易發(fā)勝，龔海剛，汪海鷹

（1.成都學(xué)院 模式識別與智能信息處理四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610106；2.成都學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610106；3.電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都610054）

0 引 言

隨時(shí)了解用戶用電的電能量數(shù)據(jù)，充分掌握用戶側(cè)能量消耗的模型，便于提供科學(xué)的配電策略，優(yōu)化配電管理，改進(jìn)供電質(zhì)量［1］?；陔娔芰坎杉挠脩魝?cè)能量管理模型的基礎(chǔ)在于提供及時(shí)、準(zhǔn)確的電能量及相關(guān)信息，這也是科學(xué)合理配電調(diào)度的必然要求［2］。由于各種影響因素的存在，電能量數(shù)據(jù)采集常常會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，給相關(guān)系統(tǒng)帶來很大影響，因此一種基于模式識別的電能量數(shù)據(jù)辨識和校正方法被提出［3］。在各種電能量采集系統(tǒng)中還面臨著諸多其它問題。比如家庭用電是電網(wǎng)配電的一個(gè)重要組成部分，伴隨著智能家庭技術(shù)的逐步普及，智能電網(wǎng)如何與智能家居很好地結(jié)合，通過采集家庭用電信息，并利用峰谷電價(jià)調(diào)節(jié)用戶的合理用電習(xí)慣是一個(gè)重要的研究內(nèi)容［4］。同時(shí)，在電能量采集過程中還需滿足防泄漏用戶用電習(xí)慣或家庭活動(dòng)等隱私信息［5］。目前，通過合理設(shè)計(jì)智能電表，防止隨意采集，或者采用變化的采集時(shí)間粒度等方法已被用來保護(hù)用戶隱私［6，7］。

結(jié)合前述相關(guān)問題，本文設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)性電能量采集系統(tǒng)，自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)異常實(shí)現(xiàn)補(bǔ)采，根據(jù)要求動(dòng)態(tài)改變采集信息參數(shù)，并能適應(yīng)采集時(shí)間粒度要求以保護(hù)用戶隱私，還提供了安全傳輸機(jī)制，為配電網(wǎng)各種高級應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支撐。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

適應(yīng)性電能量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一種具有通用性的電能量信息采集系統(tǒng)，而沒有過多考慮電能量信息的分析、應(yīng)用和管理。系統(tǒng)包含電能量信息數(shù)據(jù)庫、控制服務(wù)器、集中器和各種電能量信息采集器等設(shè)施。其中，控制服務(wù)器是連接用戶管理系統(tǒng)和實(shí)際電能量采集系統(tǒng)的核心設(shè)備，也是實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性電能量信息采集策略的重要組成部分。系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 適應(yīng)性電能量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)中的電能量采集工作依靠各種通信模式的采集器完成，目前比較流行的有RS－485通信、短距離無線通信等。近年來，考慮到電能量信息采集的普遍性，出現(xiàn)了DLT－2007標(biāo)準(zhǔn)，將電能量采集與電表集成為一體的智能電表設(shè)備。通常一個(gè)采集點(diǎn) （如一棟大樓或者一個(gè)機(jī)房）有一個(gè)集中器，負(fù)責(zé)對多個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中搜集。集中器能夠適應(yīng)各種電能量采集協(xié)議，匹配多種通信方式。因此，可以把集中器看作一個(gè)采集點(diǎn)電能量采集中轉(zhuǎn)代理設(shè)備。它接受控制服務(wù)器的采集命令，然后用不同的通信模式與具體采集器通信，讓采集器執(zhí)行并完成采集任務(wù)的操作要求。

采集電能量的控制要求由控制服務(wù)器發(fā)送給集中器。一個(gè)控制服務(wù)器可與多個(gè)集中器進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)控制和管理實(shí)際的電能量采集工作。各個(gè)集中器采集的各種電能量數(shù)據(jù)傳遞到控制服務(wù)器之后，控制服務(wù)器進(jìn)行分析和處理，或者保存到數(shù)據(jù)庫，或者根據(jù)管理要求產(chǎn)生報(bào)警或者通知信息。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，集中器可通過GPRS、3G、wifi及雙絞線等多種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)與處于Internet中的控制服務(wù)器通信。

