基于邊緣計(jì)算的新型智能電能表

呂偉嘉，劉浩宇，翟術(shù)然，馬 驍，董得龍，張兆杰

（1.國網(wǎng)天津市電力公司營銷服務(wù)中心，天津 300221；2.天津求實(shí)智源科技有限公司，天津 300392）

世界范圍內(nèi)，智能電能表已經(jīng)普及應(yīng)用多年，長(zhǎng)期以來，其核心功能仍限于電費(fèi)計(jì)量，功能單一。隨著時(shí)代的發(fā)展，已經(jīng)難以滿足用戶在節(jié)能、安全用電、精細(xì)化賬單等諸多方面日益增長(zhǎng)的需求[1]。一方面，為了給客戶提供更好的服務(wù)，電力公司正在嘗試向用戶反饋其精細(xì)至電器的用電細(xì)節(jié)信息，但電能表通常僅能提供用電總量信息。另一方面，電能表的基本計(jì)量功能準(zhǔn)確與否和用戶與電網(wǎng)的切身利益是息息相關(guān)的，而其計(jì)量準(zhǔn)確性往往只能通過人工逐一檢查或者抽查方式進(jìn)行校驗(yàn)，不僅需要耗費(fèi)大量人力和財(cái)力，而且針對(duì)性和實(shí)效性差[2]。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于邊緣計(jì)算的多功能新型智能電能表設(shè)計(jì)方案。在智能電網(wǎng)高級(jí)量測(cè)體系框架下，結(jié)合非侵入式負(fù)荷識(shí)別技術(shù)在用電數(shù)據(jù)采集與分析方面的優(yōu)勢(shì)[3-7]，設(shè)計(jì)了集成計(jì)量誤差自診斷與負(fù)荷識(shí)別“雙重”功能的新型電能表，為電表智能化賦予新的內(nèi)涵。該設(shè)計(jì)方案既可實(shí)現(xiàn)對(duì)電量計(jì)量誤差的自動(dòng)檢測(cè)，又可通過對(duì)負(fù)荷識(shí)別技術(shù)的深入應(yīng)用，提升負(fù)荷用電行為精準(zhǔn)感知能力，從而基于電力大數(shù)據(jù)分析為電力客戶提供智慧便捷的高級(jí)用電服務(wù)[8]，并為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有力數(shù)據(jù)支持[9]。

1 邊緣計(jì)算概述

1.1 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算EC（edge computing）的定義由邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提出，具體是指：在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，形成網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力一體化的分布式開放平臺(tái)，并就近提供邊緣智能服務(wù)[10]。EC最初起源于傳媒行業(yè)，在引入電力系統(tǒng)領(lǐng)域后主要應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)備側(cè)的分析任務(wù)中，提供就近計(jì)算服務(wù)。

邊緣計(jì)算的主要思想是在接近數(shù)據(jù)源一側(cè)的計(jì)算平臺(tái)上完成所需計(jì)算任務(wù)，即在終端數(shù)據(jù)源和遠(yuǎn)程主站之間完成數(shù)據(jù)處理，包括獲取、儲(chǔ)存和分析等處理。得益于EC能減少終端與遠(yuǎn)程主站之間數(shù)據(jù)傳輸量，近來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)的投入不斷增加，相關(guān)成果被應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域中，包括智慧交通、智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、公共安全等領(lǐng)域，從而使客戶獲得更好的服務(wù)和享受更優(yōu)質(zhì)的生活[11]。

1.2 邊緣計(jì)算與云計(jì)算

邊緣計(jì)算對(duì)云計(jì)算CC（cloud computing）起到了極大的補(bǔ)充作用，促進(jìn)了整體計(jì)算系統(tǒng)更高效運(yùn)轉(zhuǎn)。二者在業(yè)務(wù)定位、地理分布、時(shí)延、帶寬等方面有著較大的區(qū)別，具體如表1所示。

表1 邊緣計(jì)算與云計(jì)算的對(duì)比[12]Tab.1 Comparison between EC and CC[12]

