具有智能电表的网络的配电系统的制作方法

具有智能电表的网络的配电系统
发明领域
1.本发明涉及一种具有自组织网络联网能力的“智能电表”型的智能多用途电表设备。
2.除了传统的和必要的计量功能之外，本文提出的解决方案允许用于实时地分布式监测电网状态的高级网络连接、非接触式近场支付系统以及表征连接到电网上的电负载的诊断能力。
现有技术
3.现有技术中的电子电力计量设备以高时间分辨率对功率进行采样，以获得在各种分配步骤上的瞬时电压v和电流i值，并存储功率的各个量，以便在规则的时间范围内将这些信息传输到配电电网。因此，在各种电力计量设备和位于配电电网中的中央处理器之间交换的数据量增加。
4.文件it102016000020629描述了一种用于在配电电网中共享电力的智能电表设备。该设备使用时间驱动方法在实际和连续时间中操作，其中数据仅在给定事件发生时传输。通过提供与重要动态相关的数据，以及与实时调节兼容的时间线，在网络中传输事件。
5.多种解决方案在本领域中也是已知的，例如，在题为“systems and methods for edge of network voltage control of a power grid”的文件us2019089158中描述的重新平衡技术。
6.其他文件涉及使用加密货币的技术，例如题为“smart power meter”的文件us 2019086235。
7.最后，已经解决了分布式计费问题，如标题为“a method and system for selling electricity of a distributed smart meter”的文件cn 109272384所公开的。
8.文件us2019/0123580和us2009/0267792示出了地理网状网络中智能电表的连接示例，用于增加连接的冗余，以确保增加单个电表的查询概率，从而恢复关于消费的信息。
9.发明概述
10.数字化正在改变能源领域的商业架构，通过重新划定边界和重新定义例如电力的消费者和供应商之间的交互。
11.技术、电信和数据分析的进步导致配电系统运营商dso、消费者和供应商的生态系统发生了根本性的变化。
12.数字化使配电系统运营商dso能够深入了解和控制网络，这些网络到目前为止由于其结构而被认为是被动的。
13.因此，网络可以达到提高的效率水平并使其对客户端的通信现代化。
14.本发明旨在开发电力公用设施且更确切地说是配电系统的运营商dso对数字基础设施的有效使用。
15.为此目的，还提出了一种在使用配电电网中可用的资源时的优化策略。
16.特别地，本发明在智能能源网络(称为智能电网)领域中，用于使各种参与者能够
相互通信，同时在任何情况下使用传统的通信层在各方之间共享信息的新观点下胜过传统的分层架构，该通信层使用相同的配电线本身(plc——电力线通信)作为传输电缆。
17.本发明基于在先意大利专利(102016000020629)和在先意大利专利申请(102019000003519)的进展。
18.以下发明允许改进：
[0019]-与其他类似设备一起自动建立自组织智能网络的能力，用于共享与一组家庭单相和三相公用设施(岛)的能源承诺(生产和消费)有关的信息；这样的网络将它所连接的整个网络的消费状态通知单个仪表；
[0020]-通过在云中实现分析本地测量的电压和电流数据的神经网络来表征与网络相关联的负载的能力；
[0021]-除传统收费系统外，还能够接受采用近场通信nfc技术(即，最常应用于电子支付领域的短程通信技术)的付款，以及
[0022]-与诸如燃气和水的其他公用设施的仪表的连接，由于其性质，这些仪表只能通过蜂窝电话网络与运营商进行数字连接。
[0023]
本发明涉及一种用于检测/管理电力的设备，其方式与传统智能电表(例如，用于读取电力消费的传统的enel(意大利国家电力供应公司)电表)相同，其创新元素是与连接到同一mv/lv(中压/低压)变电所的其他智能电表自主交互的可能性，以便在本地共享关于生产的信息(当存在时)和关于每个单独公用设施的消费的信息。这些信息可以用于控制和主动地重新平衡电压或重新定相(re-phase)电流。
[0024]
附图简述
[0025]
借助于附图中所示的附图，通过以非限制性示例的方式提供的以下描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，在附图中：
[0026]
图1示出了智能电表与电网re和消费公用设施的连接架构；
[0027]
图2示出了mv/lv配电站下游的各个智能电表的网状连接；
[0028]
图3示出了组成智能电表的基本部件；
[0029]
图4示出了用于管理整个智能电表的片上系统(soc)的内部架构；
[0030]
图5示出了基于fiware keyrock generic enabler的计费系统(accounting system)以及导致生成令牌的相关流程；
