CN104715598A - 一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于家庭网关的用电信息采集***包括：智能电表、家庭网关、远程主站组成。其特征是该家庭网关集成了用电信息采集及EOC功能模块，采集方法为：主站下发采集指令经家庭网关至智能电表，智能电表将采集数据上传至家庭网关采集模块，将PLC或微功无线或485数据转换为以太网数据，经EOC模块转换为同轴信号，经广电HFC网络传送传至电力主站服务器，完成数据采集、分析。该***及方法采用扁平化设计，基于家庭网关构建全IP化的用电信息采集***，用“智能电表+家庭网关+主站”替换传统的“智能电表+采集器+集中器+主站”解决方案，简化采集架构，解决采集标准不统一等难题，方便快速组网。采用已入户的广电网传输，减少了重新布线，节约了成本。

Description

一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法

技术领域

 本发明属于电力信息化领域，涉及家庭用户用电信息采集***及方法，尤其是一种基于家庭网关的用电信息数据采集并通过广电双向网络传输的***和方法。 

背景技术

 用户用电信息采集***是通过对终端用户的用电数据的采集和分析，实现用电监控、推行阶梯定价、负荷管理、线损分析，最终达到自动抄表、错峰用电、用电检查（防窃电）、负荷预测和节约用电成本等目的。 

 随着用电管理水平的不断提高，人工抄表已经不能满足人们的需要，远程自动抄表逐渐取代人工抄表，解决了人工抄表误差大、工作量大的问题。 

 目前，以自动化、信息化、互动化为特征的坚强智能电网建设进程的加快，电网的功能和形态正在发生深刻变革，一场以智能电网为重要标志的新的能源革命正在拉开帷幕。利用现代通信技术、信息技术、营销技术构建智能用电服务体系是智能电网的重要工作之一。依托智能电网和现代管理理念，利用高级计量、高效控制、高速通信等技术，实现市场响应迅速、计量公正准确、数据实时采集、服务高效便捷，构建智能电网与电力用户电力流、信息流、业务流实时互动的新型供用电关系是智能用电服务体系的主要内容。 

 随着技术的发展，出现了用电信息采集***。用电信息采集***是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的***，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。用电信息采集***是智能用电管理、服务的技术支持***，为管理信息***提供及时、完整、准确的基础用电数据。 

用电信息采集***在逻辑上分为主站层、通信信道层、采集设备层等3个层次。用电信息采集***（亦称远程自动抄表***），一般由电能表、采集器、集中器、通信信道、主站管理***组成。就通信信道而言，分为远程通信（主站与集中器之间）和本地通信（集中器与数量庞大的采集器或电能表之间）。目前，用电信息采集***的远程通信通道主要为光纤专网/230MHz专网，同时包含GPRS/CDMA/PSTN/ADSL等无线/有线通信技术；本地通信信道多采用电力线载波/RS-485/微功无线方式。 

 在“主站+集中器+采集器+普通电能表”的用电信息采集***中，普通电能表用于记录用户的用电信息；采集器连接于普通电能表与集中器之间，用于采集普通电能表上记录的用电信息并传输给集中器；集中器设置于采集器与主站之间，用于采集并存储采集器传输的每个用户的用电信息；主站通过集中器采集用户用电信息。 

 当前的用电信息采集***采用4元3级结构（主站+集中器+采集器+电表，用电信息数据从电表→采集器→集中器→主站），距智能电网建设要求还存在很大的差距。主要体现在结构复杂、电表网络及设备采用的通信协议多样化，但功能却简单、通信接口速率很低，难以满足分布式接入、双向互动、需求响应迅速等智能用电信息采集需求，不能接收电网实时电价等信息，尚无节电管理功能等。 

 尤其表现在从集中器到采集器或电能表的“最后一英里”的本地通信成为技术的瓶颈，主要原因在于“最后一英里”面临数量大、现场环境复杂（有时甚至相当恶劣）、通信媒介质量低、成本压力大等一系列难题。现有的用电信息采集***中，由于本地组网的多样化，分站的复杂结构，从而造成整个采集***结构的复杂化。 

发明内容

 针对用电信息采集***结构的日益复杂化、通信协议和标准多样化，本发明采用扁平化设计，基于家庭网关构建“全IP化”的用电信息采集***，用“智能电表+家庭网关+主站”的3元2级解决方案替换传统的“智能电表+采集器+集中器+主站”4元3级解决方案，简化了已有的用电信息采集架构模式。 

