鮑亞英 陳險(xiǎn)寧 鮑亞男 趙連江 王哲

摘要：智能用電網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制先進(jìn)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)頻率為傳統(tǒng)通信機(jī)制的10多倍，在信息吞吐量方面降低90%以上，其在計(jì)算和核心設(shè)備控制方面的運(yùn)行負(fù)荷也降低了90%以上，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，實(shí)用性提升。

關(guān)鍵詞：智能用電；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集；通信機(jī)制

1智能用電網(wǎng)絡(luò)的概述

智能用電網(wǎng)絡(luò)屬于典型的用戶側(cè)信息物理系統(tǒng)，它主要以信息能量網(wǎng)關(guān)為核心，通過(guò)能效終端來(lái)連接各個(gè)用電設(shè)備，具有計(jì)算、通信等多項(xiàng)功能。為了優(yōu)化智能用電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與通信機(jī)制，滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求，可以配合信息物理系統(tǒng)理論，提出基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)與事件驅(qū)動(dòng)的多智能數(shù)據(jù)采集與通信體制，構(gòu)建機(jī)制混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證智能用電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)吞吐量與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

2分析智能用電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和通信應(yīng)具備的特點(diǎn)

2.1實(shí)時(shí)性

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中，需要實(shí)時(shí)獲知物理設(shè)備的工作狀態(tài)及當(dāng)下的物理環(huán)境，進(jìn)而實(shí)時(shí)計(jì)算出符合當(dāng)下目標(biāo)的最優(yōu)的控制策略。特別是當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)，要及時(shí)下達(dá)控制指令，對(duì)目標(biāo)設(shè)備和周圍環(huán)境進(jìn)行干預(yù)。

2.2動(dòng)態(tài)可變性

動(dòng)態(tài)可變性是指交互界面下數(shù)據(jù)的非確定及不可預(yù)測(cè)性。

2.3可信性

為了實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治的高級(jí)功能，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算和反饋的過(guò)程中，需要保證數(shù)據(jù)的正確性、可靠性及安全性。

2.4多樣性

智能用電網(wǎng)絡(luò)中存在多種類型的數(shù)據(jù)，如表征電器運(yùn)行狀態(tài)及表征周圍物理環(huán)境的各種參數(shù)，這些目標(biāo)監(jiān)測(cè)參數(shù)共同構(gòu)成了數(shù)據(jù)的多樣性，并為更加準(zhǔn)確的識(shí)別和預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和能效水平提供了支持。

2.5海量性

隨著物理信息系統(tǒng)的不斷更新和發(fā)展，其規(guī)模、功能等都有所升級(jí)，物理設(shè)備在實(shí)時(shí)監(jiān)控和交互時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。

2.6通信設(shè)備資源有限

目前應(yīng)用在用戶側(cè)信息物理系統(tǒng)的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，特別是無(wú)線局域網(wǎng)通信設(shè)備具有低功耗、低成本、低通信速率、資源和功能高度有限等特點(diǎn)，使得這些設(shè)備的計(jì)算速度、數(shù)據(jù)處理能力、信息傳輸速度都十分有限?？芍?，智能用電網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的資源有限性和采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)可變性、海量性和多樣性在某種程度上是矛盾的。為了兼容這兩種要求，需要先分析用電設(shè)備狀態(tài)參數(shù)曲線特性，根據(jù)其特性，在采樣保真度得到保證的前提下，盡可能減少通信量。

3智能用電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與通信機(jī)制設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)了解用電設(shè)備狀態(tài)參數(shù)變化情況，并進(jìn)行采樣的目的是使智能用電網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，評(píng)估其能效情況，對(duì)它進(jìn)行精確控制等。將狀態(tài)參數(shù)曲線頻率設(shè)置為f，已知數(shù)據(jù)可變，得出f為不定值，用電設(shè)備狀態(tài)為非工作或穩(wěn)定工作，f→0；反之，狀態(tài)不穩(wěn)定，f→N，N為實(shí)數(shù)。即

其中，W（tj）、Ws、Wb分別表示用電設(shè)備在tj時(shí)刻、穩(wěn)定、非穩(wěn)定情境下的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)通過(guò)精確記錄設(shè)備動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定工作過(guò)程，以符合信息物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性特征。根據(jù)已知的采樣定理，當(dāng)采樣頻率fs比信號(hào)最大頻率兩倍還大時(shí)，可實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的還原，即

