基于无线通信的电能计量系统及方法与流程

1.本公开属于电能计量技术领域，具体涉及一种基于无线通信的电能计量系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前，电能量计量设施是配电领域的重要组成部分，其智能化是配电领域智能化的必需。电能量计量设施作为电能量采集、记录以及通讯的重要工具，其智能化将给人们的生活带来很多便利。为了满足科技进步和社会发展对电能量计量自动化提出的越来越高的要求，必须研究和开发性能更加良好的智能电量采集装置(即系统)。
4.近年来，迫于能源危机和环境保护的双重压力，智能电网将会是未来电网发展的一个趋势。智能电网把提高电力服务的运行效率作为重要发展目标，实际发展中智能电网能够促进社会经济发展，才可以保障智能电网正常运行。此外，电能量的计量系统性能在智能电网建设上有重要意义科学合理的设计出关于电能量的计量体系，由于电能量的计量系统中使用无线的通信技术是末来发展的必然趋势，这就需要相关研究人员加强研究。
5.目前，电力通信系统中光纤通信占据主导地位，其中数据网络、远程控制、异地视频、智能手机、平板电脑、掌上电脑、电势能与高清视频等都是在光纤通信的基础上发展起来的，且是由小颗粒发展到大数据、单一飞艺发展到复杂化渐渐演变成多种信息的通信服务。同时，光纤通信能够在110kv骨干的通信网络中运行但是在环境复杂与点多面广的35kv中低的压配售电过程，通信网络的使用就容易受到影响。应急抢修的管理、配网的自动化与架集智能的电能量将会是电网发展必然走向。新时期无线网的逐渐普及改善了原先通信中的一些问题。并且原先通信固有的宽带流量限制、安全性与可靠性，在无线通信的语戮十上，已经无法满足人们的需求。这就需要研究新型的，以及维护性、可靠与适应性都较高的通信方式，只有这样才能满足新时代人们对通信的要求。
6.据发明人了解，现有技术存在的问题及缺陷为：
7.(1)智能电网的飞速发展，电能的计量发展很多，现有的电能计量采用的通信主要采用的是rs485、微功率无线、gprs无线和电力线载波等，但是基于无线的电能计量的发展较为缓慢。
8.(2)无法实现对电网谐波用户的限制管理以减少注入电网的谐波。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本公开提出了一种基于无线通信的电能计量系统及方法，本公开通过对事件畸变点的相关研究，实现精准匹配和全局匹配，匹配识别的准确率高，进而实现了对电网谐波用户的限制管理，减少注入电网的谐波，实现科学用电。
10.根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于无线通信的电能计量系统。
11.一种基于无线通信的电能计量系统，包括硬件单元和软件单元；
12.所述硬件单元包括采集层和网关层；所述采集层包括信息的采集模块和传送模块两个部分，所述采集模块用于将电能量统一后转交给相关信息的传送模块；所述传送模块通过无线通信进行信息的传递，所述网关层自身不能直接进行信息传递，需要通过信息的转换实现传递；
13.所述软件单元包括管理层和电能采集层；通过外围电路使用事件轮循机制实施设计，每个层面进入初始状态以后，系统会自动进入低功耗的模式，这个时候只要发生事件，系统会自动的被唤醒，如果同时发生多个事畸变，系统会根据事件优先级判断每一个事件，并一个一个的实行处理。
14.根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于无线通信的电能计量方法。
15.一种基于无线通信的电能计量方法，采用了第一方案中所述的基于无线通信的电能计量系统，
16.一种基于无线通信的电能计量方法，包括以下步骤：
17.步骤s01：采集层通过使用事件轮循机制，进入初始状态，自动切换低功耗模式，事件时采集层自动被唤醒；若同时发生多个事件畸变，则根据事件的优先级判断每一个事件并逐个处理；
18.步骤s02：网关层通过以太网接到控制器与物理接口的收发器上，同时完成phy与mac有效的匹配；选择相似度高的事件畸变来构建事件畸变点局部结构算子，完成事件畸变点之间的精确匹配；
19.步骤s03：通过传播算法找到满足基准点条件的事件畸变点对，使用新的基准点对继续进行局部区域内的精确匹配；匹配范围上从局部区域逐步传播到整幅图像，完成全局层面的匹配。
20.根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质。
21.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第二方案中所述的基于无线通信的电能计量方法中的步骤。
22.根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种信息数据处理终端。
23.一种基于无线通信的电能计量信息数据处理终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第二方案中所述的基于无线通信的电能计量方法中的步骤。
24.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
