非侵入式負荷監測終端設計與實現

王凱 耿悅桐 周宇昊 邢單璽

摘要：能源互聯和泛在電力物聯網對智能電網提出了更高的要求，同時也對用電信息數據深度挖掘提出了更高的要求。該文設計了非侵入式負荷監測終端，根據功能需求，進行整體方案確定、軟硬件系統設計，進而判斷各用電單元的種類、狀態。最后，通過實驗測試，驗證終端的可靠性和穩定性。

關鍵詞：泛在電力物聯網;非侵入式負荷監測;終端設計

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）10-0050-03

近年來，電力行業隨著大數據的發展得到了前所未有的發展，在監測和分析領域尤為突出，為了解決侵入式監測方法的諸多弊端，上世紀八十年代初由Hart教授最先提出利用電參數采集裝置提出了非侵入負荷監測技術的相關概念。隨著進入21世紀，大數據的蓬勃發展，利用大數據分析算法對電參數進行分析的非侵入式監測方法也得到了很好的發展，利用大數據分析和判斷各用電單元的種類、狀態，而且非侵入式監測對硬件的要求比較低。利用大數據分析進行非侵入式監測有利于建設節約型社會，實現能源的可持續性發展，并為緩解能源壓力獻出一份綿薄之力。

本文設計了一種非侵入式負荷監測終端，利用電能監測模塊IM1281B測量電參數，利用STM32單片機對電能監測模塊IM1281B的測量數據進行大數據分析，用以判斷各用電單元的種類、狀態，并將收到的數據和分析的結果通過GPRS模塊上傳到監測主站，同時將數據存儲終端的存儲模塊上，并顯示在OLED顯示模塊上;當主站收不到數據時，工作人員也可以在現場直接查看或調取數據;其中供電電路設有防雷電路，在配電系統受到雷擊時不受損害，且該方法具有成本較低、響應時間較短、精度較高、功耗低、監測范圍廣等特點，可適用于大范圍的用戶監測。

1整體設計方案

本文的非侵入式負荷監測終端的硬件結構包括以$TM32為核心，降壓電源模塊、鋰電池充電模塊、電能監測模塊IM1281B、GPRS模塊、OLED顯示模塊、鋰電池、sD卡讀寫模塊以及Web服務器和數據服務器。STM32單片機向電能監測模塊IM1281B發出監測指令，并接收電能監測模塊IM1281B所發送的實時電參數信息并進行電參數的數據分析，以及將分析結果和電參數信息通過GPRS模塊傳遞至Web服務器和數據服務器，STM32單片機同時將分析結果和電參數信息傳遞至sD卡模塊進行存儲和OLED顯示模塊進行顯示。系統整體結構圖見圖1。

2硬件設計

2.1供電部分設計

供電部分主要由降壓模塊、鋰電池充電模塊、鋰電池構成。降壓模塊將220V交流電壓降到5V直流電壓給鋰電池充電模塊供電。充電模塊給鋰電池供電，而鋰電池給$TM32單片機供3.7～5V直流電。

2.2監測部分設計

通過用戶電表，本方法將電能監測模塊IMl281B安裝在其后面。由電能監測模塊IMl281B將測得的相關電能質量數據傳給STM32單片機，再由單片機將測得的數據通過串口傳給GPRS模塊、SD卡讀寫模塊、OLED屏幕顯示模塊。由sD卡讀寫模塊存儲，OLED屏幕顯示模塊顯示。通過存儲的電參數進行學習以及識別。而GPRS模塊，則負責與監測主站通信。而單片機的供電，則由上文所述供電部分來完成。

2.3通信部分設計

STM單片機可以給GPRS模塊發送初始化以及“AT”指令使之工作。GPRS模塊將測得的相關電能質量數據以及識別到的對應用電器數據傳遞至Web服務器和數據服務器。而Web服務器和數據服務器共同構成了監測主站。在監測主站我們專門做了相關網站用以方便工作人員可以從網站上實時獲取測得的相關電能質量數據以及識別到的對應用電器數據。

3程序設計

單片機先監測按鍵是否被按下，若按下按鍵，STM32單片機會重新啟動并將SD卡讀寫模塊中數據清零，若按鍵沒按下，STM32單片機將對電能監測模塊IMl281B發送監測指令，電能監測模塊IM1281B收到監測指令后會將監測到的電流值實時發送給STM32單片機，單片機收到的電流值后會記錄實時時間并通過串口發送給GPRS模塊和通過串口將數據顯示在OLED顯示模塊上，STM32單片機也會將數據通過USART將數據同步存儲到SD卡讀寫模塊中。程序設計框圖見圖2。

4學習模型的構建

主控芯片STM32F103VET6將5種用電器一共32種組合的有功功率，無功功率建立含有32項數據的功率組合表通過求取電源線上有功功率，無功功率與功率數據組合表中功率的歐氏距離，尋找最短距離的項來識別用電器的開關狀態選取區分度大的有功功率與無功功率來作為用電器識別的電參數特征，把有功功率作為橫軸，無功功率作為縱軸，建立笛卡爾坐標系。5種用電器對應32種開關狀態，對應坐標系上32個樣本點。求取電源線上測量的有功功率，無功功率與各個樣本有功功率，無功功率的歐式距離，尋找其最小距離所對應的樣本，從而完成匹配識別功能。

此種方案優點是識別速度快，對主控的計算要求低，對存儲芯片的要求也低，代碼簡潔，即使再增加電參數特征，如電流有效值，功率因素，對主控的計算能力和系統的存儲能力的要求也不會很高。缺點是只能識別功率可以長時間保持穩定的用電器，學習時需要存儲所有開關狀態的功率信息，學習時間長。工作流程如圖3所示。

具體工作流程如下：首先使插座上的用電器工作在指定的開關狀態，然后在HMI屏上觸摸選取所要學習的用電器組合，讀取電源線的有功功率，無功功率20次，對功率數據進行中值濾波和均值濾波后，將處理后的功率數據發送到存儲芯片，從而完成學習。

5實驗分析

實驗具體步驟如下：建立功率數據組合表，并將功率數據發送到存儲芯片中，完成學習功能。然后在監測模式下，通過實時求取電源上的有功功率，無功功率與功率數據組合表每一項的歐式距離，尋找歐氏距離最近的項，便可判定插座用電器的開關狀態。已監測得到的數據如表1所示。具體實物圖如圖4所示。經測試檢驗，工作效果良好。在對比標準值前后百分之五的誤差之后，我們測量的數據已足夠精確。在監測模式下，本設計可以有效監測到用戶的具體用電情況。在學習模式下，用戶可以通過本設計識別出用電器的具體使用情況。同功率情況下功率因數和其他參數可以判斷，因為我們對比的有五種參數組合，但每種組合都只有一種，所以不會出現同功率判斷失誤。

6結論

本文設計的非侵入式負荷監測終端，充分考慮負負荷側能量流和信息流的實際需求，深度挖掘負荷分類和用戶習慣，從終端系統方案論證到軟硬件設計，最后對終端進行實驗測試，驗證了終端系統的可靠性和穩定性。本終端具有成本較低、響應時間較短、精度較高、功耗低等特點，可適用于大范圍的用戶監測。根據用戶使用習慣和使用偏好，提高國家電網精準服務、構建節約型社會，具有積極的研究意義和應用價值。