 本发明基于家庭网关构建“全IP化”的用电信息采集***，方便快速组网。解决传统的用电信息采集分散化、孤立化，标准不统一等难题。 

 本发明中，家庭网关集成了用电信息采集模块及EOC功能模块；将采集到的PLC数据或微功无线数据（ZigBee/WIFI/UWB）或485数据转换为以太网（IP格式）数据；通过广电网络或电力专网或移动网络或电信网络传送到电力主站。建议采用已经入户的广电网络同轴电缆传输，减少重新布线，节约成本。 

 主站按照电力管理的需要，将IP地址或MAC地址加入不同的分组或管理域，完成数据的集抄、分析、统计、业务推送等业务，引导小区和居民用户合理用电、避峰填谷，高效使用电能，提供便民服务。 

 基于家庭网关的用电信息采集***，主站到智能电能表之间采用家庭网关实现“全IP化”网络通讯方式，利用以太网出口高带宽、大流量的特点，对用户端智能电能表的用电信息进行采集，很好满足了用电环节互动化业务高速率、高可靠、低成本的数据传输要求，为互动化业务的开展提供了支撑。 

 本发明基于家庭网关构建“全IP化”的用电信息采集***，能够帮助用户通过多种媒介（智能手机、平板电脑、笔记本电脑等多种设备）访问电力信息网，方便用户用电信息、电价信息查询及电力部门的用电管理等。 

 优选方案：将采集模块和以太网模块（设计时下移）内置于智能电表中，智能电表与家庭网关之间、家庭网关与主站之间直接传输IP数据包，则效率会更高。 

实现本发明目的技术方案为：

一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法，该***包括：智能电表、家庭网关、远程主站组成。其特征是该家庭网关集成了用电信息采集模块和EOC功能模块，采集方法为：主站下发采集指令经家庭网关至智能电表，智能电表将采集数据上传至家庭网关采集模块，将PLC数据或微功无线（ZigBee/WIFI/UWB）数据或485数据转换为以太网（IP格式）数据，经EOC模块转换为同轴信号，经广电HFC网络或电力专网或移动网络或电信网络传送传至电力主站服务器，完成数据采集、分析。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

本***及方法采用扁平化设计，基于家庭网关构建“全IP化”（TCP/IP协议）的用电信息采集***，用“智能电表+家庭网关+主站”替换传统（现有）的“智能电表+采集器+集中器+主站”解决方案，简化了采集架构，解决了采集标准不统一等难题，方便快速组网。采用已经入户的广电网（HFC网络）传输，减少了重新布线，节约了成本。“基于家庭网关的用电信息采集***”，为家庭用水、用气（天然气）的信息采集、智慧家庭网络建设、物联网应用（远程家电控制）等提供共性平台，为网银缴费或双向互动服务提供支持。

基于家庭网关的用电信息采集***及方法集计算机、电子、通信、自动化及用电技术于一体，具有抄收速度快、计算精度高、抄表同时性好、可直接与营业计算机联网等特点。该***与方法可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计台区低压实时用电信息。 

基于家庭网关的用电信息采集***及方法，不仅能够方便广大用户，提高供电企业的服务质量，树立供电企业的良好形象，而且能够实现供电企业的减员增效，降低用电成本，加强用电管理，达到节能降耗、低碳环保的目的。 

附图说明

 图1是本发明一种基于家庭网关的用电信息采集***的组成示意图。 

 图2是本发明一种具有用电信息采集功能的家庭网关模块图。 

 图3是本发明一种基于家庭网关的用电数据采集时序图。 

 图4是本发明一种基于家庭网关的用电信息采集传输的帧格式图。 

 [0025] 图5是本发明一种基于家庭网关的用电信息采集控制码的格式图。

 [0026] 图6是本发明一种基于家庭网关的用电信息采集流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

 ***组成（参见附图1）：本***采用扁平化设计，采用“智能电表+家庭网关+主站”完成家庭用电信息采集任务，替换了传统的“智能电表+采集器+集中器+主站”的用电信息采集架构模式，减少了用电信息采集环节，效率更高。通过在家庭网关增加采集模块，完成数据采集功能，尤其是将采集到的数据通过EOC模块转换为同轴电缆能够传输的信号，利用家庭已有的广播（数字双向）电视网络或电力光纤专网进行数据传输，节约了资源，提高了传输速率。 

