基于用電信息采集的非侵入式居民電力負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蘭森林，王葉鋒，陳明，岳克，張嘉堃

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 201100）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活越來(lái)越離不開(kāi)電氣設(shè)備，目前，居民已經(jīng)成為電力資源的主要消耗者。由于電力系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，用戶數(shù)量也十分巨大，因此導(dǎo)致電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量多且復(fù)雜。為了更好地了解用戶的電力使用情況，電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步得到發(fā)展[1-2]。

負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有兩種形式：一種是侵入式，需要對(duì)監(jiān)測(cè)的電力用戶電器設(shè)備安裝傳感器，并入侵到傳感器中進(jìn)行電力使用情況監(jiān)測(cè)；另一種是非侵入式，這種方法只需要在用戶的通電接口處安裝傳感器，通過(guò)負(fù)荷監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。第一種方法實(shí)施過(guò)程復(fù)雜，難度較大，成本也比較高，難以實(shí)現(xiàn)[3]。第二種方法的精準(zhǔn)度雖不及第一種方法高，但實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)單，容易操作，且可以保障用戶生活[4]。目前我國(guó)的電力系統(tǒng)也普遍采用非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)。為了進(jìn)一步提高負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，文中結(jié)合信息采集技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于用電信息采集的非侵入式居民電力負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的基于用電信息采集的非侵入式居民電力負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電力負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端

電力負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端主要負(fù)責(zé)電力用戶的數(shù)據(jù)信息采集。數(shù)據(jù)采集終端安裝在監(jiān)測(cè)用戶的電力接口處，通過(guò)電流情況檢測(cè)用戶的用電及電力負(fù)荷情況。負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端主要由電力采集、信號(hào)采集、信息處理與存儲(chǔ)器四部分組成。電力負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電力負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

由圖2 可知，前端的電力和信號(hào)采集器配備對(duì)應(yīng)的電流、電壓傳感器和電力功率信號(hào)傳感器，接收并采集通過(guò)電路的電流、電壓和功率信息。負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端的核心是信息處理與儲(chǔ)存裝置，信息處理裝置配備ATT7053BU 處理芯片、ADM2587 串口芯片、ARM 核心處理器和相匹配的信息傳感器。電流信息和功率信息通過(guò)對(duì)應(yīng)的通信線路，傳輸?shù)叫畔⑻幚砥髦校幚砥魍ㄟ^(guò)接口的傳感器接收到與電流相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)處理芯片對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并通過(guò)相關(guān)特征對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和分類，再傳輸?shù)教幚沓绦蛑羞M(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5-6]。儲(chǔ)存設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存配置的存儲(chǔ)器，處理后的數(shù)據(jù)會(huì)備份儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中。

1.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集中器

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集中器是與負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端、后臺(tái)服務(wù)器相連接的中間處理平臺(tái)，主要負(fù)責(zé)負(fù)荷數(shù)據(jù)的分解和相關(guān)計(jì)算。集中器的處理芯片、傳感器等主要配件與負(fù)荷采集終端相匹配，除此之外還配備LTE 型號(hào)的通信裝置，能夠接收4G、5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通信[7-8]。集中器示意圖如圖3 所示。

圖3 集中器示意圖

通過(guò)通信裝置，集中器能夠接收到來(lái)自多個(gè)負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，將負(fù)荷數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)郊衅髦?，處理程序?huì)對(duì)其進(jìn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)分解，處理后的數(shù)據(jù)也通過(guò)通信裝置傳輸?shù)诫娏ο到y(tǒng)后臺(tái)的總控制服務(wù)器中[9]。此外，負(fù)荷采集終端設(shè)備的更新升級(jí)也需要通過(guò)集中器對(duì)其進(jìn)行信息傳輸與指令控制[10-12]。集中器電路如圖4 所示。

圖4 集中器電路

1.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理器

文中設(shè)置的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理器內(nèi)部擁有一個(gè)PC 端，在PC 端兩側(cè)分別加入兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，分別是管理數(shù)據(jù)庫(kù)和能量數(shù)據(jù)庫(kù)，不同的數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)記錄不同的數(shù)據(jù)，管理數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)記錄歷史數(shù)據(jù)，能量數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)顯示用電數(shù)據(jù)，方便工作人員查詢用電信息，確保居民用電的內(nèi)部電表處于正常的工作狀態(tài)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理器電路如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理器電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)采集器對(duì)居民的用電信息進(jìn)行采集，并在處理器內(nèi)部分析居民點(diǎn)的用電狀況，判斷是否檢測(cè)異常，通過(guò)冗余處理提高控制信息的采樣頻率和通信效率。

通過(guò)用戶電力接口處裝置的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)采集終端裝置能夠?qū)τ脩綦娏κ褂们闆r進(jìn)行數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)采集。用戶所用電器的使用電流通過(guò)電力線路傳輸流動(dòng)，采集終端的電流、電壓和功率信號(hào)傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)接收該用戶的電流情況，根據(jù)用戶的特征差異設(shè)定傳感器不同采樣頻率的參數(shù)，一般情況下采樣頻率不能低于2 000 Hz；然后將采集到的負(fù)荷數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絻?nèi)部處理器進(jìn)行預(yù)處理。處理程序選用集成的海量數(shù)據(jù)處理算法，對(duì)用戶電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢測(cè)，排除受到其他干擾因素影響的數(shù)據(jù)信息，保留相對(duì)完整、正常的負(fù)荷數(shù)據(jù)信息。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的儲(chǔ)存規(guī)則將數(shù)據(jù)信息按照日期進(jìn)行信息管理與儲(chǔ)存[13-14]。基于用電信息采集的非侵入式居民電力負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程