不同的電能量管理系統(tǒng)對控制服務(wù)器具有不同的電能量采集控制要求；而在某些環(huán)境下，具體的用電用戶可能通過對智能電表的設(shè)置或者通過整體系統(tǒng)提供的接口可以設(shè)置其允許采集電能量信息的一些條件以保護(hù)隱私。所有這些最終反應(yīng)到控制服務(wù)器形成適應(yīng)性采集策略。

通常一個(gè)完整的電能量信息管理系統(tǒng)需要設(shè)置多個(gè)控制服務(wù)器，一個(gè)控制服務(wù)器管理多個(gè)集中器，而一個(gè)集中器管理多個(gè)采集設(shè)備，這樣形成一個(gè)具有良好擴(kuò)展性的分布式層次化電能量采集系統(tǒng)，以便能很好的適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展。有關(guān)這方面的研究和模型已經(jīng)比較多［8］。本文主要討論適應(yīng)性電能量采集機(jī)制，而不涉及系統(tǒng)的擴(kuò)展性框架結(jié)構(gòu)，因此主要面向控制服務(wù)器及集中器的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行討論。下面說明系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思想。

2 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中器是系統(tǒng)采集器和控制服務(wù)器之間的橋梁，主要負(fù)責(zé)將控制服務(wù)器的具體采集要求轉(zhuǎn)發(fā)給各不同類型的采集器，并在不同的通信介質(zhì)中進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換和匹配。它負(fù)責(zé)檢查采集器或者智能電表是否在線，向控制服務(wù)器報(bào)告管理的各個(gè)采集器或者智能電表的狀態(tài)。數(shù)據(jù)集中器的技術(shù)較為成熟［9，10］，但是具有安全和自動(dòng)升級功能的數(shù)據(jù)集中器則比較缺乏。本系統(tǒng)根據(jù)適應(yīng)性采集策略的需要，借鑒了文獻(xiàn) ［9，10］的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有安全和自動(dòng)升級功能的數(shù)據(jù)集中器，圖2是數(shù)據(jù)集中器的硬件原理結(jié)構(gòu)。

圖2 數(shù)據(jù)集中器硬件原理結(jié)構(gòu)

如圖2所示，集中器采用高性能的ARM處理器AT91RM9200，它外部總線接口豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)。支持靜態(tài)存儲器、閃存、SDRAM等多種存儲器。

系統(tǒng)存儲系統(tǒng)采用了2種存儲器，一種是16MB的NOR Flash存儲器用于程序存儲；另一種是32MB的SDRAM作為程序運(yùn)行空間。

AT91RM9200具有豐富的通信接口，為了適應(yīng)不同的采集器通信要求，集中器設(shè)計(jì)了多組RS－485通信接口，可適應(yīng)大多數(shù)采集器的通信要求。同時(shí)對其串口0設(shè)計(jì)為復(fù)用模式，可以適應(yīng)一些特殊接口的采集器要求。它可以讓集中器在某一時(shí)刻，只以載波、無線、RS－485三者之一進(jìn)行通信，適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜多樣的通信要求。遠(yuǎn)程通信支持有線的以太網(wǎng)和無線的GPRS／CDMA／WIFI等2種模式，便于滿足各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下與控制服務(wù)器的通信要求。

