基于物联网技术的电力设备数据实时采集系统

基于物联网技术的电力设备数据实时采集系统

郭徐平 ,阿卜杜许库尔·图尔迪 ,金天学 ,吴东海

国网新疆电力有限公司喀什供电公司  新疆  喀什市  844000

摘要：随着信息化技术和数字化技术的发展，电力物联网的应用定能够提高电力系统运行可靠性与安全稳定性，将大大提高数据采集的工作效率，实现数据的高度共享，从而提高统计数据质量。同时，它亦能满足保护环境，节能减排的可持续发展的要求，促使电网结构水平进入一个更高的层次。

关键词：物联网技术；电力设备数据；实时采集系统

1电力设备数据实时采集系统

1.1电力设备数据实时采集系统的总体设计

（1）智能感知层。智能感知层是用于完成电力设备运行全部信息的感知和采集，主要通过智能传感器、ＲＦＩＤ等完成设备运行状态感知，并且利用嵌入式微处理器完成数据智能化处理以及规范化处理后，经由数据通信层实行传送。（2）数据通信层。该层是系统实行数据传输、通信以及共享的依据以及通道，其采用多网关联合设计，可通过不同网络的接入，包括ＺｉｇＢｅｅ网、ＬＰ-ＷＡＮ无线网以及电力企业内部设有的骨干传输网等，保证数据传输的安全、完整以及稳定性传送至数据整合层。同时该层具备数据过滤功能，可最大程度去除数据中冗余信息，提升数据通信效率。（3）数据整合层。该层用于完成感知层感知获取数据的横向和纵向整合，存储至编码数据库中。

1.2电力设备数据实时采集系统的硬件设计

智能感知层主要作用是完成电力设备数据的感知和采集。该层主要通过标识体系完成电力设备数据感知，该体系分为感知、编码、标识、识别以及解码５个部分。其中，感知主要依据各类传感器完成；编码和标识以及识别则依据ＥＰＣ电力设备编码、ＲＦＩＤ电子标签和读写器、全景集成平台实现。为将感知和采集的数据实行标准化、一致化处理，该层采用嵌入式微处理器完成。并依据不同编码和标识的区分，构建编码相应数据库，用于存储处理后相对应的电力数据，并通过网络接口完成数据通信。该层在运行过程中，为避免发生电源断连导致数据丢失，在电源部分实行５Ｖ直流电源的外联，同时外挂３Ｖ电池，并且利用ＭＡＸ６３６５转换器完成电源转换；ＣＰＵ部分则采用高速处理器，同时通过协议栈使ＣＰＵ的频率高达７５ＭＨｚ，采集的电力设备数据信号经由ＴＣＬ２５４３芯片实行转换后，存储至由ＡＭ２９ＬＶ０８１芯片组成的存储单元中；网络接口用于完成该层与其他层之间的数据通信。

1.3电力设备数据实时采集系统的软件设计

本文设计的电力设备数据实时采集系统软件部分基于ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ平台，采用ＶＣ＋＋进行编制，充分发挥面向对象的功能，实现软件模块的易升级易修改，设计友好的用户界面，便于用户操作。在用户模式下，该程序可以通过调用ＤＬＬ动态链接库控制数据采集程序；在内核模式下，驱动程序发送指令，实现对硬件的控制。由于本文系统的数据通信采用多网关联合方式完成，为避免电力设备数据在通信以及传输过程中，突发数据流量造成网络拥塞，在多网关联合结构中的核心处理器中部署加权队列调度算法，用于实现突发数据流量的调度，保证电力数据的实时传输。

2电力系统中的数据采集系统

2.1智能电表

智能电表为与用户直接相联系的采集终端，安装在小区单元楼下。有关数据采集方面，需要实现的功能如下：（1）基本数据采集。基本数据采集包括（单相及三相）电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、电压电流相位差、时钟等。基本功能与传统电表相同，并能提供分时段、分费率计费功能。（2）数据传输与反馈。通过RS485、电力载波、GPRS等通信方式实现智能电表与集中器的数据传输和反馈。（3）状态自检。智能电表需要设备自检功能，能够向集中器报告运行状态和故障信息，包括自身运行工况、表计通信异常、参数修改、人工校时和设置数据值、电能量数据异常等。

