基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)研究

何豐明

（四川鑄創(chuàng)安全科技有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

智慧用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)科學(xué)性將會(huì)對(duì)系統(tǒng)功能產(chǎn)生深刻影響。因此，在智慧用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需保障大數(shù)據(jù)技術(shù)的有效應(yīng)用。

1 智慧用電系統(tǒng)概述

智慧用電是一種能夠保證系統(tǒng)高質(zhì)高效、安全平穩(wěn)用電的技術(shù)，智慧用電需要基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，相關(guān)工作可以利用智慧用電系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控用電線路，監(jiān)測(cè)電流、電壓、溫度以及設(shè)備故障數(shù)據(jù)，為提高用電安全性提供輔助。依托于智慧用電系統(tǒng)，可構(gòu)建多元電力安全管理模式，實(shí)現(xiàn)人防、物防和技防的深度結(jié)合，為切實(shí)保證用電者的人身財(cái)產(chǎn)安全奠定基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的智慧用電系統(tǒng)中設(shè)有用電單元監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用和分析平臺(tái)，能夠基于數(shù)據(jù)整合與分析預(yù)判用戶用電行為，從而合理預(yù)測(cè)用電隱患、優(yōu)化電力資源配置、系統(tǒng)智能預(yù)報(bào)警。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和電力技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的智慧用電系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的智慧用電需求，要保障智慧用電系統(tǒng)的使用有效性就必須在其中融入新的技術(shù)。當(dāng)前，智慧用電系統(tǒng)主要面臨數(shù)據(jù)處理壓力，那么相關(guān)工作人員可以在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，以高效開(kāi)展數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、挖掘、整合、分析和可視化呈現(xiàn)，進(jìn)而提升智慧用電系統(tǒng)應(yīng)用有效性。

2 基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，智慧用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需保證系統(tǒng)具有強(qiáng)大的監(jiān)控、示警和預(yù)處理能力，可以為保障用電線路使用安全、電力資源配置合理、用電隱患精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和電力數(shù)據(jù)高效處理奠定基礎(chǔ)。應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，從而快速獲得有價(jià)值和目標(biāo)指向性的數(shù)據(jù)信息，可充分滿足智慧用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，緩解該系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)節(jié)所面臨的數(shù)據(jù)處理壓力。因此，基于大戶數(shù)據(jù)而開(kāi)展智慧用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分可行。

2.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)，需要對(duì)電力數(shù)據(jù)的內(nèi)容以及關(guān)系進(jìn)行深度挖掘，并且數(shù)據(jù)在各個(gè)業(yè)務(wù)層級(jí)之間都能得到有效應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)人員可以選用分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，為提高智慧用電系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性、容錯(cuò)性以及高效性提供保障。在設(shè)計(jì)智慧用電系統(tǒng)時(shí)，相關(guān)工作人員需要基于智慧用電的監(jiān)管需要，合理劃分系統(tǒng)額度業(yè)務(wù)層級(jí)，并梳理系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯和流程，保證系統(tǒng)應(yīng)用有效；確定智慧用電系統(tǒng)的框架以后，相關(guān)工作人員還需要為任務(wù)處理選定編程模型，并為數(shù)據(jù)管理選定應(yīng)用工具[1]。例如，將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)智能終端、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行整合，針對(duì)低壓配電線路負(fù)載端的剩余電流、溫度、電流、電壓以及頻率等用電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端、應(yīng)用小程序與電話二次報(bào)警等方式進(jìn)行報(bào)警信息的推送，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧用電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。

2.2 設(shè)計(jì)方案

基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)智能終端進(jìn)行智慧用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，（系統(tǒng)框架如圖1所示），將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、服務(wù)模塊、分析模型與系統(tǒng)應(yīng)用共5個(gè)層級(jí)，為用電線路監(jiān)控、用電行為預(yù)測(cè)、用電風(fēng)險(xiǎn)防范和智慧用電體系建設(shè)提供保障。

