低壓用戶綜合感知和分析技術(shù)及現(xiàn)場裝置的應(yīng)用探討

盧麗鵬 張紹登 黃夢歡 魏詩楠

（國網(wǎng)蕪湖供電公司，安徽 蕪湖245000）

1 概述

隨著國家城市化的推進(jìn)，城市的發(fā)展日新月異，家庭用電需求量也越來越大，電力系統(tǒng)供電的壓力也日益增加。在低壓用電側(cè)，家用設(shè)備的增多使得用電狀況復(fù)雜多變，這樣就會導(dǎo)致在智能電網(wǎng)用電側(cè)產(chǎn)生一些問題。

在家用電器設(shè)備接入電網(wǎng)用電終端時(shí)，家用設(shè)備的用電安全管理是亟需解決的問題，因此對家用電器設(shè)備的用電監(jiān)測和管理很有必要。

傳統(tǒng)的用戶用電方式是一種被動(dòng)的用電方式, 電力公司僅采集用戶的電能消耗信息并進(jìn)行計(jì)費(fèi), 用戶不能從電力公司獲得信息,更不能參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行與管理。因此亟需研發(fā)一套低壓用戶綜合用能感知與分析系統(tǒng)作為高級量測體系的主要組成部分，以信息采集、網(wǎng)絡(luò)通信、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲和物聯(lián)網(wǎng)等作為技術(shù)支撐, 讓家庭用戶在任何時(shí)間和地點(diǎn)都能實(shí)時(shí)了解其能耗情況,遠(yuǎn)程遙控家用電器的開閉，并能和電力公司進(jìn)行雙向信息互動(dòng)，在不影響用戶舒適度的前提下為用戶制定合理的用電計(jì)劃。

2 系統(tǒng)設(shè)備簡介

在本系統(tǒng)中，我們采用了以下的硬件設(shè)備作為系統(tǒng)集成的部件，即；

2.1 智能遠(yuǎn)程WIFI 遙控插座開關(guān)

2.1.1 工作原理：該插座內(nèi)部搭載著一套用電智能采集分析電路，包括交流電流采集、交流電壓采集、數(shù)據(jù)分析等模塊，其工程原理相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)接裝置，它的一端連接著家用電器，另一端接入低壓電網(wǎng)。插座上電以后，負(fù)載電器工作時(shí)所需要的電能會經(jīng)過用電智能采集分析電路才會最終供給負(fù)載電器使用，此時(shí)插座會實(shí)時(shí)的讀取分析負(fù)載的用電信息，比如實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)電壓、實(shí)時(shí)電功率等狀態(tài)參數(shù)；同時(shí)會根據(jù)監(jiān)測參數(shù)計(jì)算出某一時(shí)段的電能能耗。此外該插座具備聯(lián)網(wǎng)功能，即插座作為WiFi 終端設(shè)備可連接家用網(wǎng)絡(luò)，連接網(wǎng)絡(luò)后插座每次采集到的數(shù)據(jù)都會上傳到低壓用戶綜合感知分析平臺，供用戶實(shí)時(shí)查看，此外該插座還可以通過遠(yuǎn)程下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)和省電操作。

2.1.2 技術(shù)參數(shù)：計(jì)量插座的主要參數(shù)如下所示，即：

（1）額定電壓：250V；（2）最大電流：10A；（3）最大負(fù)載功耗：2500W；（4）聯(lián)網(wǎng)類型：WIFI；（5）無線標(biāo)準(zhǔn)：2.4G 802.11b/g/n；（6）工作溫濕度:0～50℃，80%RH；（7）產(chǎn)品尺寸：54*45*67mm；（8）產(chǎn)品重量：小于500g。

2.2 后臺云服務(wù)器

在本系統(tǒng)內(nèi)部，云服務(wù)器是銜接系統(tǒng)前后端的關(guān)鍵設(shè)備，也是所有采集分析數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。云服務(wù)器會通過TCP 協(xié)議接收計(jì)量插座采集到的各用電參數(shù)并對其加以算法分析和處理，隨后一方面將實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_管理平臺，用于其在WEB 端和APP 端展示，展示內(nèi)容有各用電參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)值、各參數(shù)歷史曲線、展示用電負(fù)載類型等。另一方面，云服務(wù)器具有存儲作用，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行列表存儲，方便用戶后期調(diào)用歷史數(shù)據(jù)查找用電異常原因，并且存儲的數(shù)據(jù)支持多種標(biāo)準(zhǔn)格式以及自定義格式導(dǎo)出。

