基于大數(shù)據(jù)的智能節(jié)能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

屈彩鳳 陽韜

摘要：隨著工業(yè)自動化程度越來越高，電力資源的需求量也在逐漸增大，尤其對于北上廣這類以工業(yè)和商業(yè)為主導(dǎo)的一線城市，對供電的要求也越來越高。如果因電力資源供應(yīng)不足而導(dǎo)致停電，將會帶來巨大的損失，因此電力資源的節(jié)約與合理分配顯得尤為重要。文章基于大數(shù)據(jù)理論進(jìn)行研究，對用電數(shù)據(jù)和電力供應(yīng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對能源影響因素進(jìn)行聚類分析。在以上大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，文章以廣州某高校為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究并設(shè)計(jì)出一套基于大數(shù)據(jù)理論的智能節(jié)能管理系統(tǒng)，從而合理地分配及控制電力資源，以達(dá)到節(jié)能控制的目的。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；電力；統(tǒng)計(jì)分析；聚類分析；節(jié)能管理

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0091-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

近年來，廣東省的經(jīng)濟(jì)得到了快速的發(fā)展，其在工業(yè)等各行各業(yè)上的用電也逐年在增長，廣東省從2017年至2021年的電力消耗量數(shù)據(jù)見圖1，從圖中數(shù)據(jù)很容易看出，廣東省的電力消耗量非常大，并且在逐年增長。廣東省2017年的用電量為5 958.97億千瓦小時，到了2021年用電量增長到7 866.63億千瓦小時，另外可以看出，2017至2020年用電量逐年增長相對緩慢，但是2020年到2021年用電量增長將近1 000億千瓦小時。目前來看，廣東省的電力供需平衡方面水平還很低，隨著電力需求的快速增長，電力供應(yīng)很容易出現(xiàn)缺口，節(jié)能迫在眉睫。

由于廣東省各市區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在一定的差異，電力使用情況自然也會有所不同。圖2中給出了2021年廣東省21個市區(qū)的電力消耗量，圖中顯示廣州、深圳和東莞這三個地區(qū)電力消耗量位居前三，均達(dá)到1000億千瓦時以上，所以在這三個地區(qū)實(shí)施節(jié)能政策對整個廣東省都有很大的益處。

據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，廣東省在電力數(shù)據(jù)消耗非常大，而高校電力數(shù)據(jù)消耗在其中占了很大的比重。本文根據(jù)用電單位用電設(shè)備的物理分布和用電單位過往的用電的數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)理論和技術(shù)，對過往的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，挖掘數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而建立相應(yīng)的節(jié)能用電數(shù)學(xué)模型，對用電狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，提供可視化操作。并以廣州城市理工學(xué)院為研究對象，設(shè)計(jì)出節(jié)能控制管理系統(tǒng)。本文中的大數(shù)據(jù)理論與應(yīng)用系統(tǒng)也可以推廣到其他類似的用電單位進(jìn)行應(yīng)用。

1 大數(shù)據(jù)理論技術(shù)的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)在近幾年的發(fā)展非常迅速，目前來看，大數(shù)據(jù)技術(shù)幾乎已經(jīng)融入人們生活的很多領(lǐng)域之中，大數(shù)據(jù)的發(fā)展推動了數(shù)據(jù)的迅速傳播，尤其是在統(tǒng)計(jì)我國各地區(qū)能源消耗數(shù)據(jù)中扮演著十分重要的角色[1]。能源消耗的過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，正是有了大數(shù)據(jù)技術(shù)，各城市才能收集并且進(jìn)行分析這些海量的數(shù)據(jù)，比如能夠準(zhǔn)確分析出電力消耗量數(shù)據(jù)情況，從而提出合理的政策建議，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，防止出現(xiàn)供電不足等情況影響使用。

大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅包括數(shù)據(jù)的規(guī)模，還包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)處理與分析以及數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)等內(nèi)容：1） 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理：在大數(shù)據(jù)整個過程中，第一個環(huán)節(jié)就是要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，一般會用到ETL工具，目的是能夠把一些異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)抽取到中間層再進(jìn)行清洗轉(zhuǎn)換集成，再進(jìn)行實(shí)時的處理；2） 數(shù)據(jù)存儲與管理：在大數(shù)據(jù)技術(shù)第一個環(huán)節(jié)采集到相關(guān)數(shù)據(jù)之后，由于數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和模式可能會出現(xiàn)不同，可以利用SQL數(shù)據(jù)庫或者關(guān)系數(shù)據(jù)庫等將海量的數(shù)據(jù)存儲起來并妥善管理；3） 數(shù)據(jù)處理與分析：對于存儲好的數(shù)據(jù)，可以采用回歸分析、方差分析、假設(shè)檢驗(yàn)或者聚類分析等統(tǒng)計(jì)分析方法對這些海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解讀數(shù)據(jù)；4） 數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)：數(shù)據(jù)分析之后需要將結(jié)果以關(guān)系圖等方式展現(xiàn)出來，從而得出相應(yīng)的結(jié)論與建議[2]。