[0031]
图6示出了实现的架构，其中安装了智能电表的每个公寓与云基础设施和提供各种服务的实体通信；和
[0032]
图7通过流程图示出了在表征步骤和在训练步骤中在收集的数据和神经网络之间的交互。
[0033]
根据本描述的部件在附图中已酌情用常规符号表示，只示出与理解本发明的实施例有关的具体细节，以便不强调参考下面提供的描述对本领域的技术人员来说很显然的细节。
[0034]
发明的详细描述
[0035]
图1描述了本文提出的解决方案的基本架构。特别是，在单相公用设施的情况下，与电网的连接可以是简单的，或者在三相公用设施的情况下，连接可以是更为复杂的。
[0036]
电力表100(以下也表示为智能电表)具体地连接5到家庭公用设施ud，并利用与电
网re的双向通信10交换信息。它可以在单相和三相版本中实现。
[0037]
本发明包括一种电子电力表的新概念。
[0038]
具体地，参照图2，第一智能电表电力表100a与连接在同一配电线路上的所有其他智能电表100实时对话，该配电线路从图中的数字20表示的mv/lv转换站分岔。
[0039]
对于连接到智能电表100的用户ud，这种信息交换以完全自主且透明的方式发生。
[0040]
网络net的智能电表节点100之间的多个且全面的互连15导致关于网络net的能量状态(生产和消费)的信息始终在网络的每个智能电表节点100中可用。
[0041]
具体地，网络net被创建成使得每个单独的智能电表节点100直接与至少三个其他智能电表节点100通信，如图2所示。
[0042]
自然，与剩余智能电表节点100的连接以间接连接和通过其他智能电表节点100的通路(中继(hop))的方式发生。
[0043]
因此，通过查询存在于网络net中的单个智能电表100，电网运营商gre可以即时获得关于网络net的能量状态(生产和消费)的信息。
[0044]
显然除了电网运营商gre使用的常规收费服务之外，这种关于网络net的能量状态的共享信息将被用于实施具体的控制实践。
[0045]
这样设想的智能电表100之间的连接15的毛细管结构使得电网运营商gre即使在存在局部或分布式故障的情况下也非常容易恢复网络net的状态。
[0046]
因此，借助于各个智能电表100之间的若干连接15，存在网络net的最优容错。特别地，网络net被构建成在连接15中具有冗余，使得每个单独的智能电表节点100可以被多个其他智能电表100到达。
[0047]
智能电表100之间的通信通过(传送波)电力线上的标准g3、prime或metes-and-more协议进行，即已经在全球范围内进行规范。通信协议选择的灵活性使得智能电表100实际上可用于运营商使用的通信协议在上述那些协议中的所有国家和国际环境。
[0048]
本发明的智能电表100具有根据无线协议(例如但不限于蓝牙、wi-fi、nfc)或有线协议(例如但不限于以太网、modbus、canbus)的本地连接。
[0049]
本地连接允许连接的冗余、创新的收费管理方法(按需支付)、与家庭消费监测系统(智能插头)的接口以及家庭公用设施ud的能源分析(energy profiling)。
[0050]
无线连接允许查询额外的仪表设备，例如燃气表和水表。
[0051]
本文描述的解决方案的目的是用于管理所有家庭公用设施ud的技术中心(hub)，由于其特征，家庭公用设施ud在电话信号覆盖不足以使用基于gsm范例的电信系统的区域中不适于远程管理。
[0052]
参照图3，每个智能电表100包括信息处理系统101、存储器102、计量部(metrology section)103、plc线路驱动器104、供电系统105、显示器106、一个或更多个有线网络接口107和一个或更多个无线网络接口108。
[0053]
发明人已知的现有技术并没有突出类似的内容，因为到目前为止，没有智能电表能够通过与其他智能电表交互来独立地与其他电表对话，以分发关于整个网络的消费状态的知识，并建立旨在优化和提高供电质量的信息交换。
[0054]
现有技术中的电子电力计量设备以高时间分辨率对功率进行采样，以获得瞬时电压v和电流i值，并存储功率的各个量，以便在规则的时间范围内将这类信息传输到配电电
网运营商。因此，给定量的数据在各种电子电力计量设备和位于配电电网中的中央处理器之间交换。
[0055]
本发明的设备通过计量部103解决所有的主电力计量功能。电压和电流的(或在三相公用设施的情况下电压和电流的)的采样和电力的评估在计量部103中通过被计量的电力的积分算法进行。这种操作可以根据立法需要和电网运营商gre的需要在任何时间范围内进行。
[0056]
根据本发明的智能电表设备100具有与传统电子表相同的模拟输入；它在真实和连续的时间内操作。