基于前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備考量，其數(shù)據(jù)采樣過(guò)程呈現(xiàn)持續(xù)性特征。采樣最小間隔由設(shè)備芯片各次循環(huán)花費(fèi)時(shí)間決定，對(duì)應(yīng)采樣頻率為，依據(jù)智能用電網(wǎng)絡(luò)情況可知，動(dòng)態(tài)情境下的用電設(shè)備，即使采樣頻率非常高，也能符合采樣定理要求，保證真實(shí)性?；谟?jì)算控制核心設(shè)備考量，整體系統(tǒng)采樣設(shè)備與前端設(shè)備的數(shù)據(jù)上報(bào)通信頻率相關(guān)，后者是否上報(bào)數(shù)據(jù)又受時(shí)間響應(yīng)和事件響應(yīng)判定結(jié)構(gòu)影響。倘若有足夠的條件設(shè)立通信機(jī)制，當(dāng)用電設(shè)備狀態(tài)為Wtj時(shí)，響應(yīng)機(jī)制判斷為真的概率P（Wtj）滿足：

該情境下，系統(tǒng)是不定頻率fws的采樣，且

這一數(shù)據(jù)采集和通信機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于不僅與信息物理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求吻合，而且使核心計(jì)算設(shè)備和通信模塊的壓力得到了緩解。

4智能用電網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)

4.1分析建模

將嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建作為智能用電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和通信機(jī)制混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建起點(diǎn)，注重嵌入式系統(tǒng)與物理過(guò)程的結(jié)合。智能用電網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)主要是事件狀態(tài)和混合系統(tǒng)控制相結(jié)合。智能用電網(wǎng)絡(luò)要依托應(yīng)用限制條件和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景需求，劃定系統(tǒng)狀態(tài)，科學(xué)規(guī)劃狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，減少信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)異構(gòu)性差異。

4.2形式化規(guī)格

它借助數(shù)學(xué)符號(hào)，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行狀態(tài)下的必須屬性進(jìn)行描述。線性時(shí)序邏輯功能在于對(duì)混合系統(tǒng)軌跡要求進(jìn)行準(zhǔn)確描述，用于系統(tǒng)屬性展示。主要通過(guò)線性時(shí)序邏輯對(duì)智能用電網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)屬性進(jìn)行表述。在這一表述過(guò)程中可知系統(tǒng)的不變量是由其包含的安全性和活躍性來(lái)構(gòu)建的。

4.3分析可到達(dá)性

系統(tǒng)是否與時(shí)序化邏輯公式表達(dá)的形式化規(guī)格算法吻合由模型檢測(cè)來(lái)確定。該過(guò)程以計(jì)算系統(tǒng)可到達(dá)狀態(tài)集為核心。混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間很大，常規(guī)模型檢測(cè)方式不具備適用性，多采用符號(hào)化模型檢測(cè)方法，應(yīng)用原理為依托命題邏輯公式對(duì)某個(gè)狀態(tài)集進(jìn)行符號(hào)化表示，繼而直接在狀態(tài)集合上處理模型檢測(cè)。該研究以混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借助智能插座和信息能量網(wǎng)關(guān)，對(duì)該機(jī)制原型系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，從而驗(yàn)證智能用電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與通信機(jī)制的高效與否。無(wú)論是智能插座的核心處理芯片，還是通信方式都是依據(jù)實(shí)驗(yàn)本身?yè)駜?yōu)選取的，能量信息網(wǎng)關(guān)選用的是因特爾生產(chǎn)的Quark系列網(wǎng)關(guān)Riban，ATOM處理器，CPU基準(zhǔn)頻率是400MHZ。

5結(jié)語(yǔ)

總之，作為最重要的用戶側(cè)信息物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，智能用電網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建方面具有低成本、低功耗等諸多優(yōu)勢(shì)，而且其在數(shù)據(jù)采集與通信方面的實(shí)時(shí)性與動(dòng)態(tài)可變性也非常實(shí)用。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：國(guó)網(wǎng)葫蘆島供電公司）