25.本公开依托zi gbee无线通信网络，数据采集的隐秘性强，数据的安全性高；在谐波条件下根据波形畸变率thd的不同设一个门槛值(参照国家谐波标准限值)以分别采用不同的计量方式，区分用户是谐波用户还是非谐波用户，对谐波用户进行限制和处罚，从而实现用电的科学管理。
26.本公开中的电能计量方式实质上就是对污染大的谐波源用户采用计量手段实施限制，使用户采取技术改造或更换设备等方式以减少注入电网的谐波，最终达到治理谐波的目的，整体建设的经济较少。
27.本公开中电能计量方法的匹配识别准确率达到98.44％，仿真的匹配分数eer求解为3.56％，可用性较强。
附图说明
28.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
29.图1是本公开实施例一中的基于无线通信的电能计量系统的整体结构图；
30.图2是本公开实施例一中的基于无线通信的电能计量系统的原理图；
31.图3是本公开实施例二中的基于无线通信的电能计量方法的流程图；
32.图4是本公开实施例二中的基于无线通信的电能计量方法的计算原理图。
具体实施方式：
33.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.实施例一
38.本公开实施例提供了一种基于无线通信的电能计量系统。
39.如图1所示的基于无线通信的电能计量系统，包括硬件单元和软件单元；
40.其中，硬件单元包括采集层和网关层；采集层包括信息的采集模块和传送模块两个部分，采集模块用于将电能量统一后转交给相关信息的传送模块；传送模块通过无线通信(例如zi gbee)进行信息的传递，网关层自身不能直接进行信息传递，需要通过信息的转换实现传递；
41.软件单元包括管理层和电能采集层；通过外围电路使用事件轮循机制实施设计，每个层面进入初始状态以后，系统会自动进入低功耗的模式，这个时候只要发生事件，系统会自动的被唤醒，如果同时发生多个事畸变，系统会根据事件优先级判断每一个事件，并一个一个的实行处理。
42.在本实施例中，电能采集层采用cc2530芯片采集层来实现采集数据的显示，有效的提升电能计量的效率，实现基于无线zi gbee网络通信的电能计量方法。
43.在硬件单元的网关层设计中，采用lm3s9b96芯片，通过以太网接到控制器与物理接口的收发器上，芯片同时完成phy与mac有效的匹配；进行phy与mac有效的匹配，可简化芯片的设计，降低生产成本。
44.在硬件单元的采集层设计中，以ad71056芯片为主，cf引脚与单片机相连，计量采用单片机中的采集的谐波含量及谐波，计算不同时段的谐波波形的波形畸变率thd，判断波形畸变率thd与预设波形畸变率阈值关系，最后分别采用不同的计量方式计算电能，所述计算电能计量方式包括通过计量基波功率和谐波功率的代数和的第一计量方式、只计量基波电能的第二计量方式和同时计量基波电能和谐波电能并区分谐波电能的政府的第三计量
方式。
45.如图2所示，预设波形畸变率阈值包括上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值，波形畸变率thd小于下限预设波形畸变率阈值，则采用第一计量方式，w＝w1∑w
n
；
46.其中，w1表示负荷消耗的基波电能，wn表示负荷注入电网或消耗n次谐波电能，其中wn<0为负荷产生的谐波功率，wn>0为负荷消耗的谐波功率；
47.波形畸变率thd在上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值之间时，则采用第二计量方式，w＝w1‑
∑w
n
,；w
h
＝∑w
n
(w
n
＜0)；其中，wh表示负荷注入电网的谐波电能之和；
48.波形畸变率thd人于上限预设波形畸变率阈值，则采用第三计量方式w＝w1‑
|∑w
n
|；w
h
＝∑w
n
(w
n
＜0)。
49.本实施例主要是通过低功耗、近距离的zigbee无线通信网络技术与集成电路设计相结合的相关技术，实现准确率高的精准匹配和全局匹配，实现了对电网谐波用户的限制管理，减少注入电网的谐波，实现科学用电。
50.实施例二
51.本公开实施例介绍了一种基于无线通信的电能计量方法。
52.如图3所示的基于无线通信的电能计量方法，基于实施例一中所介绍的基于无线通信的电能计量系统，包括以下步骤：
53.步骤s01：采集层通过使用事件轮循机制，进入初始状态，自动切换低功耗模式，事件时采集层自动被唤醒；若同时发生多个事件畸变，则根据事件的优先级判断每一个事件并逐个处理；
54.步骤s02：网关层通过以太网接到控制器与物理接口的收发器上，同时完成phy与mac有效的匹配；选择相似度高的事件畸变来构建事件畸变点局部结构算子，完成事件畸变点之间的精确匹配；
55.步骤s03：通过传播算法找到满足基准点条件的事件畸变点对，使用新的基准点对继续进行局部区域内的精确匹配；匹配范围上从局部区域逐步传播到整幅图像，完成全局层面的匹配。
56.作为一种或多种实施方式，在步骤s01中，所述采集层上芯片的cf引脚与单片机相连，采集层进行谐波含量及谐波的采集，芯片的控制器对所采集到的谐波进行计算分析得到不同时段的谐波波形的波形畸变率，判断波形畸变率与预设波形畸变率阈值关系，分别采用不同的计量方式计算电能；