圖1 基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)框架

2.2.1 數(shù)據(jù)接入層

在系統(tǒng)框架中，數(shù)據(jù)接入層主要將用電數(shù)據(jù)導(dǎo)入、采集、抽取以及簡(jiǎn)單處理。在此環(huán)節(jié)，需要設(shè)計(jì)多元化的日志處理系統(tǒng)，來(lái)保障數(shù)據(jù)接入有效。例如，選用日志收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)，為以后抽取、整合與清洗數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，這一環(huán)節(jié)還應(yīng)該確保所有接入的數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性、全面性和安全性，利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)。

2.2.2 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層

由于當(dāng)前電力系統(tǒng)中存有海量用電信息、電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的選用與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出現(xiàn)實(shí)要求。在智慧用電系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員可以基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用要求和電力數(shù)據(jù)儲(chǔ)存需求，建立非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，用于將平臺(tái)監(jiān)測(cè)到的電流、電壓、線纜溫度、有功功率、無(wú)功功率以及總功率因數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與刷新，并采用圖表形式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，便于操作人員登錄平臺(tái)直觀查看當(dāng)前用電情況等信息，為提高數(shù)據(jù)庫(kù)管理和調(diào)度質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

2.2.3 服務(wù)模塊層

基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)服務(wù)模塊，需要具備計(jì)算、分析、控制功能，從而為保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與有效性奠定基礎(chǔ)。在實(shí)踐中，智慧用電系統(tǒng)的信息安全控制、電力線路數(shù)據(jù)分析計(jì)算、系統(tǒng)信息展示以及系統(tǒng)管理都應(yīng)該以服務(wù)模塊為基礎(chǔ)來(lái)開(kāi)展[2]。因此，在其設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須對(duì)各功能的有效發(fā)揮進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，規(guī)范模塊結(jié)構(gòu)和運(yùn)行邏輯，為提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提供輔助。例如，利用集中管理模塊實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置；利用可視化模塊展現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與儀器運(yùn)行數(shù)據(jù)；利用安全防護(hù)網(wǎng)絡(luò)與防火墻技術(shù)保證數(shù)據(jù)與系統(tǒng)安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密傳輸；基于數(shù)據(jù)分析有效開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析處理；基于數(shù)據(jù)計(jì)算引擎，高效開(kāi)展系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算等。

2.2.4 分析模型層

這一層級(jí)的主要運(yùn)行目的，基于數(shù)據(jù)分析模型預(yù)測(cè)用電風(fēng)險(xiǎn)，提高用電異常監(jiān)測(cè)質(zhì)效。在實(shí)踐中，導(dǎo)入智慧用電系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)過(guò)于龐雜，要保證分析有效性就必須對(duì)經(jīng)過(guò)清洗和標(biāo)準(zhǔn)化的信息進(jìn)行高效處理。例如，根據(jù)聚類(lèi)算法建立監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)模型，讓系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠被快速整合、處理和分析。

2.2.5 系統(tǒng)應(yīng)用層

基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)可以充分滿足智慧用電需求，是一種具有高度靈活性和實(shí)用性的應(yīng)用平臺(tái)。在實(shí)踐中，這一平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景眾多，可以被廣泛應(yīng)用在智慧建筑、智慧城市、智慧消防等方面，將會(huì)為構(gòu)建智慧生活提供輔助。例如，運(yùn)用該智慧用電管理系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)查看多種類(lèi)型的用電數(shù)據(jù)，利用技防改變傳統(tǒng)人防巡檢模式，節(jié)約用工成本、提高監(jiān)管效率，并且依托三級(jí)防護(hù)體系從源頭遏制火災(zāi)、觸電、設(shè)備燒毀等事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)，提高用電監(jiān)管的智慧化水平。

3 大數(shù)據(jù)智慧用電技術(shù)要點(diǎn)

為保證基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)性和設(shè)計(jì)方案的可行性，相關(guān)工作人員也應(yīng)該在實(shí)踐中做好大數(shù)據(jù)智慧用電管理技術(shù)要點(diǎn)的把控。在此環(huán)節(jié)，應(yīng)從大數(shù)據(jù)的集成管理、儲(chǔ)存、處理和可視化方面開(kāi)展全面管理。