在電力物聯(lián)網(wǎng)中，邊緣計(jì)算主要在終端節(jié)點(diǎn)處就地實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，并且提供本地化的數(shù)據(jù)信息服務(wù)，極大減少了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬受限所致的數(shù)據(jù)傳輸壓力。因此，借助邊緣計(jì)算本地化服務(wù)時(shí)間延遲較低的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)互動(dòng)。

具有邊緣計(jì)算功能的電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣終端，不僅可以通過向遠(yuǎn)程主站發(fā)送云計(jì)算請(qǐng)求，完成計(jì)算任務(wù)，同時(shí)也可直接就地執(zhí)行部分計(jì)算任務(wù)，形成云邊協(xié)同模式。對(duì)本地終端的計(jì)算需求進(jìn)行評(píng)價(jià)，滿足終端計(jì)算能力的可通過邊緣計(jì)算服務(wù)完成，否則向遠(yuǎn)程主站發(fā)送云計(jì)算請(qǐng)求，主站應(yīng)答并反饋給終端，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同。

因此，邊緣計(jì)算與云計(jì)算二者之間應(yīng)該是互相補(bǔ)充和完善的關(guān)系，而不是前者代替后者的關(guān)系。通過二者在網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、應(yīng)用、智能等方面的協(xié)同發(fā)展，取長(zhǎng)補(bǔ)短，為電力物聯(lián)網(wǎng)提供更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)支撐。

2 模組化電能表

2.1 模組化電能表架構(gòu)

根據(jù)國際法制計(jì)量組織頒布的OIML-R46《有功電能表》[13]，電能表的基礎(chǔ)計(jì)量部分功能與管理拓展部分功能可分開單獨(dú)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)新型智能電能表。具體方案如圖1所示，在電能表中分隔出互不干涉的兩塊區(qū)域，分別是獨(dú)立的電費(fèi)計(jì)量芯功能區(qū)和具有可拓展高級(jí)功能的管理芯功能區(qū)。

圖1 OIML-R46雙芯模塊化電能表框架Fig.1 Frame of OIML-R46 dual-core modular Watt-hour meter

其中，模組化智能電能表的基礎(chǔ)部分是計(jì)量功能，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不需要更新修改且計(jì)量性能穩(wěn)定，主要承擔(dān)的是用戶用電量的計(jì)量及其電氣量信息采集與存儲(chǔ)任務(wù)，可類比于傳統(tǒng)電能表。另一部分則是可拓展高級(jí)功能的管理功能，還負(fù)責(zé)管理整塊電能表的運(yùn)行，并且其中部分功能還可遠(yuǎn)程集中控制和在線升級(jí)。

2.2 模組化電能表功能拓展

模組化電能表的總體設(shè)計(jì)思路為：在保證電能表計(jì)量功能準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的前提下，對(duì)管理芯的設(shè)計(jì)注重保有充足的可擴(kuò)展空間。管理芯的模塊間接口按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，利用合適的模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能，并且便于電能表維修和模塊的增減、替換，從而減少其迭代更新成本和功能升級(jí)的實(shí)施難度。同時(shí)，應(yīng)用先進(jìn)的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊之間的高效通信。下面具體介紹本文所設(shè)計(jì)的模組化新型智能電表的主要功能。

（1）本地大容量存儲(chǔ)。為了適用于“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)”一體化協(xié)調(diào)發(fā)展的需要，不僅能提供法制計(jì)量數(shù)溯源，還可為其他電力業(yè)務(wù)部門日常工作和技術(shù)研發(fā)提供大數(shù)據(jù)支撐，模組化電能表應(yīng)具備大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。為了實(shí)現(xiàn)高效存儲(chǔ)，一般采用分布式存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，為每個(gè)功能模塊均提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，從而支持?jǐn)?shù)據(jù)的高效讀寫。

