智能用電監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究與應(yīng)用

劉振如 廖涵冰 孫艷 劉偉

摘 要：基于非侵入式負(fù)荷分解技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，搭建智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)每件電器用電監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能家居實(shí)時(shí)用能共享。以深度學(xué)習(xí)算法為基礎(chǔ)，采用物聯(lián)網(wǎng)硬件監(jiān)測(cè)+大數(shù)據(jù)分析+移動(dòng)端控制的模式，實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)服務(wù)+個(gè)性服務(wù)”的服務(wù)體系。在平臺(tái)推廣中，實(shí)現(xiàn)功能多樣化，最大化地挖掘客戶資源，并通過實(shí)際用電客戶的大數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析，從家庭企業(yè)節(jié)能和需求側(cè)管理兩個(gè)方面給出了優(yōu)化用電建議。

關(guān)鍵詞：居民用電;用電細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè);智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TM762文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）01-0134-03

Abstract： Based on non-invasive load decomposition technology and mobile Internet technology， an intelligent monitoring platform was built， which could monitor the power consumption of every electrical appliance in the house and realize real-time energy sharing of smart home. Based on the deep learning algorithm， the service system of "precise service + personalized service" was realized by adopting the mode of Internet of things hardware monitoring + big data analysis + mobile terminal control; in the platform promotion， the functions are diversified， the customer resources were maximized， and through the big data verification and analysis of the actual power customers， the energy-saving and demand side management of family enterprises were presented suggestions for optimizing power consumption.

Keywords： residential power consumption;detailed monitoring of power consumption;intelligent monitoring platform

2019年4月，國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的通知》，要求各地區(qū)按照《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》推進(jìn)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。我國(guó)正步入集約化、精細(xì)化的社會(huì)，節(jié)能減排成為新的趨勢(shì)和要求。但目前，從實(shí)踐來看，國(guó)內(nèi)并沒有利用能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)家庭用電和普通企業(yè)用電。

1 用電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀

目前，傳統(tǒng)計(jì)量電表無法獲取單臺(tái)家電用電信息，無法在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)等。用電信息不能動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集，更不能清晰地展示給用戶，數(shù)據(jù)資源無法實(shí)現(xiàn)共享和應(yīng)用，對(duì)用戶超出預(yù)計(jì)的電費(fèi)金額更無從考證，無法控制。例如，家里的電冰箱、電水壺、電視機(jī)等功率和電量等用能信息，電表是無法識(shí)別和掌控的，無法做到全類型全覆蓋式精細(xì)化負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集[1-3]。

當(dāng)前，我國(guó)整體用電水平和需求側(cè)的管理效率不高，一些地區(qū)的高峰用電依然緊張，電網(wǎng)峰谷差不斷拉大，電力供應(yīng)形勢(shì)不容樂觀。目前，國(guó)家通過相應(yīng)政策措施來引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰時(shí)少用電、低谷時(shí)多用電，從而減輕用電高峰時(shí)段的供電壓力，但無法從根本上提高供電效率，優(yōu)化用電方式，需要通過全類型全覆蓋式精細(xì)化負(fù)荷數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，通過大數(shù)據(jù)分析智能控制電器啟停和低功率運(yùn)行，從而減少用電高峰期的供電壓力。

2 智能用電監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法

首先將智能分析儀安裝在供電總口處，整個(gè)平臺(tái)由中央控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層、終端測(cè)控層和電器設(shè)備層四層組成;采用電力專網(wǎng)常用的485、GPRS通信方式，或公網(wǎng)常用的WiFi、以太網(wǎng)等多種通信技術(shù)方式，增加了數(shù)據(jù)傳輸模塊，并通過手機(jī)APP進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，通過唯一設(shè)備號(hào)綁定在平臺(tái)中，用戶通過手機(jī)終端設(shè)備進(jìn)入平臺(tái)監(jiān)測(cè)模塊，通過綁定的設(shè)備編號(hào)查看家居設(shè)備用電情況及用電分析報(bào)告，并且通過APP控制已綁定家用電器的開關(guān)。利用負(fù)荷識(shí)別結(jié)果對(duì)用戶總功率信號(hào)進(jìn)行分解，得到各個(gè)電器具體的用電信息，記錄每個(gè)負(fù)荷的用電情況。該智能用電監(jiān)測(cè)平臺(tái)可廣泛應(yīng)用在220 V/380 V的居民、商業(yè)、企業(yè)等終端用戶。

3 平臺(tái)創(chuàng)新點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

首先，利用非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)分解技術(shù)。非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解技術(shù)是一種全新的監(jiān)測(cè)負(fù)荷耗電細(xì)節(jié)的技術(shù)。采用開合式CT取電流，T接穿刺線夾取電壓，安裝簡(jiǎn)單、不用停電、即插即用?；谟秒娂?xì)節(jié)信息的需求側(cè)管理技術(shù)系統(tǒng)能極大地提升需求側(cè)管理項(xiàng)目的成本效益，促進(jìn)用戶參與需求響應(yīng)[4-7]。