由圖6 可知，傳入集中器的用戶電力負(fù)荷數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分解，然后進(jìn)行更為精確的檢測(cè)分析。分解程序?qū)⒇?fù)荷波形進(jìn)行分離并提取波形特征，得到對(duì)應(yīng)的負(fù)荷特征參數(shù)數(shù)據(jù)；然后運(yùn)算程序按照一定的時(shí)間順序?qū)﹄娏餍畔?shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)壓縮感知方法重構(gòu)用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)居民電力負(fù)荷特征提?。煌ㄟ^(guò)改進(jìn)模糊聚類法對(duì)該時(shí)刻的電流、電壓和功率進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)非侵入式電力負(fù)荷的準(zhǔn)確識(shí)別，進(jìn)而完成居民電力負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)。檢測(cè)電流存在異常情況的可能性，其運(yùn)算公式如下：

式中，gn表示負(fù)荷數(shù)據(jù)存在異常情況的可能性，Id表示該時(shí)刻的實(shí)際電流值，Mm表示運(yùn)算窗口內(nèi)部的平均電流值，λ為電流值允許存在的誤差閾值[15-16]。由式（1）的運(yùn)算可知此刻電流是否超出正常電流指標(biāo)，進(jìn)而判斷該數(shù)據(jù)是否需要排除在檢測(cè)范圍內(nèi)；由式（2）的運(yùn)算可知電流值是否達(dá)到相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可將數(shù)據(jù)排除在電流異常檢測(cè)范圍內(nèi)。切除不符合標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷信息后，提取電流信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行平均值、極值、波峰幅度和相關(guān)系數(shù)運(yùn)算，再利用加權(quán)矩陣計(jì)算負(fù)荷數(shù)據(jù)特征參數(shù)與理想標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性，如式（3）所示：

式（3）中，d0為進(jìn)行運(yùn)算的負(fù)荷特征參數(shù)樣本，sim(f0，fm)表示負(fù)荷數(shù)據(jù)特征參數(shù)樣本與理想數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性，a、b分別表示總體特征參數(shù)樣本中的最大值和最小值。經(jīng)過(guò)式（3）的運(yùn)算可知各特征參數(shù)樣本與理想標(biāo)準(zhǔn)的距離，將運(yùn)算后的結(jié)果根據(jù)相關(guān)閾值進(jìn)行判斷辨別，并將數(shù)據(jù)和電流監(jiān)測(cè)結(jié)果一同儲(chǔ)存到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫(kù)中[17-18]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證基于用電信息采集的非侵入式居民電力負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，文中選用傳統(tǒng)的基于貝葉斯準(zhǔn)則的非侵入式居民電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的非侵入式居民電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為配備不同家用電器的房間，將3 種檢測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)同一狀態(tài)下的家用電器用電負(fù)荷情況進(jìn)行檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)表1 的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)提高檢測(cè)精確度來(lái)降低高峰負(fù)荷，文中研究的實(shí)驗(yàn)精確度結(jié)果如表2 所示。

表2 3種系統(tǒng)電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度

根據(jù)表2 可知，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在用戶電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)辨識(shí)方面的精準(zhǔn)度明顯高于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中選用的電器是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫募矣秒娖?，且功率較大，電力負(fù)荷產(chǎn)生的波動(dòng)變化較為明顯，尤其是高峰負(fù)荷。在這種情況下，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度始終保持在95%以上，且精準(zhǔn)度變化不大，較為穩(wěn)定；而基于貝葉斯準(zhǔn)則的非侵入式居民電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的負(fù)荷監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度只有對(duì)電冰箱的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度達(dá)到了90%以上，精準(zhǔn)度變化差距也比較大，監(jiān)測(cè)水平不夠穩(wěn)定準(zhǔn)確；基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的非侵入式居民電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度變化雖然比較穩(wěn)定，但是精準(zhǔn)度相比于前者更低，只有80%左右，監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)水平并不理想。

用電異常監(jiān)測(cè)耗時(shí)如圖7 所示。

圖7 用電異常監(jiān)測(cè)耗時(shí)

由此可見(jiàn)，文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較好的電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)性，能夠在短時(shí)間內(nèi)判斷電力負(fù)荷，進(jìn)而減少高峰負(fù)荷，整體性能高于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)傳統(tǒng)電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的弊端，設(shè)計(jì)了基于用電信息采集的非侵入式居民電力負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合用電信息采集技術(shù)對(duì)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分析算法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷，尤其是高峰負(fù)荷有很強(qiáng)的感應(yīng)和監(jiān)測(cè)能力，能夠及時(shí)對(duì)負(fù)荷狀態(tài)和突發(fā)事件作出反應(yīng)。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有利于用戶電力負(fù)荷信息的透明化，能夠推動(dòng)電力監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。