智能用電監測平臺的研究與應用

劉振如 廖涵冰 孫艷 劉偉

摘 要：基于非侵入式負荷分解技術和移動互聯技術，搭建智能監測平臺。該平臺可實現戶內每件電器用電監測，實現智能家居實時用能共享。以深度學習算法為基礎，采用物聯網硬件監測+大數據分析+移動端控制的模式，實現“精準服務+個性服務”的服務體系。在平臺推廣中，實現功能多樣化，最大化地挖掘客戶資源，并通過實際用電客戶的大數據驗證分析，從家庭企業節能和需求側管理兩個方面給出了優化用電建議。

關鍵詞：居民用電;用電細節監測;智能監測平臺

中圖分類號：TM762文獻標識碼：A文章編號：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，國家發展改革委辦公廳市場監管總局辦公廳聯合印發了《關于加快推進重點用能單位能耗在線監測系統建設的通知》，要求各地區按照《中華人民共和國節約能源法》推進能耗監測系統建設。我國正步入集約化、精細化的社會，節能減排成為新的趨勢和要求。但目前，從實踐來看，國內并沒有利用能耗監測平臺監測家庭用電和普通企業用電。

1 用電數據監測的現狀

目前，傳統計量電表無法獲取單臺家電用電信息，無法在線監測運行狀態等。用電信息不能動態、準確、實時地采集，更不能清晰地展示給用戶，數據資源無法實現共享和應用，對用戶超出預計的電費金額更無從考證，無法控制。例如，家里的電冰箱、電水壺、電視機等功率和電量等用能信息，電表是無法識別和掌控的，無法做到全類型全覆蓋式精細化負荷數據的采集[1-3]。

當前，我國整體用電水平和需求側的管理效率不高，一些地區的高峰用電依然緊張，電網峰谷差不斷拉大，電力供應形勢不容樂觀。目前，國家通過相應政策措施來引導用戶錯峰時少用電、低谷時多用電，從而減輕用電高峰時段的供電壓力，但無法從根本上提高供電效率，優化用電方式，需要通過全類型全覆蓋式精細化負荷數據采集和監測，通過大數據分析智能控制電器啟停和低功率運行，從而減少用電高峰期的供電壓力。

2 智能用電監測平臺的實現方法

首先將智能分析儀安裝在供電總口處，整個平臺由中央控制層、網絡通信層、終端測控層和電器設備層四層組成;采用電力專網常用的485、GPRS通信方式，或公網常用的WiFi、以太網等多種通信技術方式，增加了數據傳輸模塊，并通過手機APP進行人機互動，通過唯一設備號綁定在平臺中，用戶通過手機終端設備進入平臺監測模塊，通過綁定的設備編號查看家居設備用電情況及用電分析報告，并且通過APP控制已綁定家用電器的開關。利用負荷識別結果對用戶總功率信號進行分解，得到各個電器具體的用電信息，記錄每個負荷的用電情況。該智能用電監測平臺可廣泛應用在220 V/380 V的居民、商業、企業等終端用戶。

3 平臺創新點實現

首先，利用非侵入式電力負荷監測分解技術。非侵入式電力負荷監測與分解技術是一種全新的監測負荷耗電細節的技術。采用開合式CT取電流，T接穿刺線夾取電壓，安裝簡單、不用停電、即插即用。基于用電細節信息的需求側管理技術系統能極大地提升需求側管理項目的成本效益，促進用戶參與需求響應[4-7]。

其次，由于用戶群體為普通用戶和企業用戶，因此，電能數據分析具有高并發、訪問時間不固定等特點。傳統電能企業數據分析算法的CPU使用率大，單次執行時間長，會造成服務器CPU使用率瞬間上升至峰值，嚴重影響服務器性能，從而對用戶體驗造成惡劣影響。大規模電能數據分析引擎的核心算法借鑒了經典的網約車調度算法，將多進程資源控制與用電分析算法相結合，保證了服務器資源使用率在合理范圍內，解決了在大規模、高并發情況下的電能分析問題。

最后，結合分時電價，得到居民和部分企業用電行為的詳細分析結果，通過實際的用戶數據驗證所提方法的有效性，并從家庭節能和需求側管理方面優化用電建議，輔助突破現有需求側管理、違規用電稽查、客戶服務的業務瓶頸。

4 項目實施

智能監測平臺分成三個階段穩步實施。

第一階段，快速驗證市場可行性，以線下拜訪和小區團購的營銷方式為主，快速驗證用戶接受度，收集用電數據，加快數據模型調整和用戶體驗優化，以保證電器使用的廣泛性和解決方案的準確性。

第二階段，在未來兩年內，以用戶數量突破十萬、數據量突破百萬的雙增長方向為目標，與分發渠道達成合作，建立獨立流量入口，以產品運營驅動連續優化迭代產品，培養用戶線上購買使用習慣，優化用戶體驗，針對企業用戶和家庭用戶細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，形成競爭壁壘。

