基于聚類算法的雙回路智能電能表設計

徐晴，田正其，劉建，段梅梅，祝宇楠，周超

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，南京 210019；2. 國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室，南京 210019)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟高速化發(fā)展，越來越多大型企事業(yè)單位或者高校采用空調進行集中供暖/制冷，而空調的使用存在許多不規(guī)范現(xiàn)象，比如：無人情況下未關閉、未達到規(guī)定溫度使用空調以及空調自身出現(xiàn)故障等，這些情況均會導致電能的極大浪費。為緩解能源緊張的壓力、解決社會經(jīng)濟發(fā)展與能源供應不足的矛盾，應全面推進使用公用空調的節(jié)能監(jiān)控平臺。

公用空調的節(jié)能和控制是一項系統(tǒng)工程[1]，需要獨立的空調計量與控制、通信網(wǎng)絡建立、用電數(shù)據(jù)智能分析等[1-2]。提出基于聚類算法思想設計出一款雙回路智能電能表，適用于空調節(jié)能監(jiān)控平臺，該空調節(jié)能監(jiān)控平臺基于智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺，能實現(xiàn)空調線路獨立的計量與控制、空調電量數(shù)據(jù)上報及智能分析等功能。

1 空調節(jié)能監(jiān)控平臺介紹

本系統(tǒng)對各用電點實現(xiàn)分戶、分項、分類實時計量[3]。系統(tǒng)基于B/S模式開發(fā)，采用工業(yè)界普遍采用的實時通信與數(shù)據(jù)采集技術，結合后臺大型分布式數(shù)據(jù)庫，通過Web發(fā)布的形式，使用電單位各級管理人員不管身處何時何地，都可以輕松地對本單位各部門的用電情況進行監(jiān)控與管理，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。采用該系統(tǒng)還可以和“用電指標體系”充分配合，實現(xiàn)用電的管理和指標執(zhí)行情況的監(jiān)督、費用結算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等多項功能，為實現(xiàn)學校各學院、部門用電的量化管理提供了必備條件。

系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能如下：

(1)電能實時監(jiān)管

根據(jù)各種分類對實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和監(jiān)測；也可手動對表計單獨進行抄讀；

圖1 空調節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡結構圖Fig.1 System structure diagram of air conditioning energy saving supervision network

(2)建筑用電管理

以建筑類型為單位針對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和查詢，有利于管理者直觀的瀏覽各建筑單位的用電使用情況；

(3)部門用電管理

按照部門分類對用電信息進行管理和統(tǒng)計查詢，可實時了解各部門的用電情況；

(4)電能定額管理

可以按照建筑和部門分類的具體情況對電能進行定額設置；能夠實時查看和分析定額的使用明細；具有能源組成結構分析統(tǒng)計功能；

(5)節(jié)能監(jiān)管模型

其包括待機功耗模型及用電匹配模型兩部分。待機功耗模型通過配置待機功耗參數(shù)監(jiān)測待機能耗情況；用電匹配模型通過單獨配置電表能耗限定，來監(jiān)測能耗情況；

(6)綜合信息管理

電能計量管理子系統(tǒng)的主界面，直觀的描述和介紹了該系統(tǒng)所管轄范圍內(nèi)建筑及部門的用電使用情況。

2 智能電能表設計

相比傳統(tǒng)節(jié)能方式而言(即采用智能插座來控制空調)，將傳統(tǒng)電能表進行改進，設計出雙回路智能電能表[4]，基于現(xiàn)有智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺，實現(xiàn)空調節(jié)能監(jiān)管功能，既可節(jié)約能源，同時該方案經(jīng)濟可靠。

2.1 硬件設計

智能電能表硬件電路包括MCU處理器、雙回路計量電路、雙繼電器控制電路、開關電源、時鐘模塊和通信單元等，具體硬件原理結構框圖如圖2所示，該硬件設計主要在于雙回路計量電路、繼電器控制、開關電源電路和通信單元[5]。

