类似于时间循环的方法可以满足设计要求。对于该方法，为了保证实时性，采用定时中断间隔设计，将各个功能模块设计为一个任务，对所有任务及时进行多任务管理。

如图2 所示，左边是主程序，只安排协议分析任务，右边是定时器中断子程序，安排所有其他任务。这些任务包括时钟调整任务、数据采集任务、LCD显示任务、RTC 任务、密钥管理任务和GPRS 连接任务。在我们的应用程序中，时钟任务为系统提供了一个时间基础，以便每个任务可以按照指定的节奏运行。数据采集任务用于电能表定时采集数据，采集频率可调。LCD 显示任务和密钥管理任务用于现场管理和参数设置。RTC 任务是智能数据采集终端的时间信息来源。GPRS 连接任务保证采集终端始终在线，当终端与主站的连接断开时，可以实现自动重连接。所有任务都被置于定期的监控周期中，使每个任务都是实时的，系统如何监控各种任务是一个关键问题。我们设置了50 ms 的定时器中断，经过测试，发现运行每个任务的时间花费小于时间间隔，可以满足实时的需要。智能数据采集终端作为电能表与主站之间的数据转接站，它包含上行和下行通信协议集，因此协议分析任务是最重要的任务，它主要有两大功能:

图2 定时器中断程序框图

(1)数据采集终端的数据分析；终端通过分析上行和下行通信协议，接收来自串口的数据包，并根据数据包的内容进行相应的操作。

(2)完成上行和下行通信协议的转换后，上游和下游之间的数据包格式不同。因此，在通过GPRS 通道将数据包发送到远程管理平台之前，需要进行一些转换。

下行通信采用RS-485 模块和电力线载波模块作为硬件接口，以满足不同的现场需求。电力线传输可以利用现有的电力线载波通过模拟信号或数字信号进行高速传输，但配电变压器和开关对电力线载波信号具有阻挡作用。此外，电力线载波还存在其他缺点，限制了其应用范围。虽然RS-485 需要额外布线，但传输距离和抗干扰能力对于系统设计来说十分必要。“DL/T645-2007 多功能电能表通信协议”作为下行链路的通信协议，按照中华人民共和国电力行业标准编制。通过通信协议，我们可以实现电网中电能表的控制和数据读取。最终可以得到不同的能量数据，如视在功率、视在能量、表观需求、组合有功负荷曲线、功率因数等。

合理的通信协议是保证通信精度的必要条件。通过对抄表时间的控制，实现了对抄表文件的管理，保证了抄表的实时性。通过测试我们知道，在2 400 bit/s的波特率下，读取一种数据至少需要50 ms，但不会超过2 s。因此当采集终端发送抄表指令时，计时器同时开始计时。如果采集终端在2 s后未收到回复，则记录电能表地址，并停止读取该电能表。待文件中所有的电能表采集完毕后，采集终端再次读取记录中的电能表。从而保证了系统的实时性，不会漏掉任何电能表。

上行通信协议使用Q/GDW1376.1 2012 电力用户电能采集系统通信协议。其使用GPRS 通道进行远程数据交换。远程传输功能由GPRS DTU 实现。GPRS DTU 是一种用于在串行数据和IP 数据包之间转换的设备。使用GPRS 时需要解决的一个问题是:如果主机和终端断开链路，终端需要发送登录请求，这样链路才能重新连接。

因此，合理的重接机制是实现电能在线采集与监测系统的必要条件。在我们的系统中，我们设计了这样的方法:系统启动后，终端连接到主站并发送登录框，然后是终端等待确认帧，如果收到确认帧，终端开始发送心跳包(发射频率可调)。其他终端连接到主站并再次发送登录框，终端等待确认帧，如果收到它，终端在一个共同的传播频率周期性发送心跳包，否则，连续发送三次心跳包(时间间隔10 s)，如果这三个心跳包已经回答，终端继续在一个共同的传播频率周期性发送心跳包，如果不是，则终端连接到主站，如图3 所示。该方法可以保证采集终端始终在线。这也是实时的前提。

图3 终端连接主站的程序框图

无论是上行通信还是下行通信，我们都严格遵守了协议，实现了可靠的通信结果和较强的纠错能力。

2 基于数据稽查的远程管理平台

2.1 数据处理架构

远程管理计算机接收包含所有相关电能表值的协议包。为了便于操作，这些数据被转换成标准的电子协议数据，并通过TCP/IP 传输。网络服务程序在指定的端口上监听IP 数据包，并用GPRS、LAN或WIFI 发送数据。

数据处理程序由Visual C++实现，负责从GPRS DTU、LAN 或WIFI 接收标准协议数据。Visual C++在使用前必须解析DTU 数据的顺序。获取的数据存储在数据库中，并在监控数据中心显示。这样，数据可以在过程周期中立即存储到SQL 数据库中，并在消费周期中以恒定的速度显示。