（2）高速高效的數(shù)據(jù)通信。模組化電能表采用可擴(kuò)展通信協(xié)議及適配的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)大量、高速傳輸。采用邊緣計(jì)算與數(shù)據(jù)壓縮等手段，可實(shí)現(xiàn)電能表與主站之間高效的上行通信。此外，將采集、控制功能搭載在下行通信模塊上，可使電能表具備多表集抄、戶內(nèi)終端交互和電動(dòng)汽車充電樁有序管理等功能。

（3）電能表集中控制與在線升級(jí)。作為法制計(jì)量工具，模組化電能表的計(jì)量模塊不允許在線升級(jí)，而為了更好地實(shí)現(xiàn)電能表的更新迭代，管理芯里其他模塊采用模塊集中控制和在線升級(jí)的設(shè)計(jì)概念，并且保證一項(xiàng)功能的修改不影響其他功能的正常使用。

（4）環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。新型電能表突破傳統(tǒng)對(duì)單一維度電力數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，配置了監(jiān)測(cè)其他物理量（如磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、濕度等）的傳感器，進(jìn)而擴(kuò)展了電能表的傳統(tǒng)功能。通過對(duì)環(huán)境溫度的感知做出一系列響應(yīng)動(dòng)作，以確保用電安全，還可排除電能表受到非正常干擾帶來的竊電隱患等影響。

（5）負(fù)荷識(shí)別。此項(xiàng)功能一方面有助于電力公司了解電力用戶負(fù)荷組成和運(yùn)行情況，據(jù)此可以從多方面優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行與管理，另一方面可幫助電力用戶了解自身的電能消費(fèi)情況，從而減少自身一些不必要的能源開銷、節(jié)省電費(fèi)[8，14]。

（6）計(jì)量誤差監(jiān)測(cè)與自診斷。實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量誤差的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與自診斷可較好地滿足電能表誤差遠(yuǎn)程診斷，變“定期稽查與裝置替換”為“失準(zhǔn)及時(shí)更換”，節(jié)省人力、物力。隨著電能計(jì)量新技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，模組化電能表應(yīng)集成此功能。

3 基于邊緣計(jì)算的新型智能電能表

3.1 新型智能電能表的整體方案

受智能電能表法定計(jì)量器具的法律法規(guī)限制，只要與計(jì)量相關(guān)的軟硬件被修改升級(jí)，就需要重新進(jìn)行型式評(píng)價(jià)與檢定，這使得傳統(tǒng)電能表更新迭代速度慢，致使新技術(shù)應(yīng)用匱乏和新功能集成困難。為解決這一矛盾，依據(jù)模組化電能表的總體設(shè)計(jì)理念，新型智能電能表對(duì)計(jì)量功能與管理功能分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，在智能電能表中劃分出隔離區(qū)域。新型電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不會(huì)受到的其他功能智能化升級(jí)的影響，既保證了計(jì)量公平，又實(shí)現(xiàn)了功能拓展?；谶吘売?jì)算的新型智能電能表主要包括計(jì)量芯模塊（組）、管理芯模塊（組）、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊等功能模塊，整體方案如圖2所示。

圖2 新型智能電能表整體方案Fig.2 Overall scheme for novel type of smart Watt-hour meter

標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量模塊組作為新型智能電能表的基本表，以計(jì)量芯為核心，采用SoC形式實(shí)現(xiàn)。該模塊的主要任務(wù)是電能量的實(shí)時(shí)計(jì)量。具體包括，每分鐘的電量存儲(chǔ)、時(shí)標(biāo)存儲(chǔ)，以及時(shí)鐘源、脈沖、失壓、電源異常等特殊事件的檢測(cè)等功能，這些作為電能表的基礎(chǔ)功能通常在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)有修改的需求。標(biāo)準(zhǔn)化管理模塊組承擔(dān)整個(gè)表的管理任務(wù)，包括負(fù)荷識(shí)別模塊、計(jì)量誤差在線監(jiān)測(cè)與診斷模塊，并接入了電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、按鍵控制、顯示、時(shí)鐘和通信等功能模塊，融合了新型智能電能表的全部管理和高級(jí)功能，用以實(shí)現(xiàn)費(fèi)控展示、信息通信、事件存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)凍結(jié)、負(fù)荷調(diào)控等。值得注意的是，管理芯的部分功能可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)。另外，通信模塊采用先進(jìn)的通信技術(shù)，可為多元高效通信和多業(yè)務(wù)同時(shí)接入提供必要支撐。