圖2 硬件設計原理框圖Fig.2 Block diagram of hardware design principle

2.1.1 計量電路

計量電路是本項目一個很關鍵的模塊，它決定了電能表的精度，以及為節(jié)能監(jiān)控平臺提供基礎的空調用電數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)空調的獨立計量，采用兩片高精度單相計量芯片ATT7053BU，組成雙回路計量電路。計量電路主要由電壓采樣、電流采樣、高精度計量芯片和SPI通信接口等組成。該計量芯片ATT7053BU，具有高集成度，集ADC轉換器、乘法器、低通濾波器、P-f轉換器于一體，相較于高精度ADC+軟件DSP處理方式來說，集成芯片極大地簡化了軟件設計和電路設計，提高了電表運行的可靠性和穩(wěn)定性。兩個獨立回路(包括空調供電回路和其余用電回路)分別經(jīng)由單相計量芯片ATT7053BU采集電壓電流信號后，經(jīng)由SPI通信接口傳輸至單片機MCU控制中心，兩個獨立回路的計量采用同樣的電路，其中一個回路計量電路如圖3所示。

圖3 計量電路Fig.3 Measurement circuit

電阻網(wǎng)絡jR1～jR4組成電壓采樣電路，jJ1為電流互感器接入處，jR20和jR21組成電流采樣電路，電阻選用了國巨最好的電阻，具有10 ppm的溫漂特性，電阻精度達到了0.5%；計量芯片jU1利用SPI接口與單片機MCU進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)信息交互功能。

計量芯片內(nèi)部的Σ-Δ模數(shù)轉換器，會引人混疊干擾信號，為消除混疊干擾信號的影響，最簡單的方法是在采樣端串入一級RC低通濾波器[6]，對于電流互感器方式，RC低通濾波器截止頻率設計為5 kHz。電壓和電流采樣回路均需在計量芯片AD采樣輸入端設計抗混疊濾波器：

假定R=1 kΩ，則:

C=f/2πR≈33 nF

(1)

即:jR19=jR22取1 kΩ，jC14=jC15取33 nF。

2.1.2 電源電路實現(xiàn)

為降低電能表自身功耗，選用開關電源為系統(tǒng)供電。開關電源主要由電磁兼容處理模塊、輸入整流濾波模塊、控制芯片VIPER22A、開關變壓器、RCD模塊、輸出整流濾波模塊、輸出反饋調節(jié)模塊、穩(wěn)壓電路組成，結構框圖[5]如圖4所示。

圖4 開關電源原理框圖Fig.4 Block diagram of switching power

由于開關變壓器初級線圈的磁場不可能全部耦合到次級線圈，導致開關變壓器的初級存在一定的漏感，漏感在工作中會產(chǎn)生很高的尖峰脈沖，當尖峰電壓到達一定程度時，會損壞控制芯片VIPER22A中的MOSFET，導致整個電源無法工作。為保護控制芯片，加入RCD電路，抑制這種尖峰電壓。RCD原理圖如圖5所示。

電路由二極管、電阻、電容組成。二極管的作用是避免整流后的高壓流入控制芯片，主要的參數(shù)是：反向耐壓和正向電流。反向耐壓越高，擊穿的可能性越小，根據(jù)最高輸入電壓和通用性，反向耐壓選擇1 000 V較為合適；由于漏感產(chǎn)生的尖峰電流一般小于0.5 A，正向電流取1 A較為合適，選用RS1M符合以上的要求。電阻和電容是吸收尖峰電壓的主要器件，根據(jù)漏感和控制芯片的頻率，電阻取100 kΩ，電容取1 nF。