2 基于大數(shù)據(jù)聚類分析能源強(qiáng)度

電力是能源消耗的重要組成部分，能源強(qiáng)度是指單位GDP所消耗的能源量，分析我國各地區(qū)能源強(qiáng)度影響因素對于節(jié)能管理有重要參考價值。本文根據(jù)影響能源強(qiáng)度的主要因素對29個省份進(jìn)行聚類分析，選取2015年的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.1 聚類分析方法介紹

聚類分析就是根據(jù)“物以類聚”的思想，對樣品（或指標(biāo)）進(jìn)行分類的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。根據(jù)研究中分類對象的不同，聚類分析分為Q型聚類（或者說是樣品聚類），和R型聚類（或者說是指標(biāo)聚類）。本文將采用的是Q型聚類分析。

2.2 能源強(qiáng)度聚類分析

本文選取影響能源強(qiáng)度的三個主要因素（經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、能源強(qiáng)度效應(yīng)和能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)）來對我國29個省市進(jìn)行聚類分析。聚類分析結(jié)果見表1和圖3。

從聚類分析結(jié)果來看，根據(jù)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、能源強(qiáng)度效應(yīng)和能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)這三個因素將中國各省份劃分為四大區(qū)域，這樣一來可以結(jié)合各省情況提出針對各個區(qū)域的節(jié)能建議。例如，區(qū)域一包括了北京和海南，北京作為中國首都而海南作為旅游大省，該區(qū)域的一次能源主要以電力能源為主，所以在進(jìn)行節(jié)能管理時可以將重點(diǎn)放在如何轉(zhuǎn)變居民的消費(fèi)觀念上，或者推出一些電力節(jié)能管理系統(tǒng)，將節(jié)能落到實(shí)處[3]。

3 大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

從整個城市的用電結(jié)構(gòu)來看，一個城市的主要是電力消費(fèi)主要集中在以下幾個部分（如圖4） ：1） 工業(yè)用電：在工業(yè)區(qū)，企業(yè)的生產(chǎn)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)以及工作人員的辦公等方面會消耗巨大的電力資源；2） 商業(yè)用電：主要集中在商業(yè)中心的空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)、照明用電以及辦公室的電腦等辦公設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)；3） 居民用電：居民用電主要集中在小區(qū)的安防設(shè)備、照明以及居民家庭生活用電等；4） 市政用電：政府機(jī)關(guān)部門的工作運(yùn)轉(zhuǎn)用電，城市運(yùn)轉(zhuǎn)所需的照明以及安防設(shè)備用電等；5） 高校用電：我國有將近3 000所的高校，而高校用電主要集中在教學(xué)用電、教室和圖書館等的空調(diào)設(shè)備以及學(xué)生和教師的生活用電等，每年高校用電在全國電力資源消耗中占據(jù)了很大的比重[4]。

本系統(tǒng)依托廣州城市理工學(xué)院與中科曙光共建的大數(shù)據(jù)中心，該中心服務(wù)器配置高，運(yùn)算能力非常強(qiáng)大，能夠進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，并運(yùn)行強(qiáng)大的管理服務(wù)器軟件[5]。

大數(shù)據(jù)中心能夠?qū)⒁粋€城市的各個用電單位聯(lián)系起來，各個用電單位（包括高校、政府部門、居民區(qū)、工廠、商業(yè)中心等）的管理服務(wù)器通過光纖連接到大數(shù)據(jù)中心，而大數(shù)據(jù)中心作為中心節(jié)點(diǎn)，管理各個單位的服務(wù)器。各單位的服務(wù)器收集了本單位的用電數(shù)據(jù)和配電結(jié)構(gòu)，并將這些數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。大數(shù)據(jù)中心根據(jù)各個單位的用電情況進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，分析各個單位的用電數(shù)據(jù)，包括每天的用電總量、用電的高峰時段、照明用電量、空調(diào)用電量、設(shè)備用電量等用電結(jié)構(gòu)情況。