2.3 Web 端管理平臺及移動(dòng)手機(jī)APP

在本系統(tǒng)內(nèi)部，建立起后臺工作站，主要由電腦、配置高清顯示屏以及移動(dòng)端APP 組成。云服務(wù)器在接收到設(shè)備端上傳的數(shù)據(jù)后會進(jìn)行處理，然后會將處理好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_監(jiān)測中心，用于管理人員和家庭住戶隨時(shí)隨地的去查看，分析以及應(yīng)急響應(yīng)。

在工作站，我們通過web 端服務(wù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)查閱，而在用戶端，則可以使用手機(jī)APP 遠(yuǎn)程連接插座進(jìn)行查閱。

3 低壓用戶綜合感知和分析技術(shù)研究

3.1 工作流程分析

低壓用戶綜合用能分析系統(tǒng)主要包括計(jì)量插座（分三口和兩口，10A 和16A）、云端服務(wù)器、WEB 端管理平臺以及移動(dòng)端APP。

計(jì)量插座實(shí)際上是一個(gè)插座轉(zhuǎn)接設(shè)置，電器通過計(jì)量插座之后再連接到電網(wǎng)。計(jì)量插座使用流程大致如下：電能計(jì)量模塊分為兩部分，一部分是電壓采集模塊直接與供電側(cè)連接，讀取用電負(fù)載的實(shí)時(shí)電壓；另一部分是電流采集模塊間接通過電流互感器與供電側(cè)連接，讀取用電負(fù)載的實(shí)時(shí)電流。MCU 通過SPI 通信協(xié)議從電能計(jì)量模塊獲取用電負(fù)載的電壓電流后，通過物理學(xué)公式（如實(shí)時(shí)功率等于實(shí)時(shí)電流與實(shí)時(shí)電壓相乘等）取得剩下的實(shí)時(shí)功率、用電量等數(shù)據(jù)；并從時(shí)鐘模塊獲取當(dāng)前時(shí)鐘，然后MCU 將這些數(shù)據(jù)整合成一幀數(shù)據(jù)包（其中包括包頭、包尾、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位等）通過WIFI 網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器內(nèi)，最后在WEB 端和手機(jī)移動(dòng)端的頁面上實(shí)時(shí)顯示。此外MCU還具備打開或關(guān)閉插座孔電源的功能，通過按鍵直接操作或設(shè)置定時(shí)自動(dòng)操作，電源的打開與關(guān)閉是通過MCU 控制繼電器的閉合與切斷實(shí)現(xiàn)的。

圖1 是本系統(tǒng)的組成架構(gòu)圖。

圖1

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括電源管理模塊、電能計(jì)量模塊、MCU 模塊、時(shí)鐘模塊、控制模塊、無線傳輸模塊。系統(tǒng)組成原理如圖2。

圖2

3.2.1 電源管理。計(jì)量插座的電源管理主要分為兩部分，一部分是將電網(wǎng)中的電能轉(zhuǎn)接給插座，使得插座可以給用電負(fù)載的電器供電；第二部分是將220V 交流電壓通過多種LDO 芯片轉(zhuǎn)換為不同等級的直流電壓如12V、5V、3.3V 等，分別給電能計(jì)量模塊、MCU、無線模塊提供工作電壓，同時(shí)根據(jù)各個(gè)模塊的額定電流大小設(shè)置不同等級的過流保護(hù)，增加計(jì)量插座的使用安全。

3.2.2 電能計(jì)量。主要是采集插座用電時(shí)的實(shí)時(shí)電壓和實(shí)時(shí)電流，由于采用的是接觸式電壓互感器和非接觸式電流互感器，采集出的實(shí)際信號值是mV 級別，需要對其進(jìn)行放大，本電路通過二級巴甫洛夫?yàn)V波電路以及二級負(fù)反饋放大電路對采集到的微小信號值進(jìn)行濾波放大，最終輸出可進(jìn)行AD 讀取的信號值。

3.2.3 主控模塊。它作為控制中心高效控制各模塊協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)將插座上的用電信息采集處理后上傳至云端平臺進(jìn)行分析和展示，并能根據(jù)平臺下發(fā)的指令對插座進(jìn)行控制。