集中器為了具有良好的適應(yīng)性，其內(nèi)部并不設(shè)置對各采集器的具體控制信令。為了適應(yīng)不同協(xié)議的采集器或者智能電表的控制要求，由控制服務(wù)器根據(jù)集中器連接的采集器類型設(shè)置各種控制信令，這樣確保了集中器的通用性和設(shè)計(jì)簡單。具體軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)集中器含有五大主要功能模塊，即網(wǎng)絡(luò)通信管理、安全認(rèn)證、通信協(xié)議處理、采集執(zhí)行模塊、采集器管理等。其中網(wǎng)絡(luò)通信模塊維護(hù)與控制服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信通道的暢通，適應(yīng)具體的網(wǎng)絡(luò)信道。網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證模塊對數(shù)據(jù)集中器與控制服務(wù)器通信的信息進(jìn)行檢查，確保通信的可靠安全。具體的安全策略可由用戶配置及定義的協(xié)議保證。通信協(xié)議處理實(shí)現(xiàn)與控制服務(wù)器的通信協(xié)議解析。采集執(zhí)行模塊根據(jù)控制服務(wù)器送達(dá)的各種控制命令執(zhí)行采集要求。采集器管理模塊則對連接在集中器的各種采集器進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理，與不同類型采集器進(jìn)行物理通信，了解其工作狀態(tài)。

軟件采用嵌入式Linux系統(tǒng)，各個(gè)模塊的核心組件采用插件式結(jié)構(gòu)，便于自動(dòng)升級。自動(dòng)升級模塊是通信協(xié)議處理模塊的一個(gè)獨(dú)立子模塊，它根據(jù)用戶配置、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況、當(dāng)前數(shù)據(jù)集中器工作狀況等等綜合因素決定升級查詢、是否下載最新版本及是否進(jìn)行升級更新等操作。

為了適應(yīng)不同用戶的要求，集中器提供了用戶配置模塊，具有web配置和命令配置2種模式。用戶可以通過配置模塊定制集中器各個(gè)重要模塊的工作方式。比如可以在集中器中設(shè)置對某個(gè)采集器采集時(shí)間周期，以保證用戶的隱私要求。

2.2 控制服務(wù)器設(shè)計(jì)

控制服務(wù)器是本系統(tǒng)的控制核心，其設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)了適應(yīng)性采集的要求，圖4是控制服務(wù)器的模塊結(jié)構(gòu)。

控制服務(wù)器具有3個(gè)核心模塊，其中最重要的是適應(yīng)性采集策略管理 （ACSM）模塊，它從管理端 （具體的電能量信息管理系統(tǒng)）、最新的采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫等多個(gè)地方獲取信息，然后經(jīng)過處理及時(shí)更新采集策略，形成最新的采集任務(wù)，讓集中器根據(jù)更新的采集任務(wù)進(jìn)行電能量信息的采集，實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)性電能量信息采集目標(biāo)。采集數(shù)據(jù)分析 （CDA）模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，合理數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，異常數(shù)據(jù)提供給ACSM，根據(jù)合適的策略決定重新采集還是報(bào)警。采集任務(wù)管理 （CTM）模塊則是對各種采集任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理，以實(shí)現(xiàn)各種采集要求。

為了匹配集中器的通用性設(shè)計(jì)要求，控制服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中獲取各個(gè)集中器所管理的采集器類型及命令要求，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)郊衅?，讓集中器只需要?zhí)行采集命令轉(zhuǎn)發(fā)，保證可靠通信即可。

2.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要在設(shè)計(jì)的控制服務(wù)器和集中器之間進(jìn)行通信，因此需要在控制服務(wù)器和多個(gè)集中器之間設(shè)計(jì)通信協(xié)議。

考慮到集中器作為嵌入式系統(tǒng)，處理能力有限，因此協(xié)議的設(shè)計(jì)采用二進(jìn)制格式，力求簡單高效且具有良好擴(kuò)展性。圖5是協(xié)議基本格式。

集中器和控制服務(wù)器之間采用UDP協(xié)議通信，可以盡量節(jié)省集中器的資源消耗。每個(gè)報(bào)文均采用圖5的基本格式進(jìn)行封裝，由前導(dǎo)符、幀長、傳輸方向、命令字、發(fā)送序號、集中器編號、凈荷及校驗(yàn)等8個(gè)域構(gòu)成。其中命令字和凈荷是協(xié)議的關(guān)鍵部分。報(bào)文類型由命令字決定，不同的命令具有不同長度的凈荷。所有報(bào)文類型總字節(jié)數(shù)不超過255字節(jié) （幀長度是以字節(jié)為單位，用1個(gè)字節(jié)表示）。

