本发明涉及电力系统的信息交互，尤其涉及一种基于电力线传输的能效交互系统。
背景技术：
能效互动是智能电网建设的重要方面，能效互动主要体现在两方面：一是需求侧(用电用户，例如企业、学校、医院、居民小区、写字楼等)通过安装在内部的现场监测设备，了解用户的能耗情况，为实施能耗统计、节能改造等提供准确、可靠的数据。二是供电侧(电力企业)通过结合配网自动化相关信息系统和客户现场监测设备的数据，对区域配电网的运行状态和运行效率进行分析和评估，挖掘可提升的配网改造，包括线路改造、变压器改造、低电压提升、以及对需求侧的信息进行反馈等。
显然，能效交互的基础在于供电侧和需求侧之间的信息传输，目前主要信息传输技术有：扩频通信、微波通信、光纤通信、市话通信、gprs通信。扩频通信的优点是抗干扰能力强，传输效率较高，但缺点是要求通信两端无阻挡，这一点对位于高楼林立中的城市配电网来说很难满足要求，所以扩频通信一般用于通信点不多、环境比较开阔、传输距离比较远的场合。微波通信是点对点的无线传输方式，它主要是应用于调度自动化和变电站综合自动化数据的传输，对于在配网自动化系统中的应用存在着与扩频通信一样的问题，就是路由的选择比较困难。光纤通信的主要特点是传输速率高、可靠性好、不受环境条件的影响、使用和维护方便。但是，光纤通信需要在中心站及各可控设备间敷设光纤电路，而二次布线又受制于各种因素不利于施工。同时由于配电网中需要控制的设备很多，且十分分散，所以在配网中全部采用光纤通信技术势必投资巨大，施行难度较高。市话通信是利用公共通信网的通道来解决电力生产数据的传输，市话通信的优点是没有基础设施的建设问题，开通时间短。但是目前采用的ddn专线，gsm载波和gprs等方式都不同程度的存在着通信保密性差、运行维护成本高、通道速率低等缺点。
为克服上述缺陷，尤其是需要二次假设通信网络的缺陷，采用电力线载波通信的技术也得到了一定的发展，电力线通信包括低压通信、中压通信和高压通信等。但是，不管闹钟通信方式，均受到种种因素的制约，电力线通信经常收到多种噪声的干扰，尤其是在电力线负荷较大的情况下，干扰更为严重，从而影响了数据传输的效率。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种基于电力线传输的能效交互系统，其特征在于，包括自下而上的数据采集层、数据传输层、数据挖掘层、业务应用层；数据采集层包括安装于用电现场的多个监测设备，用于采集用电现场的数据；数据传输层包括安装于用电现场的多个智能电力终端、多个用户移动终端和远离用电现场的通信前置机，智能电力终端和通信前置机之间采用中压电力线通信连接，用户移动终端和通信前置机之间采用无线通信连接；智能电力终端与监测设备采用低压电力线通信连接，用于存储并处理监测设备采集的用电现场数据并将处理后用电现场数据传输给通信前置机；用户移动终端用于接收通信前置机发送的预警信息；数据挖掘层包括安装于远离用电现场的用电数据库和挖掘服务器，用电数据库、挖掘服务器和通信前置机能够进行数据交互；用电数据库用于汇总存储通信前置机接收到的用电现场数据，挖掘服务器用于根据数据挖掘模型，对用电数据库存储的用电现场数据进行数据挖掘和分析，形成能效分析结果；业务应用层用于根据呈现能效分析结果和/或将能效分析结果发送给用户，并接收用户的反馈。
进一步的，在中压和低压通信过程中，本发明尽量通过软件控制的方式减少运行在电力线的数据量，从而降低电力线的通信负荷，保证传输质量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将对本发明作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。
本发明提供了一种基于电力线传输的能效交互系统，包括自下而上的数据采集层、数据传输层、数据挖掘层、业务应用层。