圖5 RCD吸收電路Fig.5 RCD absorption circuit

2.1.3 通信網(wǎng)絡

智能電能表具備RS 485遠傳數(shù)據(jù)接口和紅外通信接口，紅外可用于手持抄表設備、通過RS485與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關連接，上行以GPRS通信方式，完成與上層服務器的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)網(wǎng)關是節(jié)能監(jiān)管平臺的關鍵設備，能實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集、管理、傳輸及維護功能，中間數(shù)據(jù)傳輸通道依托智能電網(wǎng)硬件平臺作為傳輸通道，保證了各區(qū)域電表接入網(wǎng)絡的方便性，同時也可以最大程度地節(jié)約建設成本。其中RS 485通信電路中在485芯片使能端加入R1和C1組成的阻容電壓保持電路，可提高電路驅動能力，如圖6所示。

圖6 RS485驅動電路Fig.6 RS485 drive circuit

2.1.4 繼電器電路

為了實現(xiàn)空調的獨立控制，設計雙回路繼電器控制電路，智能電能表內(nèi)置兩個磁保持繼電器，分別控制兩個回路的用電情況。磁保持繼電器僅在需要轉換觸點時給予一個短時間的脈沖，開關觸點動作后依靠內(nèi)部的永磁鐵即可保持狀態(tài)，需要的驅動功耗較小，滿足系統(tǒng)低功耗設計要求，其中磁保持電路原理圖如圖7所示，繼電器+和繼電器-為磁保持繼電器控制線，ON和OFF接入MCU的I/O控制口。

圖7 磁保持繼電器電路Fig.7 Magnetic latching relay circuit

2.2 軟件設計

本文設計的智能電能表，可以實時采集用戶空調線路上的電壓、電流、功率等信息，這些大量基礎信息被上傳到后臺調度控制中心的數(shù)據(jù)庫并用于負荷分析和控制[7]。為實現(xiàn)空調的節(jié)能監(jiān)控，智能電能表軟件算法上的實現(xiàn)尤為重要，軟件算法模型建立基本流程如圖8所示。

圖8 軟件算法模型建立基本流程Fig.8 Basic flow chart of software algorithm model establishment

(1)數(shù)據(jù)采集。通過智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺可獲取用戶用電數(shù)據(jù)。其中采集間隔可進行設置，默認為30 min；

(2)數(shù)據(jù)預處理。在建立典型負荷曲線前必須對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理?；诰嚯x的方法，常見的規(guī)范化方法包括最大最小值規(guī)范化、平均數(shù)方差法、總和規(guī)范化、極大值規(guī)范化等；

(3)擬合負荷曲線，即對規(guī)范化負荷數(shù)據(jù)進行聚類。負荷曲線聚類首先要確定負荷特性指標、選擇合適的聚類算法和確定其相應的參數(shù)；

(4)數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)應用，包括對負荷曲線的分析和評價，并利用聚類有效性指標評價聚類結果的質量；

(5)典型負荷曲線的建立。最終為用戶電力系統(tǒng)提供決策依據(jù)、優(yōu)化運行、降低損耗，提高經(jīng)濟效益。

典型負荷曲線的建立關鍵在于選取合適的聚類算法以及對聚類算法有效性的評價。目前實際應用中比較常見的聚類算法包括：k-means和FCM方法。在實際應用中應根據(jù)用戶電力數(shù)據(jù)特點結合有效的聚類算法評價，來選取合適的聚類算法以達到最優(yōu)效果。

2.2.1 空調自身故障的判定

當空調自身出現(xiàn)故障導致用電量劇增時，會改變電壓與電流之間的相角，使其產(chǎn)生斬波。本識別算法是基于實時監(jiān)測負載數(shù)據(jù)波形，并對其波形進行大數(shù)據(jù)分析擬合得出的算法。空調發(fā)生故障前后的電流波形如圖9所示。

圖9 空調發(fā)生故障前后的電流波形Fig.9 Current waveform diagram of an air conditioner before and after a failure