2.2集中器

集中器与智能电表和信息管理系统进行双向通信，可实现数据汇集、数据暂存、数据传输等功能。其主要功能有：（1）数据传输和反馈。通过RS485通信规约或GPRS等方式与智能电表进行通信和反馈。通过GPRS、以太网等通信方式与信息管理系统进行通信和反馈。通过ARQ等方式进行通信状态反馈。（2）数据统计。对集中器的抄表数据进行存储和统计，以便在完成各智能电表的数据汇集之后，能够将数据转发给信息管理系统。需要小型的数据库系统。（3）状态自检。集中器需要设备自检功能，能够向信息管理系统报告运行状态和故障信息，包括自身运行工况、表计通信异常、参数修改、人工校时和设置数据值、电能量数据异常等。

2.3信息管理系统

信息管理系统主要对采集的海量数据进行保存、统计、分析和反馈。其中，数据传输和反馈主要通过GPRS、以太网等通信方式与集中器进行通信和反馈，并通过ARQ、FEC等方式进行通信状态反馈。数据统计就是对各集中器传输的数据进行保存，生成有关大型数据库，提供实时数据、计算数据、历史数据、基本电量、统计电量、核算电费等信息，并可提供分时间、分类型、分用户等多方位、多视图的数据展现方式。数据分析就是使用数据挖掘软件，对历史电量数据进行分析，预测未来电量走势，为发电配电提供数据参考。通过分析用户用电情况，统计、排查用电异常用户。而数据反馈即是反馈抄表起止时间、抄表用户、参数设置等信息给集中器，并提供公共数据接口，供电费核算、用电管理信息系统数据交换。

3数据采集系统的网络传输

3.1 RS485通信规约

RS485通信规约是在RS232接口的基础上发展起来的通信接口技术，主要应用于智能电力设备的数据传输方面。其技术发展比较成熟，已经具有一定的商业化规模。RS485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/s，如果传输更长的距离，需要加485中继器。RS485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。RS485通信在低速短距离条件下可以采用普通的双绞线，在高速短距离条件下则必须使用阻抗匹配的专用RS485电缆。在具体实现时，智能电表和集中器的网络传输可选用此通信方式。

3.2 GPRS

GPRS作为GSM的移动数据业务，具有最高114Kb/s的速率，能够满足低层的数据传输要求。其商业化规模已经非常成熟，现有的网络覆盖能够满足低层的数据传输要求。由于采用GPRS无需另外架设网络，只需要租用移动运营商现有的GPRS网络即可，而目前的GPRS通信流量费用比较低廉，对于数据量并不大的低层数据传输而言，是较好的网络方式。

3.3电力载波

电力载波通信方式是利用电力线进行传输，优点是无需另外架构网络设施，投资较少。其缺点是本身复杂性很高，我国电力线信号质量差、噪声严重，可靠性还存在一定问题。在安全性方面，由于电力载波属于专网传输，所以对于普通用户的安全保障较高；但是对于专业的入侵者，由于缺乏有效的接入控制和加密解密标准，攻击者可使用多种攻击手段，其对数据传输的安全保障机制不够完善。因此，对于具有一定保密要求和可靠性要求的电力数据而言，电力载波是经济的方式，但并不适用。

3.4射频通信方式

借助于各种射频通信模块，智能电表和集中器及集中器和小区电力中心的信息管理系统可选用射频通信方式来传输数据。采用射频通信方式来建立低层的数据传输网络，成本较低，是较好的方案。但是，由于应用于电力系统的射频通信并无统一标准或规定，导致了采用不同方案的不同设备之间无法进行通信。其在兼容性和可扩展性方面具有一定的问题。

4结语

本文设计基于物联网技术的电力设备数据实时采集系统，最大限度地保障电力设备数据采集的实时性以及通信的实时性和完整性。经测试：本文系统可有效、可靠完成电力设备运行过程中信号数据的采集，数据采集结果的有效值和峰值误差均在限制范围内，并且多网关联合设计优势明显，发生突发数据流量时可快速完成数据调度，最大程度降低数据通信拥塞率。

参考文献：

[1]辛金国.基于物联网技术的统计数据采集系统构建探索[J].统计与咨询.2021（06）.

[2]徐凤萍.基于物联网的数据采集系统的硬件设计与实现[J].自动化应用.2018（12）.