数据采集层包括安装于用电现场的多个监测设备，用于采集用电现场的数据。
数据传输层包括安装于用电现场的多个智能电力终端、多个用户移动终端和远离用电现场的通信前置机，智能电力终端和通信前置机之间采用中压电力线通信连接，用户移动终端和通信前置机之间采用无线通信连接(包括wifi或移动通信网络等)；智能电力终端与监测设备采用低压电力线通信连接，用于存储并处理监测设备采集的用电现场数据并将处理后用电现场数据传输给通信前置机(优选的，前置通信机实现为服务器的软件模块)；用户移动终端用于接收通信前置机发送的预警信息(例如前置机通过短信、邮件或者微信的方式将预警信息发送给用户)。
数据挖掘层包括安装于远离用电现场的用电数据库和挖掘服务器，用电数据库、挖掘服务器和通信前置机能够进行数据交互；用电数据库用于汇总存储通信前置机接收到的用电现场数据，挖掘服务器用于根据数据挖掘模型，对用电数据库存储的用电现场数据进行数据挖掘和分析，形成能效分析结果。根据本发明，数据挖掘模型可以采用现有技术中公开了适应于电力系统数据分析的任何数据挖掘模型，这些模型可以被加载到挖掘服务器，并被执行以对汇总的现场数据进行挖掘和分析。根据本发明，挖掘服务器被配置为可对数据挖掘模型进行二次开发，以获得更优秀的数据挖掘和能效分析结果。
根据本发明的进一步的优选实施例，数据挖掘模型为根据国际节能效果测量和认证规程(ipmvp)所建立的数据挖掘模型，所形成的能效分析结果包括但不限于年节电量、用户节约电力、年节点收益、年节电成本、用户益本比、寿期单位节约电量成本、寿期单位节约容量成本、寿期益本比、投资回收期等数据的分析结果和展示。根据该优选实施例，进一步的，根据上述能效分析结果，所述挖掘服务器还为各种用电设备建立标准的模型数据库并完善各项参数，同时根据不同设备特点，找出由高效设备替代低效设备的节电计算公式，为用电客户购买设备提供决策支持。根据该优选实施例，所述挖掘服务器还将通信前置机的数据与设定的阀值或是同类用户数据进行比对，分析用户能耗情况，通过能效智能诊断，自动编制能效诊断报告，为用户节能改造提供参考和建议，为能效项目实施效果提供验证。实现能效市场潜力分析、用户能效项目在线预评估及能效信息发布和交流等技术效果。
业务应用层用于根据呈现能效分析结果和/或将能效分析结果发送给用户，并接收用户的反馈。根据本发明，业务应用层包括web应用和/或app应用。即允许用户通过web网页或者app程序的方式获取能效分析结果(例如以月为单位的用电量统计柱状图等)。
根据本发明，监测设备进一步包括电表，电表包括采集模块、传输模块和缓存队列。其中，采集模块(优选实现为嵌入式计算机程序)用于获取电表记录的周期t1(例如1天)内的用电量数据；传输模块(优选实现为专用的通信芯片)用于将用电量数据发送给智能电力终端；缓存队列(优选实现为非易失性的flash闪存)用于存储传输模块发送失败的用电量数据。
根据本发明，用电量数据至少包括电表id、采集时间和该时间内用户的用电量。
进一步的，电表为智能电表，至少包括寄存器和时钟，寄存器用于存储采集模块获取的当前周期内的用电量数据，时钟用于按时(例如每天凌晨1点)向传输模块提供触发信号，传输模块在接收到触发信号后，读取寄存器中的用电量数据并发送给智能电力终端。
在发送寄存器中的用电量数据后，传输模块还用于执行以下步骤：
步骤s110，如果传输模块没有收到智能电力终端的ack信号(发送失败)，那么将寄存器中的用电量数据添加到缓存队列的队尾，转到步骤s190；如果接收到ack信号(发送成功)，那么不对该ack信号进行应答，直接转到步骤s120。
步骤s120，判断缓存队列是否为null，如果为null，转到步骤s190；否则，转到步骤s130。
步骤s130，提取缓存队列的队首用电量数据，并发送给智能电力终端；然后转到执行步骤s110。
