基于5G通讯下新型智能电表箱的设计研究.pdf

应用研究模具制造 2023年第9期基于5G通讯下新型智能电表箱的设计研究廖然（国网四川省电力公司天府新区供电公司，四川成都610000）【摘要】在智能电表的众多模块中，晶振模块是其中最重要的模块。大多数硬件工程师都熟悉振荡器，但真正了解共诺原理的寥寥无几，更不用说如何正确设计晶体振荡器电路模块。在智能电表设计实践中，硬件设计人员甚至没有真正关注振荡器设计，直到他们意识到振荡器无法正常运行。许多开发项目因为晶振电路模块没设计好而导致项目延期。关键词：智能电表箱；用户差评率；模块中图分类号：TM76文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.09.050Design and Research of New Intelligent MeterBox Based on 5G CommunicationLiao Ran（State Grid Sichuan Electric Power Company Tianfu New Area Power Supply Company,Chengdu,Sichuan 610000,CHN）【Abstract】Among the numerous modules of smart meters,the crystal oscillator module is themost important one.Most hardware engineers are familiar with oscillators,but very few truly understand the common denominator principle,let alone how to design crystal oscillator circuit modules correctly.In the practice of smart meter design,hardware designers did not even pay real attention to oscillator design until they realized that the oscillator could not function properly.Manydevelopment projects have been delayed due to poorly designed crystal oscillator circuit modules.Key words:intelligent meter box；user negative feedback rate；module1引言智能电表在不断发展的能源管理系统中发挥着重要作用。基于物联网的智能电表从住宅区家用电器读取能耗，产生的数据通常表现出大数据的3V特性，即体积大、时变性和速度快。现有数据表明在15min的时间间隔内，一百万个智能电表每年可以产生400TB的数据量。智能电表在短时间间隔内读取产生的大量、不同格式的智能能源数据，对电力公司的信息技术资源造成了压力。因此智能电表大数据管理、查询和可视化一直是研究人员与运行部门关注的焦点1。2智能电表三大功能第一，远程抄表。基于无线网通信的智能电表，可以实现对电能量的远程抄送，不需要人工到达现场进行。第二，双向计量。电表基本功能为采集用户端的电器电流、电压等数据信息，对数据进行储存，电网可以通过智能电表对用户用电情况进行数据采集，同时，用户可以通过智能电表看到这些数据。第三，双向通信。智能电表通信性能主要取决于智能电表的实时性、稳定性和智能化。用户可以通过智能电表获得电力部门的相关信息，如实时电价、分段电价、停电复电情况等。无论是电力部门采集用户端信息或是用户获取电力部门相关信息，都是通过智能电表双向通信的功能完成的。3计算模型3.1智慧感测器数据采集、预处理从最近的研究证明，人工智能模型的性能取决于 163应用研究模具制造 2023年第9期数据的好坏，如果数据较为真实，则得人工智能出来的数据也相应的符合实际。因此，如果数据准确，则有助于精确训练任何人工智能模型。