[發(fā)明專利]基于工控機(jī)的電力系統(tǒng)邊緣計算及數(shù)據(jù)分發(fā)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110271215.7
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113050486B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊會軍;郭麗紅;曾文浩;程啟華;何錫點(diǎn);盛云龍;金晶;張仟鳳;肖睿詩
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工程學(xué)院
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 金子娟

1.一種基于工控機(jī)的電力系統(tǒng)邊緣計算及數(shù)據(jù)分發(fā)裝置，其特征在于：包括核心工控模塊以及分別與其連接的輸入/輸出模塊、數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)分發(fā)模塊；

所述輸入/輸出模塊采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)，用于接收用戶操作命令，將其傳輸給核心工控模塊，并根據(jù)核心工控模塊發(fā)送的指令，顯示相關(guān)的信息；

所述數(shù)據(jù)獲取模塊基于核心工控模塊的控制指令，通過接口電路與智能電表之間進(jìn)行信息交互，采集和存儲智能電表發(fā)送的總電力負(fù)荷數(shù)據(jù)；

所述核心工控模塊包括CPU微處理器和存儲器，所述CPU微處理器用于對數(shù)據(jù)獲取模塊發(fā)送的總電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將所述總電力負(fù)荷數(shù)據(jù)中對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別傳送給狀態(tài)監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，接收并存儲兩模塊反饋的處理結(jié)果數(shù)據(jù)，并根據(jù)兩模塊反饋的處理結(jié)果，控制觸摸屏對相關(guān)信息進(jìn)行顯示；所述存儲器用于存儲所述總電力負(fù)荷數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊反饋的處理結(jié)果數(shù)據(jù)，構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；

所述數(shù)據(jù)處理模塊用于對其接收的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，建立歸一化的多維度負(fù)荷數(shù)據(jù),基于所述多維度負(fù)荷數(shù)據(jù)采用基于遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)對家用電力負(fù)荷的分類識別，并向核心工控模塊反饋?zhàn)R別結(jié)果，其具體工作流程為：

1)對匯集了若干種電器用電信息的總電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，設(shè)負(fù)荷電壓、電流和功率分別為u_k、i_k和p_k，則歸一化后的負(fù)荷數(shù)據(jù)分別為：

式中，下標(biāo)k表示數(shù)據(jù)采集的時刻，min表示負(fù)荷量的最小值，max表示負(fù)荷量的最大值,N是數(shù)據(jù)集的容量；

2)基于持續(xù)監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)，建立負(fù)荷數(shù)據(jù)集data，所述數(shù)據(jù)集中包括歸一化的電壓、電流和功率三個維度，即data＝[u'i'p']，其中u'、i'、p'分別為各時刻負(fù)荷數(shù)據(jù)u′_k、i′_k、p′_k組成的三維數(shù)據(jù)集合；

3)將負(fù)荷數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集train、測試集test，利用測試集train建立基于遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型，其過程如下：

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的編碼規(guī)則，隨機(jī)產(chǎn)生電壓、電流和功率3個參數(shù)的多維度數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建初始化種群；計算個體的適應(yīng)度，并不斷使用選擇、交叉和變異的方法產(chǎn)生新個體，使得適應(yīng)度較大的個體遺傳到下一代，直到算法滿足終止條件為止；遺傳算法部分終止后，將最優(yōu)個體對照編碼規(guī)則，解碼成一組BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值和偏置的分布，作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從初始參數(shù)出發(fā)，利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集計算網(wǎng)絡(luò)輸出誤差，若未滿足終止條件便將誤差反向傳遞并修正權(quán)值和偏置，直到誤差滿足條件終止網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，獲取最終的計算模型；

4)采用基于遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行電力負(fù)荷識別，確定用電負(fù)荷的類型及名稱；

5)由識別結(jié)果顯示單元負(fù)責(zé)向核心工控模塊反饋?zhàn)R別結(jié)果，并觸發(fā)核心工控模塊控制觸摸屏對識別結(jié)果進(jìn)行實(shí)時的顯示；

所述狀態(tài)監(jiān)測模塊用于對其接收的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值比較，并向核心工控模塊反饋比較結(jié)果，若相關(guān)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)超過正常狀態(tài)的閾值，則觸發(fā)報警信號；

所述數(shù)據(jù)分發(fā)模塊與電力數(shù)據(jù)云端連接，根據(jù)用戶對發(fā)送內(nèi)容的設(shè)置，從所述系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，上傳云端，建立電力負(fù)荷大數(shù)據(jù)集。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電力系統(tǒng)邊緣計算及數(shù)據(jù)分發(fā)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)獲取模塊包括串口數(shù)據(jù)發(fā)送單元、串口數(shù)據(jù)接收單元、數(shù)據(jù)協(xié)議解析單元和數(shù)據(jù)存儲單元，其中：

由串口數(shù)據(jù)發(fā)送單元根據(jù)與智能電表之間的通信協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)包給智能電表，數(shù)據(jù)項(xiàng)使用已經(jīng)完成壓縮的BCD碼來表示，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，每幀數(shù)據(jù)域中的每個字節(jié)都會加33H進(jìn)行加密處理；

由串口數(shù)據(jù)接收單元接收來自智能電表的返回數(shù)據(jù)；

由所述數(shù)據(jù)協(xié)議解析單元根據(jù)通信協(xié)議，對返回數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對接收到的電表返回幀的數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)減33H解密，提取總電力負(fù)荷數(shù)據(jù)；

由數(shù)據(jù)存儲單元對所述總電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，供核心工控模塊調(diào)取。