為了實(shí)現(xiàn)可靠安全通信要求，系統(tǒng)參考了有關(guān)電量采集的安全協(xié)議［11］。具體的安全通信過程涉及到密碼體制和其它安全設(shè)施，在此不再詳述。是否啟用安全機(jī)制由2個(gè)方面配置決定。一是集中器在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的配置要求；二是集中器用戶自己設(shè)置。系統(tǒng)默認(rèn)啟用簡單保密通信機(jī)制，用戶可以自己配置修改以提高系統(tǒng)安全性。

主要報(bào)文類型包含安全連接、設(shè)置、控制、查詢和采集等構(gòu)成。集中器本身并不能對采集設(shè)備 （采集器或者智能電表）進(jìn)行具體操作，所有對采集設(shè)備的操作由包含在凈荷中的特定采集設(shè)備協(xié)議規(guī)定的控制字決定。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于集中器可以連接任何采集設(shè)備，而不用更新集中器程序，只需要在控制服務(wù)器所連接的數(shù)據(jù)庫更新相關(guān)采集設(shè)備的命令字?jǐn)?shù)據(jù)即可，實(shí)現(xiàn)了不同協(xié)議采集設(shè)備的良好適應(yīng)性。

集中器需要主動(dòng)定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送登錄?；顖?bào)文?？刂品?wù)器則隨時(shí)向集中器發(fā)送各種控制報(bào)文。每個(gè)報(bào)文皆需要應(yīng)答，超過3s沒有應(yīng)答表示沒有送達(dá)或者出差，需要重發(fā)或者進(jìn)行出錯(cuò)處理?？刂品?wù)器向集中器發(fā)送的各種控制報(bào)文內(nèi)容是由采集任務(wù)管理模塊決定的，而采集任務(wù)又是適應(yīng)性策略模塊的決策結(jié)果。這樣在協(xié)議的設(shè)計(jì)上很好體現(xiàn)了適應(yīng)性采集的要求。

3 系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

3.1 采集任務(wù)的定義

為了實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性采集的工作目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)適應(yīng)性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——采集任務(wù)。一個(gè)采集任務(wù)是一個(gè)數(shù)據(jù)對象的定義。其包含的信息包括3個(gè)部分，具體如下：

（1）采集時(shí)間定義，包括間隔固定時(shí)間循環(huán)、預(yù)定某個(gè)時(shí)刻采集和立即采集等多種時(shí)間模式；

（2）采集對象定義，可以是一個(gè)自定義集合 （自定義的集中器或者采集設(shè)備列表）、多個(gè)集中器列表或多個(gè)采集設(shè)備列表，或者一個(gè)具體的集中器或采集設(shè)備。具有良好的靈活性。

（3）采集參數(shù)定義，一個(gè)采集任務(wù)需要采集的數(shù)據(jù)種類可以任意定義到采集任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)了采集信息的動(dòng)態(tài)更新。

采集任務(wù)由適應(yīng)性采集策略模塊產(chǎn)生或者修改，由采集任務(wù)管理模塊進(jìn)行調(diào)度管理，由集中器通信處理模塊具體發(fā)送到不同的集中器實(shí)行，最終完成適應(yīng)性采集要求。

3.2 采集參數(shù)的適應(yīng)性處理過程

如前所述，采集任務(wù)具有良好地采集參數(shù)定義，可以動(dòng)態(tài)修改或者產(chǎn)生一個(gè)采集任務(wù)來及時(shí)實(shí)現(xiàn)電能量信息管理系統(tǒng)中不同用戶的采集需求。