Visual C++通过ODBC 接口连接SQL 数据库。为了提高数据库中数据的显示性能，需要在常量时间内建立索引，以避免在Visual C++中进行查询。同时，数据不仅要实时显示，还要达到历史查询和异常报警的目的。

2.2 异常数据稽查算法

本文在前文论述的管理平台基础上，基于大数据技术提出用电稽查模块的结构框图，如图4 所示。本框图主要分为数据源，分析模型，功能分类与终端展示模块。

图4 基于大数据技术的用电稽查模块的结构框图

此平台数据来源主要为计量系统、外部系统和营销系统。用户行为检测主要基于负荷电量数据，气象经济信息以及营销系统记录的客户档案。通过特征提取、关联性分析以及模型预测等分析手段，可以实现用户行为分析、管理及用电稽查的功能。最终以可视化的展示方法呈现在所设计的终端管理平台。

针对用电稽查的具体实现方式，采用基于k-means 的方法，该方法主要包含五个步骤:数据选择与处理，基于灰色关联法的关联性分析，基于k-means 的负荷模式提取，系数修正，以及用电异常的稽查。具体步骤如下:

(1)采用Z-Score 标准化方法对所获取的数据进行处理，对于数据x=(x1，x2，x3，…，xn)，建立f映射:

式中:x¯ 为数据x的平均值，s为数据x的标准差。此外，对于文本数据，需要将类型属性量化处理，例如将四个季节分别设置为1-4。

(2)关联度计算，反应特征的参考序列Y(k)与参考序列Xi(k)的关联系数ξi(k)计算公式如(2)所示。

记Δi(k)=｜y(k)-xi(k)｜，则

式中:ρ∈(0，∞)。一般ρ取值为(0，1)，当ρ≤0.546 3时，分辨力最好，本文取ρ=0.5。ξi(k)是矩阵xi的第k个元素与矩阵Y的第k个元素之间的关联系数。

关联系数是其在各个时刻或条件下的关联程度值，数值不止一个，因此信息过于分散不便于进行整体性比较。作为两个序列关联程度的数量表示，本文以求平均值为例，其量化值ri计算公式如下:

(3)负荷模式提取，本步骤基于k-means 方法进行负荷模式提取。该方法是一种基于划分的聚类方法，对于输入数据，以k为参数，把n个对象分为k个簇。通过不断更新迭代聚类中心，计算每个样本与簇之间的距离，直至误差函数收敛为止。

本平台可基于此方法对用户的负荷数据进行聚类以得到典型负荷曲线。

(4)系数修正，本文的用电稽查算法考虑外在气象因素，由于负荷与温度湿度相关性较高，笔者根据式(5)和式(6)对负荷F进行修正，

式中:α和β为通过灰色关联分析方法计算的负荷与温度和湿度的关联度；T和H为当天最高温度和平均湿度。F20和F30分别为温度为20°时和相对湿度为30%的平均负荷。

(5)用电异常的稽查，设k种典型的负荷模型，有n个用户数据，修正的负荷曲线为F(F1，F2，F3，…，Fk)。经过标准化处理的数据为B(B1，B2，B3，…，Bn)，根据式(7)计算F与B之间的欧氏距离d。

式中:N为变量数，i和j表示样本序数。最后根据距离进行降序排序，排序靠前的则为稽查结果中的嫌疑用户。

3 结束语

本文提出了一个实际应用系统:在线用户电能数据采集-监控-稽查一体化系统。

首先，设计了系统框架，该系统由智能数据采集终端和管理平台组成。智能数据采集终端通过电力线载波或RS-485 从电能表获取数据，即为下行通信。终端通过GPRS 通道与远程管理平台传输数据，即为上行通信。下行通信使用DL/T645-2007 多功能电能表通信协议，上行通信协议使用Q/GDW1376.1 2012 电力用户电能采集系统通信协议。两种协议均符合国家标准，与不同企业的电能表产品具有良好的兼容性。

此外，智能数据采集终端由在线数据采集模块(包括RS-485 模块和电力线载波模块)、单片机系统、GPRS DTU 和人机界面组成。在线数据采集单片机处理系统由STM32 控制器、时钟电路和复位电路组成。用于从数据采集模块读取电能数据，并通过GPRS DTU与远程管理平台进行数据交换。STM32 单片机通过串口分别与RS 485、电源线载波和GPRS DTU 相连。

在软件方面，设计了严格的抄表时间控制机制和动态数据存储管理模式，保证了较高的实时性。最后，基于大数据与k-means 算法提出在线稽查业务，有利于供电企业提高企业管理水平和经济效益。