[0057]
除了在固件中已经编程的用于实现计量功能的算法之外，根据本发明的智能电表设备100具有用于建立自组织网络连接的自主算法，而无需控制器节点在网络上安装第一智能电表时进行操作。
[0058]
根据本发明的智能电表设备100以示出智能电表电力设备(sme)100和其中的模块的图4中的框图来示意。
[0059]
特别是，图4示出了电网re，它是待计量的功率信号的来源。
[0060]
在智能电表设备100中包括数字测量电路模块cdm，即计量部103，该智能电表设备100包括与板载微处理器集成的片上系统soc和适于向智能电表设备100供电的设备105。
[0061]
片上系统soc在其中具有plc电力线通信单元，以用于将数据传输到配电电网redi的运营商，从而遵循根据通用标准g3、prime、meter-and-more协议的各种传输标准。
[0062]
片上系统soc在其中具有专用计量电路103，具有用于检测各个相位上的电压v和电流i的传感器svi，用于存储关于消费和/或生产和/或存储动态的数据的存储器设备dm 102，以及通常诸如lcd屏幕的用户界面iu106。
[0063]
此外，智能电表设备100具有不同的本地连接接口。
[0064]
智能电表100的主要创新特征包含在被存储在微控制器中的微代码(固件)中。
[0065]
微代码是按照实时操作系统rtos的范例开发的。微代码同时执行计量、信息传输、数据存储、外设管理的功能。这些操作(线程)中的每一个都以并发方式执行，而不中断其他操作。
[0066]
出于明显的安全和消费数据防伪的原因，能量计量线程位于存储器dm 102的不可访问的位置，并且以加密的方式保护。
[0067]
plc通信线程管理将被路由到电网运营商gre的数据流(输出收费数据、输入数据，例如固件升级或设置断开)以及各种智能电表100之间的通信网络。
[0068]
主线程管理智能电表100上的所有i/o外设。它对有线传输接口107和无线传输接口108进行配置，并与诸如智能插头和用于诸如水和燃气的家庭服务的其它智能电表100的其它外设交互。
[0069]
除了已经描述的线程之外，独立的线程使用基于puf(物理不可克隆功能)的低成本计算认证过程来管理多个智能电表100之间的网络net的创建。
[0070]
网络net在其中挑选超级节点，根据延迟时间进行选择，它与集中器通信。在没有这个超级节点的情况下，它自动转到第二个挑选的节点。
[0071]
在独立的公用设施中安装智能电表的过程中建立了网络net。第一智能电表100与通常驻留在mv/lv站中的网络控制器对话，并通过puf(物理不可克隆功能)算法进行认证。
[0072]
然后连接到相同配电线路的每个智能电表将以相同的方式被认证，并将接收已经连接的其他智能电表100的网络地址的更新表。
[0073]
在认证过程结束时，或者可能在安装新的智能电表100时，网络net完成，并且标识符地址表在每个智能电表100上可用并更新。
[0074]
此时，智能电表100开始彼此交换信息，填充表，同时将其消费数据与其他智能电表100的地址相关联。
[0075]
由此创建的网络net能够借助于基于延迟时间的挑选算法来挑选协调节点。在挑选程序结束时，将对节点进行分类，从而即使个别挑选的节点失去可见性，其也将立即由分类中的第二节点取代。
[0076]
由此识别的超级节点直接与控制器节点对话，向其发送具有整个网络net的消费数据的表。
[0077]
在微代码中实现的另一个线程借助快速傅立叶变换(fft)评估电力的能量谱，以便表征连接到智能电表100的不同电负载。
[0078]
这可以通过能够在包括智能电表100的获取模块和基于云的系统cloud之间接口连接的系统来实现，所述cloud被设想为提供所需的数据处理和存储。这些单独的模块借助于http协议进行通信，但是通信也可以由智能电表100的附加模块委托，该附加模块通过在iot环境中广泛使用的通信协议(诸如mqtt)连接到智能电表100。
[0079]
一旦频谱形成，如上所述，智能电表100将与负载的表征所需的高级云系统进行通信；这种通信必然是基于web的，并且出于这个原因，做出使用http(超文本传输协议)协议的决定。
[0080]
各种服务(参见图6)从云端合并到docker容器中。
[0081]
docker是一个开源项目，它在容器中自动化应用部署，从而提供额外的抽象，并因此通过linux操作系统级的虚拟化提高了安全级别，从而避免了维护和虚拟机。
[0082]
通过使用fiware keyrock generic enabler容器结合wilma pep proxy可获得用于计费am所需的服务(参见图6)；这允许通过生成令牌oauth2.0来管理各种用户的角色和权限，如图5所示；详细地说，计费系统由web应用wapp、wilma pep proxy wlm和keyrock key形成，其交互流程如下：