根據(jù)大數(shù)據(jù)的分析，不同的用電單位，其用電情況會呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。例如對于居民區(qū)來說，一般白天的耗電量會相對較小，晚上的用電量會劇增；而工廠全天有長達(dá)16小時的時間耗電量會很大；商場等中心區(qū)域在晚上耗電量會比較多；辦公樓的耗電主要集中在早上9點(diǎn)至晚上9點(diǎn)的時段，其他時間的耗電量較小。另外，夏季和冬季的用電結(jié)構(gòu)也差別很大，甚至南方和北方的用電結(jié)構(gòu)也存在差異。根據(jù)這些數(shù)據(jù)長期的統(tǒng)計(jì)，會形成一個較大的數(shù)據(jù)庫，要從其中分析出相關(guān)結(jié)論，則需要用到大數(shù)據(jù)的分析方法。

大數(shù)據(jù)中心能夠與各個城市的供電站通過光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，這些數(shù)據(jù)分析出用電情況后，將這些分析的數(shù)據(jù)結(jié)果傳送到供電站，供電站便能夠根據(jù)這些信息合理地設(shè)置供配信息。

而供電局的供配電是根據(jù)不同地區(qū)，不同的用電場所，不同的時段，合理地配置供配電線路的功率等，這樣才能夠保證合理配置用電資源。

4 高校數(shù)據(jù)中心管理服務(wù)器系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)管理服務(wù)中心的服務(wù)器作為整個系統(tǒng)的管理中心，通過軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)軟件系統(tǒng)[6]。

管理軟件系統(tǒng)如圖5所示，包括數(shù)據(jù)可視化模塊，數(shù)據(jù)分析模塊，通信模塊，控制模塊，監(jiān)測模塊等，這些模塊分別完成不同的功能。

監(jiān)測模塊：該模塊主要是監(jiān)測學(xué)校各個用電場合的實(shí)際情況，包括教室用電監(jiān)測、辦公樓用電監(jiān)測等，主要是監(jiān)測這些場所的光照、溫度等，并把這些信息上傳到管理中心，作為控制的依據(jù)，從而減少浪費(fèi)。比如在白天，教室的光照強(qiáng)度足以滿足學(xué)生正常的學(xué)習(xí)上課，但是教室的電燈卻開著，這時候通過光照傳感器上傳的數(shù)據(jù)，就可以作為控制教室燈開關(guān)的依據(jù)。

控制模塊：該模塊包含智能和手動控制這兩種控制模式，其中智能模式，就是設(shè)置好相應(yīng)的控制條件后，如設(shè)置好教室的溫度和光照強(qiáng)度后，控制模塊將會根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)時的控制教室的燈和空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

通信模塊：該模塊主要是與后勤管理中心進(jìn)行通信，接受后勤管理部門傳送過來的數(shù)據(jù)，包括各個場合的用電數(shù)據(jù)等，進(jìn)行處理，從而完成用電設(shè)備的實(shí)時控制。另外一個部分是獲取教務(wù)系統(tǒng)的排課等課堂數(shù)據(jù)，當(dāng)教室沒有上課時，將會自動關(guān)閉教室的用電設(shè)備，從而減少電力資源的浪費(fèi)情況。

數(shù)據(jù)分析模塊：該模塊主要是把傳感器上傳的數(shù)據(jù)、設(shè)置的控制數(shù)據(jù)、學(xué)校各個場合的用電數(shù)據(jù)以及不同時段的耗電數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，從這些信息中獲取用電情況，作為控制的依據(jù)。

數(shù)據(jù)可視化：該模塊主要是通過一個大型的電子顯示屏，展示各個場合的用電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含多個功能子模塊，管理者可以在不同的操作顯示界面上看到不同的信息，比如可以看到各棟教學(xué)樓的用電情況，點(diǎn)擊子菜單，也可以看到各個教室的用電情況和排課情況等。

5 高校用電控制與監(jiān)測部署

5.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

高校用電控制與節(jié)能管理主要是以學(xué)校的管理服務(wù)器為中心，對學(xué)校各個場合用電設(shè)備的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如光照強(qiáng)度、溫濕度等信息監(jiān)測。并根據(jù)設(shè)置的策略和分析結(jié)果對用電設(shè)備實(shí)時控制，從而保證學(xué)校各項(xiàng)用電設(shè)備的高效利用，減少電力資源浪費(fèi)的情況[7]。