57.所述计算电能计量方式包括通过计量基波功率和谐波功率的代数和的第一计量方式、只计量基波电能的第二计量方式和同时计量基波电能和谐波电能并区分谐波电能的政府的第三计量方式。
58.在本实施例中，如图4所示，所述预设波形畸变率阈值包括上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值，所述波形畸变率小于下限预设波形畸变率阈值时，采用第一计量方式；所述波形畸变率大于上限预设波形畸变率阈值时，采用第三计量方式；所述波形畸变率在上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值之间时，采用第二计量方式。
59.第一计量方式，通过以下公式计算电能：w＝w1‑
∑w
n
；其中，w1表示负荷消耗的基波电能，wn表示负荷注入电网或消耗n次谐波电能，其中wn<0为负荷产生的谐波功率，wn>0为负荷消耗的谐波功率；
60.第二计量方式，通过以下公式计算电能:w＝w1‑
∑w
n
,；w
h
＝∑w
n
(w
n
＜0)；其中，wh表示负荷注入电网的谐波电能之和；
61.第三计量方式，通过以下公式计算电能:w＝w1‑
|∑w
n
|；w
h
＝∑w
n
(w
n
＜0)。
62.作为一种或多种实施方式，在步骤s02中，所述网关层通过以太网接到控制器与物理接口的收发器上，同时完成phy与mac有效的匹配，具体过程为：
63.步骤s2011：输入待匹配事件畸变图像q(x,y)和模板事件畸变图像t(x',y')，使用verifinger sdk对这两幅图像进行处理，获得两幅图像的事件畸变点集合m
q
＝(x,y,θ)
i
(i＝1,...,n1)和m
t
＝(x',y',θ')
i
(i＝1,...,n2)，以及指纹细化图像skeleton
q
和skeleton
t
，其中，(x,y)表示待匹配事件畸变图像q(x,y)的像素点坐标，(x',y')表示模板事件畸变图像t(x',y')的像素点坐标，θ与θ'均表示事件畸变点角度，n1表示待匹配事件畸变图像中事件畸变点总个数，n2表示模板事件畸变图像中事件畸变点总个数；verifinger sdk表示基于pc平台的单机指纹识别算法软件，集成了事件畸变图像预处理、事件畸变图像特征提取、事件畸变图像匹配；
64.步骤s2012：对两幅事件畸变图像的事件畸变点坐标进行尺度为scale＝dpi
t
/dpi
q
的缩放，其中dpi
q
为采集待匹配事件畸变图像q(x,y)所使用指纹传感器的分辨率，dpi
t
为采集模板事件畸变图像t(x',y')所使用指纹传感器的分辨率，缩放前待匹配事件畸变图像中事件畸变点的坐标为(x0,y0)，缩放后的事件畸变点坐标为(x,y)，两者之间的关系如下：
[0065][0066]
步骤s2013：计算待匹配指纹事件畸变点集合m
q
＝(x,y,θ)
i
(i＝1,...,n1)与模板指纹事件畸变点集合m
t
＝(x',y',θ')
i
(i＝1,...,n2)之间的事件畸变点的相似度，并将事件畸变点的相似度进行降序排序，获得事件畸变点的相似度分数集合其中，s(i,j)表示待匹配指纹的第i个事件畸变点与模板指纹的第j个事件畸变点间的匹配分数；
[0067]
步骤s2014：选取事件畸变点的相似度排名靠前的事件畸变点对作为基准配准点对集m
i
(i＝1,...,25)，利用传播算法，根据基准配准点对计算两幅事件畸变图像的匹配分数；
[0068]
步骤s2015：依据多对初始配准事件畸变点计算多个两幅事件畸变图像的匹配分数，并将所得到的多个匹配分数进行排序，选取最高的值作为两幅事件畸变图像的最终匹配分数；
[0069]
步骤s2016：设定固定阈值，将最终匹配分数与所设定固定阈值相比，若最终匹配分数大于阈值则记为真匹配，否则为假匹配。
[0070]
其中，所述步骤s2014的具体过程为：
[0071]
步骤s201401：对事件畸变点的相似度进行从大到小的排序，根据事件畸变点的相似度的排序依次选取m
i
(i＝1,...,25)中的一对事件畸变点对作为基准配准点对；
[0072]
步骤s201402：分别计算两幅图像中其它的事件畸变点相对于基准配准点的极坐
标q(r,t)和t(r',t')，其中，r、t和r'和t'按照以下公式计算如下：
[0073][0074][0075]
r和t分别对应待匹配指纹中其他事件畸变点相对于基准配准点的距离和角度，r'和t'分别对应模板指纹中其他事件畸变点相对于基准配准点的距离和角度；
[0076]
步骤s201403：在待匹配事件畸变图像和模板事件畸变图像中，以基准配准点为中心构造事件畸变点局部结构算子；
[0077]
步骤s201404：将位于待匹配指纹事件畸变点局部结构算子内的事件畸变点统一为事件畸变点集m，依次遍历所有位于模板指纹事件畸变点局部结构算子内的事件畸变点，寻找能与m中事件畸变点匹配的事件畸变点组成集合m'，并判断m与m'中是否存在种子点对sd；
[0078]