具有用电信息采集功能的家庭网关组成（参见附图2）：家庭网关内置采集模块和EOC模块，家庭网关和智能电表之间通过电力载波（PLC）通信或者微功率无线通信（ZigBee/WIFI/UWB）或者RS-485总线传到家庭网关，家庭网关对采集的用电数据进行数据预处理、缓存、转换、封包为IP数据格式，调制为模拟信号通过广电网络传送到电力网络主站，或者通过电力光纤专网/移动网络/电信网络传送到电力网络主站。 

***的主要数据流向（参见附图3）：家庭网关启动/复位后主动向电力主站服务器发起注册，主站服务器将家庭网关的IP地址或MAC地址存入数据库服务器。随后主站服务器向家庭网关发起采集命令，家庭网关接到采集命令后，通过家庭网关内置的采集模块下发采集命令给智能电表，智能电表接到采集命令后将用电信息数据上传给家庭网关，家庭网关将预处理、标准化后的IP数据经广电网络（或光纤专网/移动网络/电信网络）上传到主站完成数据分析。 

通信方式（数据链路层）

基于家庭网关的用电信息采集***采用主-从结构的通信方式。主站服务器和家庭网关之间的通信，主站服务器为主站，家庭网关为从站；家庭网关和智能电表之间通信时，家庭网关为主站，智能电表为从站。通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从站地址域（MAC地址/IPv4地址/IPv6地址）、控制码、数据域长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符7个域组成。每部分由若干字节组成。

字节格式

每字节含8位二进制码（D0～D7），传输时加上一个起始位（0）、一个偶校验位和一个停止位(1)共11位。D0是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。

帧格式

帧作为传送信息的基本单元，帧格式如图4所示。

（1）帧起始符68H：标识一帧信息的开始，其值为68H=01101000B。

 （2）地址域：有3种类型地址代表用户

MAC地址A0～A5：由6个字节构成，每字节2位BCD码，地址长度可达12位数（典型MAC地址如：00-23-5A-15-99-42）。每个家庭网关都具有唯一的通信地址。

地址A0～A3：由4个字节32位（二进制）组成。

[ 地址A0～A15：由16个字节128位（二进制）组成。

 对于拥有静态IP地址（具有唯一公网地址）的用户采用IPv4地址或IPv6地址与用户绑定即可；对于动态配置IP地址的用户建议采用MAC地址（具有全球唯一性）与用户绑定。

 （3）控制码C由8位二进制数组成，格式如图5所示。D7为传输方向标志，“0”代表主站发出的命令帧，“1”代表从站发出的命令帧；D6为从站应答标志，“0”代表从站正常应答，“1”代表从站异常应答；D5为后续帧标志，“0”代表无后续数据帧，“1”代表有后续数据帧；D4～D0为功能码，对应具体业务定义。

（4）数据域长度L：为数据域的字节数。读数据时L≤200，写数据时L≤50，L=0表示无数据域。

（5）数据域DATA：包括数据标识、密码、操作者代码、数据、帧序号等，其结构随控制码的功能而改变。传输时发送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理。

（6）校验码CS：从第一个帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模256的和，即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。

（7）结束符16H：标识一帧信息的结束，其值为16H=00010110B。

传输

（1）前导字节：在主站发送帧信息之前，先发送4个字节FEH，以唤醒接收方。

 （2）传输次序：所有数据项均先传送低位字节，后传送高位字节。

 （3）传输响应：每次通信都是由主站向按信息帧地址域选择的从站发出请求命令帧开始，被请求的从站接收到命令后作出响应。

 收到命令帧后的响应延时Td：20ms≤Td≤500ms。

 字节之间停顿时间Tb：Tb≤500ms。

 （4）差错控制：字节校验为偶校验，帧校验为纵向信息校验和，接收方无论检测到偶校验出错或纵向信息校验和出错，均放弃该信息帧，不予响应。

数据采集流程

图6为基于家庭网关的用电信息采集流程：

步骤S60：家庭网关首次启动或复位；

步骤S61：家庭网关首先向电力主站服务器注册，将用户信息和MAC地址或IPV4地址或IPV6地址绑定（或关联）并存入数据库；

步骤S62：判断注册是否成功？若成功，返回成功代码，转步骤S63；若不成功，则返回失败代码，转步骤S61，重新进行注册；

步骤S63：主站服务器下达采集命令；

步骤S64：家庭网关接收到主站的采集命令并通过采集模块下传采集命令给智能电表；

步骤S65：智能电表接收采集命令并上传采集数据（用电信息）给家庭网关；

步骤S66：家庭网关接收采集数据（用电信息）：或PLC数据（S661）/或ZigBee数据（S662）/或WIFI数据（S663）/或UWB数据（S664）/或RS485数据（S665）；