3.1 集成管理

在基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)中，需要引入大數(shù)據(jù)智慧用電集成管理技術(shù)。該技術(shù)是多種技術(shù)方案數(shù)據(jù)合并后的產(chǎn)物，屬于數(shù)據(jù)集中管理技術(shù)，具有較為全面的功能性。數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜是大數(shù)據(jù)的一大特質(zhì)，使得大數(shù)據(jù)的來(lái)源廣泛、類(lèi)型繁雜且整體數(shù)據(jù)環(huán)境具有復(fù)雜性和多變性，數(shù)據(jù)處理的難度相對(duì)較高。在基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)中包含海量數(shù)據(jù)，若不能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效合并，無(wú)法建立具有穩(wěn)定性和全面性的數(shù)據(jù)集合，就難以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。因此，相關(guān)工作人員需要保證數(shù)據(jù)處理邏輯和儲(chǔ)存媒介管理的統(tǒng)一性，避免出現(xiàn)信息孤島問(wèn)題。

在智慧用電系統(tǒng)當(dāng)中，信息抽取與集成都需要基于特定關(guān)系而開(kāi)展。這些操作的本質(zhì)是數(shù)據(jù)預(yù)處理，其目的是將原本龐雜、無(wú)序、瑣碎的大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)、可用且具有結(jié)構(gòu)化特征的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。在基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)中，HDFS系統(tǒng)的應(yīng)用保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性、可靠性和全面性，可將文件分別存儲(chǔ)于多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的文件系統(tǒng)中，為系統(tǒng)有效運(yùn)行提供保障。

3.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析一直是大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心?；跀?shù)據(jù)分析技術(shù)可以整理從有效數(shù)據(jù)中抽取具有參考價(jià)值的信息，并找出信息規(guī)律和潛在模態(tài)，為相關(guān)工作人員制定決策提供支持。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)類(lèi)型不斷增多，較為常見(jiàn)的有數(shù)據(jù)挖掘、關(guān)聯(lián)分析、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)以及時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型等[3]。大數(shù)據(jù)智慧用電的數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)算法的有機(jī)結(jié)合，從而對(duì)電路運(yùn)行信息進(jìn)行科學(xué)抽取和動(dòng)態(tài)化分析，為實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)決策提供輔助。

3.3 數(shù)據(jù)處理

大數(shù)據(jù)智慧用電數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)也是相關(guān)工作人員在設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)時(shí)需要關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。在系統(tǒng)中，應(yīng)該基于該技術(shù)保證大數(shù)據(jù)的分布式處理、泛化處理和實(shí)時(shí)處理有效性。同時(shí)，在應(yīng)用數(shù)據(jù)泛化處理技術(shù)時(shí)，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)文本、多媒體和圖像處理技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。此外，在系統(tǒng)中還應(yīng)采用流式處理技術(shù)來(lái)提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理成效，此時(shí)數(shù)據(jù)處理效率可達(dá)到毫秒級(jí)。

3.4 可視化處理

基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)能夠真實(shí)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，主要源自于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)。這種技術(shù)能夠幫助系統(tǒng)管理人員和決策人員直觀、高效且全面地理解數(shù)據(jù)信息，明確智慧用電情況，還能為系統(tǒng)信息關(guān)系深挖提供輔助。在傳統(tǒng)的智慧用電系統(tǒng)中就已經(jīng)應(yīng)用了可視化技術(shù)，但在基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)中，可視化技術(shù)將與其他先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，能對(duì)用電規(guī)律與數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行有效挖掘和展示。例如，可視化技術(shù)將與數(shù)據(jù)分析模型結(jié)合應(yīng)用，可以完整呈現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的大數(shù)據(jù)，更能直觀展現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的走勢(shì)和排列規(guī)律，將會(huì)為危險(xiǎn)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)防范提供巨大幫助。

4 結(jié) 論

為了滿足智慧用電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用要求，相關(guān)工作人員應(yīng)該基于大數(shù)據(jù)開(kāi)展智慧用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在這一過(guò)程中需要保證大數(shù)據(jù)智慧用電的集成管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理和可視化技術(shù)都能得到合理應(yīng)用。當(dāng)然，在實(shí)踐中設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該深挖用電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)系，為合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行框架和運(yùn)行流程提供輔助。