3.2.4 無線傳輸。采用ESP8266 低功耗無線模塊，該模塊擁有強(qiáng)大的片上處理和存儲能力。該模塊體積小、丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重且性價(jià)比高，在節(jié)能方面，可快速在睡眠/喚醒模式之間切換，最適用于計(jì)量插座這種應(yīng)用場景中。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)本系統(tǒng)平臺的初衷是基于電力系統(tǒng)低壓用電側(cè)中，家庭住戶對于用電設(shè)備的智能化管理需求。因此，系統(tǒng)總體功能需求大致為：

3.3.1 用電監(jiān)測：實(shí)時(shí)讀取插座上負(fù)載的電壓和電流值。

3.3.2 電能計(jì)量：通過計(jì)量插座采集到的實(shí)時(shí)電壓和電流，可以通過智能算法計(jì)算出實(shí)時(shí)功率、總用電量。

3.3.3 預(yù)約定時(shí)：使用者可以通過APP 進(jìn)行預(yù)約定時(shí)，設(shè)置某一時(shí)間點(diǎn)或某一時(shí)間段對計(jì)量插座進(jìn)行上電或去電操作；從而控制計(jì)量插座上的負(fù)載電器工作和休息。

3.3.4 預(yù)警設(shè)置：通過在平臺上設(shè)置閾值，可以在插座負(fù)載電器電流超過閾值時(shí)，進(jìn)行平臺和APP 報(bào)警，若進(jìn)行電流限制操作，則在此情況下，插座會自動(dòng)斷電，使得負(fù)載電器停止工作，反之則只報(bào)警不處理。

3.3.5 數(shù)據(jù)導(dǎo)出：所有采集和分析處理的數(shù)據(jù)都會存儲在云端服務(wù)器上，可在平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式可自定義。

3.3.6 系統(tǒng)管理：系統(tǒng)管理分為登陸、用戶管理、角色管理3個(gè)模塊。登錄模塊實(shí)現(xiàn)用戶登錄功能；用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)了用戶的增加、刪除、修改、查看信息、用戶角色分配等功能；角色管理模塊實(shí)現(xiàn)了角色的新增、修改和刪除，對應(yīng)角色的權(quán)限查看等功能。

4 成果展望

按照現(xiàn)有的技術(shù)方法，對家用電器設(shè)備的用電監(jiān)測缺乏實(shí)效性和準(zhǔn)確性，那么利用上述的低壓用能感知和分析技術(shù)，我們預(yù)估可實(shí)現(xiàn)用能數(shù)據(jù)智能化分析和信息化平臺的展示。其主要的技術(shù)應(yīng)用成果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，即：

首先，系統(tǒng)內(nèi)部現(xiàn)場采集終端設(shè)備的應(yīng)用，巧妙地監(jiān)測到了各個(gè)家用電器的用電參數(shù)，規(guī)避了傳統(tǒng)電表測量的不準(zhǔn)確性，優(yōu)化了在電網(wǎng)用電側(cè)的電能監(jiān)測方式。其次，對用電數(shù)據(jù)的智能分析很好的幫助了用戶進(jìn)行用電狀況的判斷和管理，進(jìn)一步提高了弱電側(cè)的信息化管理水平。最后，該技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用可廣泛存在于城市，鄉(xiāng)鎮(zhèn)低壓用電端，例如機(jī)房，辦公室，家庭和會議室等場所，并逐步形成了良好的用電監(jiān)測和管理的推廣示范效益。

綜上所述，智能電網(wǎng)的低壓用電側(cè)的良好，穩(wěn)定運(yùn)行離不開該技術(shù)的支持和保障。一方面，立足于對該技術(shù)的深入應(yīng)用和推廣，不僅可以實(shí)現(xiàn)人們對居家用電的智能分析和管理，營造出安全，和諧的居家環(huán)境。另一方面，也能夠間接響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，為合理的用能分配及用電異常提供了信息化智能化輔助手段。此外后期通過建立激勵(lì)機(jī)制推動(dòng)家庭行為，增強(qiáng)終端日常生活化與智能體驗(yàn)，創(chuàng)建產(chǎn)品、服務(wù)、合作關(guān)系的“生態(tài)系統(tǒng)”這三方面策略來推動(dòng)社會節(jié)能減排意識。