步骤s201405：如果存在种子点对sd，则开启传播，以种子点对sd作为新的基准配准点对重复步骤s201403与步骤s201404，没有满足条件的种子点对时，终止传播，即匹配完毕；
[0079]
步骤s201406：所有匹配事件畸变点对的事件畸变点的相似度的和为两幅事件畸变图像之间的匹配分数，计算公式如下：
[0080][0081]
其中，num表示确定为匹配的事件畸变点对数，表示待匹配指纹中事件畸变点i和模板指纹中的事件畸变点j之间的mcc相似度分数。
[0082]
作为一种或多种实施方式，在步骤s02中，构造事件畸变点局部结构算子，具体过程为：
[0083]
步骤s2021：以初始配准事件畸变点为圆心，一定半径长度的圆分成n＝r
×
k个区域，其中r代表圈数，k是按照360度角将其分割的数目，取r＝5，k＝8，r
max
是最外圈的半径，为150像素；
[0084]
步骤s2022：设定待匹配指纹事件畸变点局部结构算子的五个半径的数值分别是：30、60、90、120、150像素，角度区域的范围为：0
°
～45
°
，45
°
～90
°
，90
°
～135
°
，135
°
～180
°
，180
°
～225
°
，225
°
～270
°
，270
°
～315
°
，315
°
～360
°
；
[0085]
步骤s2023：五个半径的数值范围是：0～38像素，18～72像素，44～106像素，70～140像素，96～174像素，模板指纹的局部事件畸变点结构算子角度区域的分割数为8，角度区域的范围在原始八个区域的基础上，每个区域的左右边界各扩大30
°
；
[0086]
步骤s2024：以初始配准事件畸变点方向为基准方向，从内而外的按逆时针方向对事件畸变点结构算子内的扇形区域进行编号。
[0087]
作为一种或多种实施方式，在步骤s03中，判定事件畸变点匹配的两种情况包括：
[0088]
1)判断待匹配事件畸变图像与模板事件畸变图像中的事件畸变点对是否是下一步的基准配准点对，事件畸变点对需满足下式四个条件：
[0089][0090]
其中δr＝|r
‑
r'|，δt＝min{|t
‑
t'|,360
‑
|t
‑
t'|}，δθ＝min{|θ
‑
θ
′
|,360
‑
|θ
‑
θ
′
|}，mcc表示两个对应事件畸变点的mcc相似度，th
r1
、th
t1
、和th
mcc1
为距离、相对角度、事件畸变点角度和相似度等处理的预设阈值，当满足这四个条件的时候，一对事件畸变点被认定为满足基准配准点的条件；
[0091]
2)如果这一对事件畸变点不满足基准配准点的条件，继续判断这一对事件畸变点是否满足普通配准的条件，条件也是四个：
[0092][0093]
如果这一对事件畸变点满足以上条件，则认为是匹配的。
[0094]
本公开数据采集的隐秘性强，数据的安全性高；在谐波条件下根据波形畸变率thd的不同设一个门槛值(参照国家谐波标准限值)以分别采用不同的计量方式，区分用户是谐波用户还是非谐波用户，对谐波用户进行限制和处罚，从而实现用电的科学管理；对污染大的谐波源用户采用计量手段实施限制，使用户采取技术改造或更换设备等方式以减少注入电网的谐波，最终达到治理谐波的目的，整体建设的经济较少；匹配识别准确率达到98.44％，仿真的匹配分数eer求解为3.56％，可用性较强。
[0095]
实施例三
[0096]
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
[0097]
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例二所述的基于无线通信的电能计量方法中的步骤。
[0098]
详细步骤与实施例二提供的基于无线通信的电能计量方法相同，在此不再赘述。
[0099]
实施例四
[0100]
本公开实施例四提供了一种基于无线通信的电能计量信息数据处理终端。
[0101]
一种基于无线通信的电能计量信息数据处理终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例二所述的基于无线通信的电能计量方法中的步骤。
[0102]
详细步骤与实施例二提供的基于无线通信的电能计量方法相同，在此不再赘述。
[0103]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形
式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0104]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0105]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0106]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0107]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0108]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。