[0083]-web应用wapp允许用户通过向返回访问令牌的keyrock key发送访问凭据来进行身份验证；
[0084]-用户通过web应用wapp发送到keyrock key的每个请求都与访问令牌一起发送到wilma pep proxy wlm，wilma pep proxy wlm是唯一能够直接与keyrock key交互的模块。
[0085]
神经网络neural-net nn(参见图6)使用brain.js库，并通过由服务器web serv公开的restful api在各种请求中进行交互，以允许对负载的表征，对神经网络nn的训练，对待表征的设备的添加和消除。
[0086]
如果不可能从具有与频谱相关的确切数量的特征的电表中获得完整的计量值，那么可以在电表端添加能够管理通过javascript函数接收的数据解析的node-red nr(参见图6)docker容器。这允许保存相对于计量值的同构数据。
[0087]
存档服务(参见图6)通过非关系数据库db可获得。
[0088]
称为cloudmeter的数据库db由五个主要集合组成：
[0089]-度量收集，其中收集来自智能电表100的所有计量值；计量值来自的智能电表100的标识符id也在该集合中，以便能够追溯回到后者的持有者；
[0090]-用户收集，其中收集与用户相关联的所有信息；
[0091]-电表收集，其中收集与智能电表100相关联的所有信息；
[0092]-数据集，其用于为用于训练神经网络的数据提供所需的格式；和
[0093]-历史记录收集，其用于跟踪每个注册设备的消费历史记录。
[0094]
数据库和集合上的每个操作由服务器web serv和相关的restful api管理；服务器web通过计费模块am从相关角色中识别所有多元化用户(标准用户、智能电表100或电网运营商grt)，并允许他们进行由restful api管理的请求，该restful api允许与集合交互。
[0095]
图6示出了多个公寓a1、a2、a3和a4借助于上述智能电表100连接到电网运营商grt的场景。
[0096]
特别地，每个公寓a1、a2、a3和a4包括连接到智能电表100的多个公用设施。特别地，公寓a1具有冰箱f、电视tv、一个或更多个光源lamp、洗衣机或洗碗机lav、无线蜂窝电话cel和计算机pc，它们借助于智能电表100连接到电网。
[0097]
负载表征功能在图7中的流程图中描述的神经网络中实现。
[0098]
智能电表100在步骤1000中获取数据，并且服务器上的连续处理在步骤1002中。决策步骤1004检查神经网络是否被完全训练。
[0099]
如果是，则步骤1006评估设备的状态，并且接连的步骤1008保存在数据库db中。最后，检查返回到数据获取步骤1000。
[0100]
如果不是，即如果神经网络没有被完全训练，则该功能继续到步骤1010，在步骤1010中存在计量值获取步骤并存储在数据库db中。然后是步骤1012，在步骤1012中，解析所获取的数据，并且在步骤1014中训练神经网络。在步骤1014结束时，过程返回到数据获取步骤1000。
[0101]
在目前的情况下，选择了一种基于监督学习技术的方法来实现具有输入层的前馈神经网络，该输入层具有的神经元数量等于每个计量值的特征数量。
[0102]
监督学习是一种自动学习技术，目的是训练计算机系统，使其能够在最初提供的由成对的输入和输出组成的一系列理想示例的基础上，自动处理系统关于输入的输出值的预测。
[0103]
前馈神经网络或前馈网络是人工神经网络，其中单元之间的连接不形成循环，因此将其区别于递归神经网络。这种类型的神经网络是最早发展起来的，也是最简单的。该神经网络中的信息只在一个方向上移动，相对于输入节点、通过隐藏节点(如果它们存在的话)向前移动直到输出节点。网络中没有循环。前馈网络没有以前时间的输入存储器，因此输出仅由当前输入确定。
[0104]
在训练时，神经网络能够将作为输入向其发送的读数与由数量等于设备数量的元素组成的输出载体相关联；针对这些元素中的每一个生成0到1之间的数字；小于0.5的值的数字被编码为设备的状态0(关)，反之亦然，更大的值被编码为当前设备的状态1(开)。
[0105]
在单个智能电表100所固有的神经网络nn的数据采集和训练的步骤(其在公寓中添加新设备的情况下将重复)之后，由单个智能电表100所获取的每个计量值借助于http协议被发送到服务器web serv，然后由对应的神经网络通过服务器web serv公开的相关
restful api自动评估，以便知道设备的状态。
[0106]
明显地，在理解本发明的原理的情况下，构造细节和实施例可以相对于通过非限制性示例描述和公开的内容而广泛变化，而不偏离本发明的范围。