其次，由于用戶群體為普通用戶和企業(yè)用戶，因此，電能數(shù)據(jù)分析具有高并發(fā)、訪問時(shí)間不固定等特點(diǎn)。傳統(tǒng)電能企業(yè)數(shù)據(jù)分析算法的CPU使用率大，單次執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)造成服務(wù)器CPU使用率瞬間上升至峰值，嚴(yán)重影響服務(wù)器性能，從而對(duì)用戶體驗(yàn)造成惡劣影響。大規(guī)模電能數(shù)據(jù)分析引擎的核心算法借鑒了經(jīng)典的網(wǎng)約車調(diào)度算法，將多進(jìn)程資源控制與用電分析算法相結(jié)合，保證了服務(wù)器資源使用率在合理范圍內(nèi)，解決了在大規(guī)模、高并發(fā)情況下的電能分析問題。

最后，結(jié)合分時(shí)電價(jià)，得到居民和部分企業(yè)用電行為的詳細(xì)分析結(jié)果，通過實(shí)際的用戶數(shù)據(jù)驗(yàn)證所提方法的有效性，并從家庭節(jié)能和需求側(cè)管理方面優(yōu)化用電建議，輔助突破現(xiàn)有需求側(cè)管理、違規(guī)用電稽查、客戶服務(wù)的業(yè)務(wù)瓶頸。

4 項(xiàng)目實(shí)施

智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)分成三個(gè)階段穩(wěn)步實(shí)施。

第一階段，快速驗(yàn)證市場(chǎng)可行性，以線下拜訪和小區(qū)團(tuán)購(gòu)的營(yíng)銷方式為主，快速驗(yàn)證用戶接受度，收集用電數(shù)據(jù)，加快數(shù)據(jù)模型調(diào)整和用戶體驗(yàn)優(yōu)化，以保證電器使用的廣泛性和解決方案的準(zhǔn)確性。

第二階段，在未來兩年內(nèi)，以用戶數(shù)量突破十萬、數(shù)據(jù)量突破百萬的雙增長(zhǎng)方向?yàn)槟繕?biāo)，與分發(fā)渠道達(dá)成合作，建立獨(dú)立流量入口，以產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)驅(qū)動(dòng)連續(xù)優(yōu)化迭代產(chǎn)品，培養(yǎng)用戶線上購(gòu)買使用習(xí)慣，優(yōu)化用戶體驗(yàn)，針對(duì)企業(yè)用戶和家庭用戶細(xì)分不同的盈利模式及解決方案，配合線上推廣，樹立品牌形象，形成競(jìng)爭(zhēng)壁壘。

第三階段，未來5年內(nèi)，平臺(tái)將尋求外部資本資金搶占市場(chǎng)份額，以覆蓋全國(guó)50%的家庭和中小微企業(yè)為目標(biāo)，細(xì)分市場(chǎng)，精細(xì)運(yùn)營(yíng)。技術(shù)是企業(yè)的立根之本，平臺(tái)旨在組建專業(yè)科研團(tuán)隊(duì)，使技術(shù)專利達(dá)到世界先進(jìn)水平，掌握核心競(jìng)爭(zhēng)力，打造開發(fā)合作平臺(tái)，扶持初創(chuàng)企業(yè)成長(zhǎng)，帶動(dòng)行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，響應(yīng)國(guó)家政策，承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，提升社會(huì)形象。

5 安全風(fēng)險(xiǎn)與對(duì)策

本文設(shè)計(jì)的智能用電監(jiān)測(cè)平臺(tái)也存在安全風(fēng)險(xiǎn)。一是數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)屬于一種資產(chǎn)，數(shù)據(jù)安全最為關(guān)鍵，平臺(tái)采用AES算法傳輸數(shù)據(jù)（在密碼學(xué)中又稱Rijndael加密法），此算法可抵抗所有已知攻擊，在多個(gè)平臺(tái)上速度快，編碼緊湊，并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。二是平臺(tái)安全風(fēng)險(xiǎn)。平臺(tái)安全指平臺(tái)主機(jī)、系統(tǒng)、組件自身的安全和身份鑒別、訪問控制、接口安全、多租戶管理等安全問題，是對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)傳輸、存儲(chǔ)、運(yùn)算等資源的安全防護(hù)要求。筆者通過平臺(tái)各組件與系統(tǒng)的漏洞掃描管理、規(guī)范化的基線核查管理、平臺(tái)態(tài)勢(shì)感知，確保大數(shù)據(jù)平臺(tái)的安全運(yùn)行。三是政策導(dǎo)向和大數(shù)據(jù)安全體系不完善。數(shù)據(jù)所有權(quán)、隱私權(quán)等相關(guān)法律法規(guī)以及信息安全、開放共享等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚不完善，尚未建立兼顧安全和發(fā)展的數(shù)據(jù)開放、管理和信息安全保障體系。