下面對(duì)負(fù)荷識(shí)別和計(jì)量誤差在線監(jiān)測(cè)與診斷兩大核心拓展功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.2 負(fù)荷識(shí)別

負(fù)荷識(shí)別（load identification）技術(shù)僅通過分析負(fù)荷總量數(shù)據(jù)便可獲取負(fù)荷內(nèi)部每種電器設(shè)備的工作狀態(tài)、耗電功率和累計(jì)電量等用電細(xì)節(jié)信息。這一概念是由Hart最先正式提出的[15]，隨著智能電網(wǎng)和高級(jí)量測(cè)體系的建設(shè)發(fā)展[16]，NILM由其簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和易于推廣等特點(diǎn)[3]備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。

下面簡(jiǎn)要介紹負(fù)荷識(shí)別的基本原理。負(fù)荷識(shí)別系統(tǒng)主要由5部分組成，如圖3所示[3]。負(fù)荷識(shí)別步驟描述為4步：首先，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集原始負(fù)荷總量數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率等；第二，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)處理采集得到的有功功率、電壓、電流等原始數(shù)字信號(hào)。具體的處理步驟包括了對(duì)有功功率、電流信號(hào)進(jìn)行濾波降噪，對(duì)有功功率、電流信號(hào)的突變點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)或刪除，以及對(duì)電流信號(hào)相位進(jìn)行校驗(yàn)和修正等；第三，負(fù)荷事件檢測(cè)與特征提取負(fù)責(zé)檢測(cè)電器的開啟、關(guān)停等工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并提取相關(guān)特征樣本[4，17]。普遍采用的負(fù)荷特征（load signature）包括穩(wěn)態(tài)功率、暫態(tài)功率波形、電壓-電流軌跡曲線以及電流諧波畸變等[18-19]，如圖4所示。最后，電器用電狀態(tài)識(shí)別模塊負(fù)責(zé)根據(jù)已知的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫，采用分類或回歸機(jī)器學(xué)習(xí)模型[20]，對(duì)已獲取的特征樣本進(jìn)行歸類辨識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)電器用電狀態(tài)識(shí)別及電量分解[5，7，19]。

圖3 基于邊緣計(jì)算的負(fù)荷識(shí)別系統(tǒng)[3]Fig.3 Load identification system based on EC[3]

圖4 電器暫態(tài)有功功率波形樣本示例Fig.4 Examples of waveform samples of transient active power of appliances

與用戶總量用電數(shù)據(jù)相比，通過負(fù)荷識(shí)別得到的電器級(jí)數(shù)據(jù)是典型的電力大數(shù)據(jù)源，對(duì)電力企業(yè)、政府監(jiān)管部門、用戶個(gè)體乃至整個(gè)社會(huì)意義重大，其潛在價(jià)值難以估量[8]。對(duì)于用戶來說，首先，負(fù)荷識(shí)別結(jié)果可接近實(shí)時(shí)地向用戶提供每個(gè)或每類電器的用電功率及其所處工作狀態(tài)；其次可根據(jù)此信息自主調(diào)整和優(yōu)化用電行為，從而節(jié)省電能和電費(fèi)；再者還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控用電設(shè)備的狀態(tài)，保證用電安全，防止電氣火災(zāi)等危險(xiǎn)的產(chǎn)生。對(duì)于電力公司，通過把負(fù)荷分解得到的用電細(xì)節(jié)信息采集到量測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，這些信息可為電力負(fù)荷時(shí)空分布預(yù)測(cè)、電力規(guī)劃方案優(yōu)化、電網(wǎng)實(shí)時(shí)安全穩(wěn)定性提升、激勵(lì)政策科學(xué)制定、負(fù)荷精準(zhǔn)調(diào)控、違約用電行為稽查等諸多應(yīng)用提供有力支撐[6，9]，通過上述手段可將負(fù)荷識(shí)別技術(shù)潛在價(jià)值轉(zhuǎn)化為巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