步骤s190，结束操作，等待下一次时钟的触发信号。
根据本发明的电表的上述操作，能够取得以下技术效果：第一、凌晨发送，避开用电负荷高峰期，使得发送数据在传输性能较高的空载电力线上，提高了发送成功率；第二、在发送不成功时，不再强制性继续尝试，而是保存到缓存队列，等待成功发送的时机，在发送成功时，不再对ack信号进行应答，从两个方面均节约了带宽；第三、在对实时性要求不高的情况下，这种方式还能够规避掉偶尔出现的线路故障。
根据本发明，智能电力终端通过低压电力线通信连接到多个电表；智能电力终端包括处理器，电表id向量idvec，采集时间向量tvec，数据矩阵dmat，与数据矩阵dmat对应的异常标记矩阵exmat(均优选实现为非易失性的flash闪存)。其中，
idvec＝[idv1,idv2,...,idvn]；
tvec＝[tv1,tv2,...,tvm]；
dmij为第i个(i的取值为1到m)采集时间周期内第j个电表(j的取值为1到n)传输的用电量数；tvi为对应dmij的第i个采集时间周期，idvj为对应dmij的第j个电表。
当接收到电表的传输模块所发送的用电量数据时，处理器执行嵌入式计算机程序实现智能电力终端与电表的交互步骤，具体包括：
步骤s210，解析用电量数据，获得用电量数据中的电表id、采集时间和用电量；
步骤s220，根据电表id和采集时间遍历idvec和tvec，确定用电量在数据矩阵dmat和异常标记矩阵exmat中对应的位置pij；
步骤s230，如果dmat的位置pij处为null(说明是新采集的数据或者是因前几次发送失败而存入缓存队列中的数据)，那么将用电量写入位置pij处；判断解析的用电量是否异常，如果异常，将exmat的位置pij处设置为“1”(表示异常情况1)，然后执行步骤s290；
否则，如果dmat的位置pij处为null(说明上次发送的ack没有被电表接收到)，则执行步骤s250；
步骤s250，如果解析用电量和位置pij处的用电量相同或者差不超过特定阈值，那么丢弃用电量数据，然后执行步骤s290；
否则，如果差超过特定阈值，执行步骤s260；
步骤s260，将exmat的位置pij处的异常标记设置为“2”(表示异常情况2)，然后执行步骤s290；
步骤s290，向电表发送ack信号进行应答。
根据本发明，在智能电力终端及其相关的步骤s210-s290中，通过标记异常数据，一方面能够为用户提供有可能出现的盗电预警信息，另一方面也提升了数据挖掘层使用的数据质量，避免异常数据对于数据挖掘和分析的不利影响。
进一步的，步骤s230中解析的用电量是否异常的判断方法包括：
步骤s232，判断解析的用电量是否超过推荐值的3倍，如果超过，执行步骤s234，如果不超过，判断为正常；
步骤s234，判断解析的用电量是否超过历史上正常用电量最大值的2倍，如果超过，判断为异常，如果不超过，判断为正常。
通过执行步骤s232和步骤s234，本发明对于单个时间周期内异常的判断采用尽可能宽容的方式，例如使用用电量最大值而不是用电量均值作为判断依据，避免用户正常用电被视为异常的误判，从而导致用户不必要的紧张。推荐值为根据经验预测的用户用电量的估算值，推荐值一般和电表对应区域的面积、常驻人口等参数相关。一个实施例中，推荐值还根据季节和地区不同而不同，例如夏季由于空调的使用，推荐值较高，冬季有暖气的区域推荐值较低，而没有暖气的区域推荐值较高。
根据本发明，进一步的，智能电力终端的处理器还执行嵌入式计算机程序实现智能电力终端与通信前置机的交互步骤，具体包括：
步骤s310，从dmat中读取当前周期内的数据向量dvec＝[dv1,dv2,...,dvn](也就是当前周期内n个电表上传的用电量)。
步骤s320，计算当前周期内的总用电量