通過計量芯片每個周期采樣20個電流數(shù)據(jù)，在20個數(shù)據(jù)中求得最大值Imax，以此點為基準點，取前6個采樣數(shù)據(jù)點，對此6個數(shù)據(jù)依次做差，并求其相鄰兩點的斜率值Rate，在5次判定過程中，當Rate大于設定閾值時，電表跳閘報警寄存器Cnt數(shù)值加1，直至Cnt≥3，判定為空調發(fā)生故障，電能表內(nèi)磁保持繼電器跳閘，同時對故障進行上報，直至故障解除后，恢復正常運行。如圖10所示為故障判定的流程圖。

圖10 故障判定流程圖Fig.10 Flow chart of fault determination

2.2.2 空調使用不當?shù)呐卸?/p>

由智能電能表采集分別獲取空調線路和其他用電線路上不同日、不同時間段的用電負荷曲線，對這些負荷曲線進行聚類分析提取用戶典型用電負荷曲線，有利于異常用電檢測、負荷控制、優(yōu)化空調運行，從而有效避免空調使用不當造成的能源浪費[8-9]。主要判定如下：

(1)通過對同一監(jiān)測點的不同日負荷進行聚類，有助于發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測點的計量用電是否異常，是否存在空調不規(guī)范使用情況，如無人情況下未關閉或者未按規(guī)定開啟空調等；

(2)通過對同一日不同監(jiān)測點的負荷曲線進行聚類，可為客戶根據(jù)實際需求合理配置空調使用規(guī)則提供依據(jù)，分部門分時段設置空調啟用時間段；

(3)獲取典型負荷曲線，有助于減少監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集和存儲量。通過分析監(jiān)測負荷數(shù)據(jù)的日負荷特性，可進一步增大采集間隔，若與典型負荷曲線誤差不大(此處設定誤差閾值)，則可不進行保存，進一步減少存儲量。

其中曲線擬合的相似性計算是擬合典型負荷曲線的關鍵工作，以便選取的聚類算法與實際更為符合[10]。目前常見的距離計算方法為歐氏距離計算法，明氏距離被看作是歐氏距離的一種推廣[11]。常用dij表示第i個樣本與第j個樣本間的距離。明氏距離：

(2)

當q=0時，為曼哈頓距離；當q=1時，為歐氏距離；當q=∞時，為切比雪夫距離[12]。

為了進一步明確出現(xiàn)異常的空調設備，對異常設備負荷曲線與典型代表曲線的距離進行計算[13]。定義兩條曲線的距離d，其中i為時刻點，若采樣間隔為30分鐘，則i=48，P中心,i、P偏差,i分別為典型負荷曲線和異常設備負荷曲線該時刻點下的負荷值。

(3)

以上，d的值越大說明越偏離典型負荷曲線，該設備出現(xiàn)異常的可能性越大。

3 結束語

從硬件設計和軟件算法兩方面介紹了基于聚類算法的雙回路智能電能表設計，主要工作如下：

(1)介紹空調節(jié)能監(jiān)控平臺構成及該系統(tǒng)平臺可實現(xiàn)的功能；

(2)將傳統(tǒng)電能表進行改進，設計出雙回路電能表，并介紹了雙回路計量電路、開關電源電路、繼電器控制電路的相關設計；

(3)基于實時監(jiān)測負載數(shù)據(jù)波形，軟件算法上擬合出實際故障曲線，并給出斜率變化率算法，以識別空調自身故障問題；

(4)更重要的是，在智能電能表的軟件算法上提出基于聚類算法建立典型負荷曲線，并通過歐氏距離評估聚類算法的有效性，同時給出實際曲線與典型曲線的偏差計算公式，從而判斷是否為用電異常。

本文設計的雙回路智能電能表可基于現(xiàn)有智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺，實現(xiàn)空調節(jié)能監(jiān)管功能；同時，在軟件算法上提出基于聚類算法得出兩個獨立回路的典型負荷曲線，以此評估空調是否存在異常用電情況，優(yōu)化運行，從而避免空調使用不合理造成的能源浪費。本系統(tǒng)設計在實際應用中前景廣泛。