此外，从不同类型的传感设备收集的实际能耗数据以原始格式存储，通常不完整，数据构成不同且不一致。因此，在所提出的框架中，原始数据应首先经历数据预处理阶段，消除噪声和异常值。预处理步骤之前和之后的数据分布中，如果可以看出一个样本是异常值，并且可以与其他数据样本分离，就直接将该值分离出来，将此类样本从数据中删除，然后在所提出的框架中，利用均值插补方法处理数据中的缺失值。用于实验的数据集只有1.25%的缺失值，这些缺失值通过均值插补方法非常精确地处理。最后，将min-max方法应用于数据的规范化，该方法映射从01的整个范围，使最小值和最大值分别变为0和1。3.2智能电表物联网平台智能电表终端的设计与生产在符合相关标准后即可进行数据采集与传输，其所采集到的数据还需要进一步分析与处理。基于物联网平台所提供的大数据收集、分析和处理能力，能够极大满足对采集到的数据深入挖掘利用的需求。目前国家电网、阿里、华为等许多公司纷纷建立了物联网平台，规范了各种接口和规范标准，产品主要有电工装备智慧物联平台、国网电力物联网平台、阿里物联网平台和华为物联网平台。其支持终端设备直接接入，也可以通过工业网关或者家庭网关接入，支持多网络接入、多协议接入、系列化 Agent 接入，解决设备接入复杂多样化和碎片化难题，也提供了更丰富完备的设备管理能力，简化海量设备管理复杂性，节省人工操作，提高管理效率2。3.3查询时延由于多JOINs的存在，文件之间有很强的相互依赖性，而随着智能电表数据集之间的相互依赖性越来越大，将使数据查询执行时间急剧增加，因此对于处理更大批量的数据文件时，添加节点对减少执行时间有显著影响。不同电表数量执行数据查询的时延，可见从一个节点扩展到四个节点时，执行数据查询的时间减少了三分之一。延迟都是线性增加的。例如，对两个节点的情况，将智能电表的数量从100000增加到 1000000时，平均延迟仅仅从 1400s增加到1800s。可见与内存相比，磁盘存储的斜率明显更高。这意味着随着查询数据量从10个智能电表文件增加到1000000个，采用磁盘进行数据查询的速度相比内存更慢。3.4通信网关及云平台本文搭建支持 Modbus 通信协议的工业云平台，能够对接多传感器设备，通过以太网口或 Modbus 通信协议实现信息的交互，并将信息存放在云平台，云平台使用 B/S 架构，支持 PC 浏览器、手机 App、微信公众号等，能满足用户在不同场景使用需求。为了能更准确及时地了解电表箱的运行状态和内外部环境参数，在表箱上嵌入可视化工业屏幕，该显示屏具备RS485 通信接口，可以直接与门禁设备、门磁传感器、智能空开、温湿度传感器和边缘计算网关相连接，接收多元数据并显示，包括表箱内外环境参数、耗电情况、预警信息、开门信息等历史数据，使用户和管理人员能够直观地了解日常耗电和电表箱的使用情况。3.5调试深度自动编码器迁移学习也称为微调，是一个非常有效的过程，通过利用人工智能训练的模型来查找原始数据中的模式，能用于不同的任务。例如，包括AlexNet，GoogLeNet和VGGNet在内的著名卷积神经网络模型，首先在大规模图像数据集上进行训练，然后使用参数微调过程用于不同的任务，如对象检测、跟踪和显著信息提取等。在微调过程中，模型的参数不是随机初始化的，而是从已经训练的值进行调整的，这有助于函数轻松拟合基础问题，而不会陷入任何过拟合或欠拟合问题。所提出的问题与集群有关，即能耗数据被划分为多个集群。现有的集群分析技术主要基于统计公式，并且很难使用经过训练的神经网络模型进行微调。其次，对这些技术，如k均值、基于密度的噪声应用空间聚类（DBSCAN）、用于识别集群结构的排序点（OPTICS）等，需要直接特征来反馈送到这些算法，而不是需要首先处理的原始数据以进行模式提取。此外，将统计方法与用于聚类任务的人工智能可训练参数融合在一起是非常复杂的。因此，通过将基于集群算法添加到预先训练的深度自动编码器，然后再将其处理的数据用于集群中。4智能电表应用技术发展趋势4.1基于智能化技术的隐私保护智能电表具备一定的计算和数据处理能力，同时，还可以结合智能电网，利用不同商家、不同时段电 164应用研究模具制造 2023年第9期价的差别实现节约电费的效果,因而引发用户对隐私保护的重点关注。