智能用电网络数据采集与通信机制的研究

智能用电网络数据采集与通信机制的研究

郑志军

身份证号码：37078219780716xxxx；山东鲁能泰山铁塔有限公司山东省诸城市262233

摘要：智能用电网络是一种典型的用户侧信息物理系统，它以信息能量网关为中心，通过能效终端连接各种实际用电设备而形成，具备计算、通信、精确控制、远程协调和自治等功能。本文在文献提出的智能用电网络的基础上，分析了智能用电网络的数据采集和通信的主要需求，结合信息物理系统理论，提出了基于时间驱动和事件驱动的多智能体数据采集和通信机制，建立了该机制的混合动态系统。利用线性时序逻辑描述了模型的形式化规格，并利用符号化模型检测对该模型进行了可到达性分析。一方面，该机制将数据采集和通信分离，充分利用前端数据采集设备的计算能力，以分布式的思想分散系统的计算压力；另一方面，该机制的信息物理系统的状态转移条件基于当下时刻的物理特征和先前某一状态的物理特征，以物理的动态过程来决定信息系统的动作，即是否将采集的数据上报，从而在满足采样要求的前提下降低了通信量，提高了通信效率。

关键词：智能用电网络；用户侧信息物理系统；混合动态系统

1智能用电网络主要功能及其对通信的要求

1.1实时性

在现实应用场景中，需要实时获知物理设备的工作状态以及当下的物理环境，进而实时计算出符合当下目标的最优的控制策略。特别是当出现突发状况时，要及时下达控制指令，对目标设备和周围环境进行干预。

1.2动态可变性

在智能用电网络中，动态可变性主要是指数据在交互过程中的不确定性和不可预测性。

1.3可信性

为了实现信息物理系统精确控制、远程协调和自治的高级功能，在进行数据采集、传输、计算和反馈的过程中，需要保证数据的正确性、可靠性和安全性。

1.4海量性

随着信息物理系统所要求实现的功能不断升级以及规模的不断扩大，数量庞大的物理设备在实时监控和彼此的交互过程中会产生海量的数据。

1.5多样性

智能用电网络中存在多种类型的数据，如表征电器运行状态以及表征周围物理环境的各种参数，这些目标监测参数共同构成了数据的多样性，并为更加准确的识别和预测监测设备的运行状态和能效水平提供了支持。

2混合动态系统

2.1智能用电网络通信机制的混合动态系统分析建模

混合动态系统被广泛接受的系统模型是Alur提出的基于三元组模型Σ=(X,Γ,φ)的时间自动机和混合自动机[13-14]，其中，X表示离散事件子系统的有向图，Γ代表系统的连续动态特性，φ表示X和Γ之间的关系，也即离散状态间的状态转移条件：X×Γ→X。该系统模型还需要有时钟信号来表征时耗。时钟可以用一阶微分方程建模：

式中，vm是系统在响应开始时的模式，vm∈V。当12pp∨¬为真时，若系统处在模式A时，由于不满足第一个状态集合的条件，所以要进行状态转移，只能转移到模式B中；若系统处在模式B中，则恰好符合第二个状态集合的条件，所以系统会继续停留在模式B中，这样就证明了系统满足式(17)的属性。同理可证，系统满足式(18)的属性。所以系统的每条轨迹都满足上述两个LTL属性。

3实验验证

3.1实时性分析

从采样点的分布来看，本文提出的通信机制的采样点更多地分布在用电设备工作状态发生改变的时候，满足公式(5)的要求。从饮水机功率采样数据的时标(见附录A的表A1)来看，在约1s的两次动态过程中，本文提出的通信机制共上报了7次数据，动态区间的采样点数占总采样点数的比例为43.75%，而1秒间隔的被动轮询机制动态区间的采样点数占总采样点数的比例为0.16%。可见本文传输机制对于用电设备的动态过程也能够进行毫秒级的追踪。

3.2数据吞吐量

对于饮水机这种简单用电设备和笔记本电脑这种非线性用电设备，本文提出的通信机制相比较1s间隔的被动轮询机制，数据监测频率上升了10倍，能够更加快速地跟随用电器的状态变化，但信息吞吐量反而分别降低了98.87%和94.55%，CPU使用率平均值分别降低了约90%和91.85%。较低的CPU使用频率为网络规模的扩大提供了前提条件。

4结论

作为用户侧信息物理系统的一种实现方式，智能用电网络的构建主要以低功耗、低成本、低通信速率、资源和功能高度有限的嵌入式物联网设备为基础。基于智能用电网络，本文提出了基于时间驱动和事件驱动的多智能体数据采集和通信机制，并建立了混合动态系统，利用线性时序逻辑描述了该系统的形式化规格，并利用符号化模型检测对该系统进行了可到达性分析。本文通过实验证明了该机制能够满足智能用电网络对于数据采集和通信在实时性、动态可变性、可信性、海量性、多样性和节省通信设备资源等方面的要求。相比较等间隔被动轮询式的通讯机制，本文提出的数据采集和通讯机制能够降低通讯量、提高系统效率和稳定性，能够较为精确地记录物理设备的稳态和动态特性，为用电设备的机器识别和能效评估提供了行之有效的现实基础。

参考文献：

[1]刘东，盛万兴，王云，等．电网信息物理系统的关键技术及其进展[J]．中国电机工程学报，2015，35(14)：3522-3531．

[2]赵俊华，文福拴，薛禹胜，等．电力CPS的架构及其实现技术与挑战[J]．电力系统自动化，2010，34(16)：1-7．

[3]赵俊华，文福拴，薛禹胜，等．电力信息物理融合系统的建模分析与控制研究框架[J]．电力系统自动化，2011，35(16)：1-8．