3.3 計(jì)量誤差在線監(jiān)測(cè)與診斷

受系統(tǒng)諧波、工作流技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)、計(jì)量設(shè)備不完善、使用偏差和安裝不規(guī)范等因素影響，電能表存在計(jì)量誤差[21]。電能表計(jì)量誤差在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)，通過數(shù)據(jù)分析處理，可對(duì)電能表自身的誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自主校驗(yàn)，并基于圖形生成與智能分析技術(shù)對(duì)比誤差變化趨勢(shì)，從而評(píng)價(jià)電能表的健康狀態(tài)，該技術(shù)的成功應(yīng)用將大幅減少人工現(xiàn)場(chǎng)校表次數(shù)，甚至替代人工定期檢查[22]。

基于“發(fā)射—接收—自檢”閉環(huán)系統(tǒng)，電能表誤差在線監(jiān)測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 智能電能表計(jì)量誤差監(jiān)測(cè)原理Fig.5 Schematic of metering error monitoring for smart Watt-hour meter

在電能表內(nèi)置基準(zhǔn)源的基礎(chǔ)上，第一，通過計(jì)量芯模塊采集電壓電流數(shù)據(jù)，作為負(fù)載信號(hào)，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生周期波形激勵(lì)信號(hào)，與負(fù)載信號(hào)疊加得到疊加信號(hào)，如圖6所示；第二，疊加信號(hào)經(jīng)過傳感器采集，經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；第三，將所得數(shù)字信號(hào)分離，提取出激勵(lì)信號(hào)和負(fù)載信號(hào)；第四，根據(jù)電表出廠參數(shù)得到激勵(lì)信號(hào)計(jì)算值，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)源輸出的激勵(lì)信號(hào)，可得監(jiān)測(cè)誤差。采用邊緣計(jì)算技術(shù)，新型智能電能表的管理芯負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)量誤差檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)電量就地校準(zhǔn)。

圖6 信號(hào)疊加示意Fig.6 Schematic of signal superposition

電能表計(jì)量誤差在線監(jiān)測(cè)與診斷，可實(shí)現(xiàn)電能表健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給云端平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)異常告警等功能。這樣一來，“定期稽查與裝置替換”可轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆?zhǔn)及時(shí)更換”，可以有效提升人工現(xiàn)場(chǎng)排查與系統(tǒng)維護(hù)的工作效率。而且，能夠減少負(fù)荷電流小于電能表標(biāo)定電流的10%時(shí)或者被檢電能表功率因素小于0.5時(shí)容易發(fā)生的人工漏檢。此外，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)更能保證問題處理的及時(shí)性，從而有助于減少電力交易各方的不必要糾紛，有利于電力市場(chǎng)健康發(fā)展。

4 結(jié)語

本文提出的基于邊緣計(jì)算的新型智能電能表采用模組化設(shè)計(jì)理念，將基本計(jì)量功能和適合發(fā)展需要的高級(jí)管理功能分離。通過負(fù)荷識(shí)別模塊組與計(jì)量誤差在線監(jiān)測(cè)與診斷功能模塊組的融合設(shè)計(jì)，依托邊緣計(jì)算技術(shù)，形成了支撐基本計(jì)量、負(fù)荷分項(xiàng)計(jì)量、計(jì)量誤差自診斷的多功能智能電表，實(shí)現(xiàn)了電表的真正智能化，可支撐各類超于計(jì)量的高級(jí)功能，從而能夠更好地滿足未來多元化客戶服務(wù)需求，同時(shí)提高電網(wǎng)運(yùn)營效率。