6 商業(yè)模式

平臺(tái)由兩部分組成：一是插入電表下方的硬件設(shè)備;二是手機(jī)APP端的監(jiān)控平臺(tái)。兩者的結(jié)合，可以更好地監(jiān)測(cè)電器能耗情況。通過售賣硬件和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來獲取利潤(rùn)。目前客戶群分為兩種：居民用戶和中小微企業(yè)。

為居民用戶服務(wù)方面，提供的價(jià)值較多：一是在節(jié)能方面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)電器的電功率和所處工作狀態(tài)（如空調(diào)處于制冷狀態(tài)、洗衣機(jī)處于漂洗狀態(tài)等），用戶可自主調(diào)整和優(yōu)化用電行為，達(dá)到節(jié)省電能和電費(fèi)的目的;二是在安全用電方面，監(jiān)測(cè)電器的電功率和工作狀態(tài)，可以幫助用戶快速準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)、診斷和清除電器故障，以便于及時(shí)維修設(shè)備，避免事故的發(fā)生。

為中小微企業(yè)服務(wù)方面，其提供的服務(wù)主要表現(xiàn)在以下幾方面。一是個(gè)性化用電監(jiān)測(cè)服務(wù)。根據(jù)用戶用電習(xí)慣及當(dāng)?shù)仉A梯電價(jià)政策，結(jié)合用電常識(shí)及電器特性，制訂針對(duì)中小微企業(yè)的個(gè)性化電器監(jiān)測(cè)方案。同時(shí)，還可以為政府部門解決民生問題，如監(jiān)控社區(qū)內(nèi)孤寡老人的異常用電情況。二是為電器研發(fā)廠商提供數(shù)據(jù)詳單。智能用電監(jiān)測(cè)平臺(tái)收集到的耗能數(shù)據(jù)反饋給電器研發(fā)單位，共同推動(dòng)制造商加速開展低能耗設(shè)備的研發(fā)，誘發(fā)能效市場(chǎng)的改革和幫助監(jiān)管部門科學(xué)地制定政策。

7 項(xiàng)目預(yù)期成效

在經(jīng)濟(jì)效益方面，該平臺(tái)旨在優(yōu)化城鎮(zhèn)家庭及中小微企業(yè)的用電，將探索新的營(yíng)銷及盈利模式，預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)量突破百萬級(jí);預(yù)計(jì)截至2021年底，解決天津市境內(nèi)所有城鎮(zhèn)家庭及中小微企業(yè)的用電優(yōu)化，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品迭代，探索新的營(yíng)銷及盈利模式;預(yù)計(jì)截至2021年底，用戶量突破千萬，形成提供居民（行業(yè)）用電報(bào)告分析，為政府及企業(yè)指定發(fā)展規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

在社會(huì)效益方面，該平臺(tái)不僅關(guān)心用戶的智能用電，還會(huì)根據(jù)用戶的用電習(xí)慣分析得出用戶畫像，一旦監(jiān)測(cè)到某段時(shí)間內(nèi)用電習(xí)慣與以往習(xí)慣不同便會(huì)重點(diǎn)標(biāo)記。2019年6月平臺(tái)標(biāo)記到某小區(qū)內(nèi)一戶家庭用電異常，工作人員上門詢問得知房屋內(nèi)是獨(dú)居聾啞老人，因電器年老失修導(dǎo)致。此事引起高度重視，特組織送關(guān)懷活動(dòng)，為超過50個(gè)獨(dú)居老人免費(fèi)電器換新，保證了用戶的用電安全。

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，提高電力利用效率，促進(jìn)電力資源優(yōu)化配置顯得越來越重要。對(duì)電力用戶來說，電網(wǎng)企業(yè)獲取用戶詳細(xì)用電細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)能更好地了解用戶的用電行為，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，科學(xué)管理用電，從而提高用戶用電體驗(yàn)。對(duì)電力企業(yè)來說，有助于優(yōu)化電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行，有助于電力營(yíng)銷的精細(xì)化管理。對(duì)國(guó)家來說，能耗監(jiān)測(cè)是節(jié)能的基礎(chǔ)。加強(qiáng)能源消耗監(jiān)測(cè)，特別是電力能源消耗監(jiān)測(cè)，對(duì)提高能源利用效率、實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、緩解能源壓力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。普及電力智能監(jiān)測(cè)的推廣，可以改善電力用戶與電網(wǎng)企業(yè)的互動(dòng)關(guān)系，使用戶更多地參與電力市場(chǎng)運(yùn)行。

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