不同用戶的采集要求可以通過前端系統(tǒng)提供的接口反應(yīng)到數(shù)據(jù)庫中或者控制協(xié)議中，也可以配置在集中器中通過協(xié)議查詢得到。ACSM收集到這些要求以后，根據(jù)相應(yīng)的策略，自動(dòng)修改或者決定各個(gè)采集任務(wù)中的采集數(shù)據(jù)類型，從而自動(dòng)適應(yīng)各種數(shù)據(jù)采集參數(shù)的要求。在控制服務(wù)器的集中器通信處理模塊中，每次都是根據(jù)最新的采集任務(wù)對相應(yīng)的集中器發(fā)出采集要求，確保更新參數(shù)的采集任務(wù)在下一次的采集中立即得到體現(xiàn)。

3.3 采集時(shí)間粒度的適應(yīng)性處理過程

采集任務(wù)中具有多樣化的采集時(shí)間定義，在采集任務(wù)管理模塊中，嚴(yán)格實(shí)行以時(shí)間為目標(biāo)的調(diào)度策略。

由于隱私或者業(yè)務(wù)要求，不同的集中器管理的區(qū)域、或者同一個(gè)集中器連接的不同采集器可能都有不同的采集時(shí)間要求。這些采集時(shí)間要求會(huì)通過管理系統(tǒng)接口寫入數(shù)據(jù)庫或者直接查詢集中器得到。ACSM獲取這些信息后，會(huì)對相應(yīng)的采集任務(wù)的時(shí)間定義進(jìn)行修改，或者產(chǎn)生新的采集任務(wù)寫入合理的采集時(shí)間定義，滿足多樣化的采集時(shí)間粒度要求。

3.4 異常數(shù)據(jù)的自動(dòng)補(bǔ)采處理過程

從集中器采集來的數(shù)據(jù)會(huì)首先進(jìn)入CDA進(jìn)行分析。在該模塊中，會(huì)根據(jù)具體環(huán)境要求設(shè)計(jì)各種異常數(shù)據(jù)分析算法，如果分析出采集的數(shù)據(jù)是異常的，則通知ACSM進(jìn)行異常數(shù)據(jù)策略處理。

ACSM根據(jù)設(shè)定的配置和算法，或者向管理系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)報(bào)警信息，或者產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急采集任務(wù)進(jìn)行補(bǔ)采。這種機(jī)制可以靈活的在控制服務(wù)器中對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理。異常數(shù)據(jù)的判別算法可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行配置或者替換，盡量滿足不同環(huán)境下的不同要求。

綜上所述，基于對采集任務(wù)的合理定義，由CDA、CTM及ACSM配合工作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

適應(yīng)性電能量采集系統(tǒng)通過合理的設(shè)計(jì)，可以動(dòng)態(tài)修改采集任務(wù)的各種參數(shù)，通過CDA、CTM和ACSM等核心模塊的相互配合，實(shí)現(xiàn)對電能量采集過程中的各種適應(yīng)性要求。同時(shí)，合理的通信協(xié)議設(shè)計(jì)還使整個(gè)系統(tǒng)對電能量信息采集裝置具有很好的適應(yīng)性。本系統(tǒng)還能提供良好的接口可以適應(yīng)各種電能量信息管理系統(tǒng)的需要，為配電企業(yè)進(jìn)行智能配電和用戶企業(yè)實(shí)行節(jié)能減排提供了良好的電能量信息基礎(chǔ)采集能力。

目前，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已經(jīng)在電信機(jī)房和基站電能量信息采集系統(tǒng)中得到試用，同時(shí)也與智能家居系統(tǒng)結(jié)合，在居民小區(qū)電能量管理系統(tǒng)中得到應(yīng)用。經(jīng)過工程實(shí)踐反饋的信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到了優(yōu)化和擴(kuò)展，較好地解決了各種電能量信息管理系統(tǒng)對電能量信息采集的特殊要求，為我國實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)和節(jié)能減排及相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)提供了可靠的技術(shù)支撐。

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