如圖6所示，管理服務(wù)器作為學(xué)校的管理端，通過TCP/IP協(xié)議控制學(xué)校各個部分的網(wǎng)關(guān)。工業(yè)網(wǎng)關(guān)以stm32f103C8T6為核心，通過以太網(wǎng)通信，可以連接服務(wù)器，接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，也可以通過RS232接口在觸摸屏進(jìn)行控制和顯示相關(guān)狀態(tài)；而通過RS485接口控制板下發(fā)控制命令，并接收來自數(shù)據(jù)采集控制板上傳過來的傳感器數(shù)據(jù)，用電設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息。

網(wǎng)關(guān)與各個教室可以通過兩種方式進(jìn)行通信，一種是網(wǎng)關(guān)直接通過RS485通信接口與下面的設(shè)備通信；另外一種是網(wǎng)關(guān)連接Lora模塊，數(shù)據(jù)采集板連接到Lora模塊，通過無線收發(fā)信息來與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信[8]。

5.2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

數(shù)據(jù)采集板與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，雙方之間采用自定義協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)通信采用的RS485接口，可以一個主站，多個從站，例如以網(wǎng)關(guān)端為主站，數(shù)據(jù)采集板為從站。其中最多可以接200個從站以上，而在高校用電控制場合不需要連接那么多設(shè)備，完全能夠滿足要求。

主站和從站雙方間收發(fā)數(shù)據(jù)，主要包括繼電器控制數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、繼電器狀態(tài)數(shù)據(jù)等四種數(shù)據(jù)，并定義了四種功能控制碼，分別為繼電器控制、溫度讀取、光照讀取及狀態(tài)讀取。用繼電器連接教室內(nèi)部的控制設(shè)備，并通過繼電器輸出開關(guān)信息，從而對教室的電燈、空調(diào)、多媒體設(shè)備等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。以溫度讀取命令為例，收發(fā)的數(shù)據(jù)幀如下：

1） 網(wǎng)關(guān)主站發(fā)送報文格式：

[起始標(biāo)志 設(shè)備地址 功能碼 數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 結(jié)束標(biāo)志 0x11 0xaa 0x01 0x03 0x02 0x00 0x00 0x22，0xbb ]

2） 數(shù)據(jù)采集板從機(jī)返回的數(shù)據(jù)格式為：

[起始標(biāo)志 設(shè)備地址 功能碼 數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 結(jié)束標(biāo)志 0x11 0xaa 0x01 0x03 0x02 0x12 0x23 0x22，0xbb ]

數(shù)據(jù)的通信過程：管理中心先將設(shè)置好控制指令，將控制指令通過以太網(wǎng)發(fā)送到工業(yè)網(wǎng)關(guān)，通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸，工業(yè)網(wǎng)關(guān)再通過RS485接口或者Lora無線的方式將指令發(fā)送到數(shù)據(jù)采集板，從而完成控制。

同時數(shù)據(jù)采集卡兼顧了控制和數(shù)據(jù)采集功能，將連接的溫度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，通過傳感器采集后，在數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行處理、打包，以數(shù)據(jù)幀形式發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)焦芾矸?wù)中心，進(jìn)行處理。在不同的場合，不同的部門布置大量的傳感器，這些傳感器在不同的時段會形成大量的數(shù)據(jù)，以此作為數(shù)據(jù)中心大數(shù)據(jù)的一部分，并作為控制的依據(jù)，完成系統(tǒng)的節(jié)能控制。

6 分析與總結(jié)

通過近幾年廣東省的電力消耗數(shù)據(jù)分析，不難發(fā)現(xiàn)在廣州等耗電量較大的城市中采取節(jié)能措施，并設(shè)置節(jié)能管理系統(tǒng)是非常有必要的。本文研究設(shè)計(jì)的智能節(jié)能管理系統(tǒng)，以大數(shù)據(jù)理論為基礎(chǔ)，在廣州城市理工學(xué)院的這個研究場合下，設(shè)計(jì)了大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，通過數(shù)據(jù)采集和控制硬件，并在學(xué)校的一些教學(xué)樓完成了軟硬件的系統(tǒng)部署，已經(jīng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制各個用電場合的設(shè)備。

該節(jié)能管理系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠及時關(guān)閉一些不需要用到的用電設(shè)備，從而減少了電力資源的浪費(fèi)，相對于傳統(tǒng)的管理方式，例如需要教室管理員對各個教室掃樓式管理，該節(jié)能管理系統(tǒng)具備高效省時的管理特點(diǎn)，而且可以大大節(jié)約電力資源，該系統(tǒng)的研究具有重要的實(shí)際意義。

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【通聯(lián)編輯：王力】