对个人及家庭用户而言，隐私保护和电费节约都是比较受关注的问题。普通用户并不希望外界了解自己的耗电情况，进而推测家中的家电使用情况、家中是否有人居住等信息。差分隐私方法（Differential Privacy，DP）就很适合通过智能电表获得隐私数据保护。其主要思想是向数据集的查询结果中添加特定的噪声，使数据集的查询结果相似，导致攻击者无法区分不同数据集。结合不同电能供应厂商和不同时段电价，智能电表计算出给电池充放电的时间，进一步实现降费的目的。4.2状态感知模块设计状态感知模块包括温度传感器、湿度传感器、智能空开和门磁传感器检测表箱内湿度、温度等参数和电流电压等电表箱内部参数，并以 Modbus协议形式上报到网关。将其存储在主控模块之中，并通过短距离无线通信等网络技术传输至数据平台，可以在平台中对采集到多种类型数据进行特征提取，对特征信息给予综合分析与处理，从而判断电表箱的运行状况。同时可以将电表箱内外的各项数据通过RS485传输到表箱的屏幕上，实现多元数据的可视化。4.3PCB设计实践必须尽可能避免高值的杂散电容和电感，因为他们可能会引起振荡并导致无法启动的问题出现。尽可能减少走线长度。使用接地层来隔离信号并降低噪声。如在晶体保护环正下方的PCB层上使用局部接地层；将晶体与其他 PCB 层上的串扰信号隔离开来。接地层只在晶体附件需要，而不是整个电路板。VSS 路径将振荡器输入与输出隔离，将振荡器与相邻电路隔离。在 CL1 和 CL2 下发结束的末端接 VSS 路径不与晶体下发的接地层接触。在每个VDD路径和最近的VSS路径之间使用去耦电容，以减少噪声。晶体附件的PCB区域上需要用三防漆保护，防止湿气、灰尘、湿度和极端高低温度的影响。4.4安全认证模块设计安全认证模块具备指纹、密码、刷卡、人脸识别等多种身份识别功能3。这些开锁特征不易丢失，且认证准确度高，安全及可靠性高。本设计采用支持指纹、密码和 IC 卡的安全认证设备，该设备可进行本地管理，支持本地注册、查询、设置、管理设备参数等。且该设备具有RS485 接口，可将数据传送到网关到达云平台。户主可于手机端随时查看设备开锁历史状态，若出现暴力开锁，网络入侵等异常情况，也会立即向户主发出警告。另外，设计防盗模式，即在电表箱上安装门磁传感器，与门禁设备共同控制电表箱的开闭。4.5所提方法模型结构及参数设置本设计中模型包括编码器、解码器和图分类器。图分类器包括方法中的图注意力神经网络和分类器。编码器和解码器由三层全连接层构成，图分类器由三层 GATConv层构成，GATConv层由 PyG库函数实现。其中 dim_z 为潜空间数据维度，dim_x 为原始数据维度。模型训练的批处理数据大小为512，最大训练次数为 500，使用 L2 正则化（惩罚因子为 0.001），使用Adam优化器（学习率为1e-4），使用早停机制（学习率降低因子为0.7，patience轮次为5），损失函数中的超参数和分别设为-0.3和-0.5。5结束语综上所述，使用5G通讯模块统一管理616块电能表，使其通讯能力大幅度增加，通信成本大幅度下降。经过该技术革新的电表箱，可以提供更详细的电能表远程抄表数据，对电能表功能后续开发有积极意义，对提升电能表大数据价值也有积极意义。实地试安装试验中，用户对该电表箱的差评率小于5%，且排除因为主观感受电费增加而给该电表箱差评的用户，其差评率仅为0.6%。表示用户对该电表箱的认同度较高。而经过运行数据的联合分析，在投入600个电表箱试运行试验后，给电网公司带来直接年化经济效益达到90.5万元，据此推测当全辖区均投入该电能表后，可给电网公司带来直接年化经济效益3387.5万元。该电表箱对电网大营销经济效益和社会效益提升有积极意义。参考文献1李彦兆.低压配电网拓扑模型构建及用户用电行为分析D.太原理工大学,2021.2闫思卿.面向需求响应的居民用户数据驱动半监督学习精准画像分析方法D.华北电力大学,2021.3钟加勇.配电物联网智能融合终端云边协同模型及应用研究D.重庆大学,2021.作者简介：廖然，女，1991年3月生，汉族，四川成都人，本科，工程师，研究方向：工业工程。（收稿日期：2023-05-04）DMM 165