第三階段，未來5年內，平臺將尋求外部資本資金搶占市場份額，以覆蓋全國50%的家庭和中小微企業為目標，細分市場，精細運營。技術是企業的立根之本，平臺旨在組建專業科研團隊，使技術專利達到世界先進水平，掌握核心競爭力，打造開發合作平臺，扶持初創企業成長，帶動行業長遠發展，響應國家政策，承擔社會責任，提升社會形象。

5 安全風險與對策

本文設計的智能用電監測平臺也存在安全風險。一是數據安全風險。數據屬于一種資產，數據安全最為關鍵，平臺采用AES算法傳輸數據（在密碼學中又稱Rijndael加密法），此算法可抵抗所有已知攻擊，在多個平臺上速度快，編碼緊湊，并且設計簡單。二是平臺安全風險。平臺安全指平臺主機、系統、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，是對大數據平臺傳輸、存儲、運算等資源的安全防護要求。筆者通過平臺各組件與系統的漏洞掃描管理、規范化的基線核查管理、平臺態勢感知，確保大數據平臺的安全運行。三是政策導向和大數據安全體系不完善。數據所有權、隱私權等相關法律法規以及信息安全、開放共享等標準和規范尚不完善，尚未建立兼顧安全和發展的數據開放、管理和信息安全保障體系。

6 商業模式

平臺由兩部分組成：一是插入電表下方的硬件設備;二是手機APP端的監控平臺。兩者的結合，可以更好地監測電器能耗情況。通過售賣硬件和監測系統來獲取利潤。目前客戶群分為兩種：居民用戶和中小微企業。

為居民用戶服務方面，提供的價值較多：一是在節能方面，實時監測每個電器的電功率和所處工作狀態（如空調處于制冷狀態、洗衣機處于漂洗狀態等），用戶可自主調整和優化用電行為，達到節省電能和電費的目的;二是在安全用電方面，監測電器的電功率和工作狀態，可以幫助用戶快速準確地監測、診斷和清除電器故障，以便于及時維修設備，避免事故的發生。

為中小微企業服務方面，其提供的服務主要表現在以下幾方面。一是個性化用電監測服務。根據用戶用電習慣及當地階梯電價政策，結合用電常識及電器特性，制訂針對中小微企業的個性化電器監測方案。同時，還可以為政府部門解決民生問題，如監控社區內孤寡老人的異常用電情況。二是為電器研發廠商提供數據詳單。智能用電監測平臺收集到的耗能數據反饋給電器研發單位，共同推動制造商加速開展低能耗設備的研發，誘發能效市場的改革和幫助監管部門科學地制定政策。

7 項目預期成效

在經濟效益方面，該平臺旨在優化城鎮家庭及中小微企業的用電，將探索新的營銷及盈利模式，預計數據量突破百萬級;預計截至2021年底，解決天津市境內所有城鎮家庭及中小微企業的用電優化，數據驅動產品迭代，探索新的營銷及盈利模式;預計截至2021年底，用戶量突破千萬，形成提供居民（行業）用電報告分析，為政府及企業指定發展規劃提供數據支持。

在社會效益方面，該平臺不僅關心用戶的智能用電，還會根據用戶的用電習慣分析得出用戶畫像，一旦監測到某段時間內用電習慣與以往習慣不同便會重點標記。2019年6月平臺標記到某小區內一戶家庭用電異常，工作人員上門詢問得知房屋內是獨居聾啞老人，因電器年老失修導致。此事引起高度重視，特組織送關懷活動，為超過50個獨居老人免費電器換新，保證了用戶的用電安全。

隨著智能電網的不斷發展，提高電力利用效率，促進電力資源優化配置顯得越來越重要。對電力用戶來說，電網企業獲取用戶詳細用電細節數據能更好地了解用戶的用電行為，調整能源結構，科學管理用電，從而提高用戶用電體驗。對電力企業來說，有助于優化電網的規劃和運行，有助于電力營銷的精細化管理。對國家來說，能耗監測是節能的基礎。加強能源消耗監測，特別是電力能源消耗監測，對提高能源利用效率、實現能源可持續發展、建設節約型社會、緩解能源壓力具有重要的現實意義。普及電力智能監測的推廣，可以改善電力用戶與電網企業的互動關系，使用戶更多地參與電力市場運行。

參考文獻：

[1]余貽鑫，劉博，欒文鵬.非侵入式居民電力負荷監測與分解技術[J].南方電網技術，2013（4）：6-10.

[2]章建.電力系統負荷模型與辨識[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]紀亮.國家發展改革委、質檢總局印發《重點用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》[J].中國計量，2017（11）：13.

[4]黎鵬.非侵入式電力負荷分解與監測[D].天津：天津大學，2009.

[5]葛勝敏.多措并舉推動內蒙古大數據產業高質高效發展[J].北方經濟，2018（Z1）：31-34.

[6]賽迪智庫.大數據安全面面觀[J].軟件和集成電路，2017（10）：86-88.

[7]陳居勤.智能電網隱私保護方法的研究[D].長沙：湖南大學，2016.