步骤S67：家庭网关将PLC/ZigBee/WIFI/UWB/RS485数据转换为以太网IP数据；

步骤S68：家庭网关通过广电网络/电力专网/移动网络/电信网络上传至主站服务器群，完成用电信息数据预处理、存储；

步骤S69：结束。

主站功能

主站作为用电信息采集***的指挥中心，统一管理整个用电信息采集***的指令下达、前置采集、数据处理、通信传输、信息安全和业务应用以及***的安全运行。

主站组成

主站主要由服务器（包括数据库服务器、磁盘阵列、应用服务器）、前置采集服务器（包括前置服务器、工作站、GPS时钟、防火墙设备）以及相关的网络设备组成。主站可根据实际情况选择集中式部署或分布式部署。主站部分采取单独组网，与其它应用***以及公网信道采用防火墙进行安全隔离，以保证信息安全。

主站数据分析

主站按照电力管理的需要，将IP地址或MAC地址加入不同的分组或管理域，完成数据的集抄、分析、统计、业务推送等业务，引导小区和居民用户合理用电、避峰填谷，高效使用电能，提供便民服务。

主站采集用户的电能信息（负荷数据、电量数据、抄表数据、电能质量数据、异常告警信息等），并通过与生产***获取的相关电能信息，构建出购电侧、供电侧、售电侧各类电能信息的一体化数据平台，为营销业务提供数据支持。 

显示

电力行业人员可通过工作站访问主站服务器完成用电信息的采集、在线监测、负荷、电量、电能质量、损耗分析、电力供应信息的发布、催费、购电控制、管理等功能。

用户在家中可通过智能手机、计算机、数字电视等访问主站的Web服务器完成用电数据查询、缴费、政策学习、业务浏览等服务。 

Claims (10)

1.一种基于家庭网关的用电信息采集***包括：智能电表、家庭网关、远程主站组成，

采集方法为：主站下发采集指令经家庭网关至智能电表，智能电表将采集数据上传至家庭网关后，经家庭网关转换为以太网数据，上传至电力主站服务器，完成数据采集、分析、业务推送。

2.如权利要求1所述的一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法，智能电表到家庭网关采用电力载波（PLC）通信或微功无线通信（ZigBee/WIFI/UWB）或RS-485通信。

3.如权利要求1所述家庭网关集成了用电信息采集模块及EOC功能模块；将采集到的PLC数据或微功无线数据（ZigBee/WIFI/UWB）或485数据转换为以太网（IP格式）数据。

4.如权利要求1所述家庭网关以太网（IP格式）数据通过广电网络或电力专网或移动网络或电信网络传送到电力主站；但建议采用已经入户的广电网络同轴电缆传输，减少重新布线，节约成本。

5.如权利要求1所述电力主站根据电力管理的需要，按照家庭网关的IP地址或MAC地址加入不同的分组或管理域，完成数据的集抄、分析、统计、业务推送等业务。

6.如权利要求1所述的一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法，其特征在于采用了“智能电表+家庭网关+主站”替换了传统的“智能电表+采集器+集中器+主站”解决方案，简化了采集***架构。

7.如权利要求1所述的一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法，其特征在于基于家庭网关构建“全IP化”的用电信息采集***，方便快速组网，解决传统的用电信息采集分散化、孤立化，标准不统一等难题。

8.如权利要求1和7所述的一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法，主站到智能电表之间采用家庭网关实现“全IP化”网络，其特征是以太网出口带宽高、流量大，对用户端智能电能表的用电信息进行采集，很好满足了用电环节互动化业务的高速率、高可靠、低成本的数据传输要求，为互动化业务的开展提供了支撑。

9.如权利要求1和8所述的一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法，支持用户通过多种媒介（智能手机、平板电脑、笔记本电脑等多种设备）访问电力信息化网络，方便用户用电信息、电价信息查询及电力部门的用电管理等。

10.如权利要求1所述的一种基于家庭网关的用电信息采集***及方法，其优选方案为：将采集模块和以太网模块（设计时下移）内置于智能电表中，其特征是智能电表与家庭网关之间、家庭网关与主站之间直接传输IP数据包，则效率会更高。