步骤s330，将总用电量es、异常的用电量数据和异常标志发送给通信前置机。
根据本发明，进一步的，在统计周期t2(例如1个月)内，智能电力终端的处理器还执行嵌入式计算机程序以完成以下步骤：
步骤s410，计算统计周期内的用电向量evec＝[e1,e2,...,en]，其中
步骤s420，将用电向量evec发送给通信前置机。
本发明至少基于以下考虑，来实现步骤s310-s330和步骤s410-s420：第一、只发送通信前置机和数据挖掘层更为关心的t1周期内(例如每日)用电总量数据，和t2周期(例如每月)内每个用户的用电量统计数据，从而减少了中压电力线的传输负担；第二、在计算总量时，对于null和异常数据，进行了预测处理，从而保证了数据后续处理的准确性。
根据本发明，进一步的，智能电力终端中还包括与数据矩阵dmat的行对应的更新标记向量upvec＝[up1,up2,...,upm]，如果dmat中的第j行中任一值发生更新，则将对应的更新标记upj置于1。步骤s330之后还包括：
步骤s340，扫描更新标记向量upvec，如果upvec中的某个更新标记的值为1，则重新计算该更新标记对应的周期内的总用电量，并将其发送给通信前置机。
步骤s350，在收到通信前置机的确认信号后，将该更新标记的值重置为0。
通过步骤s340和步骤s350，本发明针对缓存队列中的用电数据被传输到智能电力终端时，更新标记向量发生更新，促使重新计算该周期内的总用电量，进而更新通信前置机的数据，以保证通信前置机获得尽可能准确的数据。
根据本发明，当前置通信机接收到异常标志为“1”的数据时，实时向用户发送预警信息，以提示用户可能存在被盗电的情况。
根据本发明的进一步的优选实施例，还根据中压电力线信道噪声特性建立中压电力线载波传输模型，根据信道衰减特性的测量和分析，建立中压信道衰减模型，并且根据该中压电力线载波传输模型和中压信道衰减模型确定智能电力终端和通信前置机之间采用中压电力线通信连接的连接方式和拓扑结构。建立中压电力线载波传输模型和中压信道衰减模型具体包括以下步骤：
根据中压电力线信道的拓扑结构和基本特征,建立基于中压电力线信道物理特征的基本信道模型,确定表征信道特性的主要参数和测量方法。
对噪声特性进行了较为深入和全面的研究,统计了中压电力网络信道的噪声水平,噪声的各种分布特性,以及电网运行状态与噪声特性的关系。
建立了信道噪声中背景噪声统计模型,并通过pearsonχ2检验验证了模型的适应性。
确定中压电力网络的阻抗特性,并根据阻抗特定优化通信耦合设备阻抗参数和信道的阻抗匹配。研究实验表明,中压电力线信道的阻抗特性与系统的结构和配置有关。在1mhz频段以下,输入阻抗的动态范围为数十至数百欧姆。随着频率的增加,动态范围逐渐减小,最后趋于数十欧数量级,且基本呈纯电阻性。网络各个节点处的输入阻抗有所不同,但特性阻抗基本上是相同的。10kv电力线信道的输入阻抗基本不随着工频负荷而变化。
本发明的该实施例中，根据电力线载波传输模型和中压信道衰减模型，对智能电力终端和通信前置机的通信进行配置，在相同的数据传输量的情况下，能够有效缓解中压载波通信信道的干扰问题，满足了设备高速通信传输性能。
根据本发明的进一步的优选实施例，智能电力终端和通信前置机之间还实时共享供电线路的电能质量数据，包括：线路的电压、负荷、配变负载率、配变重过载情况、三相不平衡度、谐波、功率因数、供电半径等实时数据。挖掘服务器对电能质量数据进行挖掘和分析，获得分析结果。分析结果的一个示例性实施方式包括：判断供电线路需要供电侧和需求侧共同整改，并提供参考性的整改方案。
此外，根据公开的本发明的说明书，本发明的其他实现对于本领域的技术人员是明显的。实施方式和/或实施方式的各个方面可以单独或者以任何组合用于本发明的系统和方法中。说明书和其中的示例应该是仅仅看作示例性，本发明的实际范围和精神由所附权利要求书表示。