低壓用戶綜合感知和分析技術及現場裝置的應用探討

盧麗鵬 張紹登 黃夢歡 魏詩楠

（國網蕪湖供電公司，安徽 蕪湖245000）

1 概述

隨著國家城市化的推進，城市的發展日新月異，家庭用電需求量也越來越大，電力系統供電的壓力也日益增加。在低壓用電側，家用設備的增多使得用電狀況復雜多變，這樣就會導致在智能電網用電側產生一些問題。

在家用電器設備接入電網用電終端時，家用設備的用電安全管理是亟需解決的問題，因此對家用電器設備的用電監測和管理很有必要。

傳統的用戶用電方式是一種被動的用電方式, 電力公司僅采集用戶的電能消耗信息并進行計費, 用戶不能從電力公司獲得信息,更不能參與電力系統的運行與管理。因此亟需研發一套低壓用戶綜合用能感知與分析系統作為高級量測體系的主要組成部分，以信息采集、網絡通信、遠程控制、數據分析、數據存儲和物聯網等作為技術支撐, 讓家庭用戶在任何時間和地點都能實時了解其能耗情況,遠程遙控家用電器的開閉，并能和電力公司進行雙向信息互動，在不影響用戶舒適度的前提下為用戶制定合理的用電計劃。

2 系統設備簡介

在本系統中，我們采用了以下的硬件設備作為系統集成的部件，即；

2.1 智能遠程WIFI 遙控插座開關

2.1.1 工作原理：該插座內部搭載著一套用電智能采集分析電路，包括交流電流采集、交流電壓采集、數據分析等模塊，其工程原理相當于一個轉接裝置，它的一端連接著家用電器，另一端接入低壓電網。插座上電以后，負載電器工作時所需要的電能會經過用電智能采集分析電路才會最終供給負載電器使用，此時插座會實時的讀取分析負載的用電信息，比如實時電流、實時電壓、實時電功率等狀態參數；同時會根據監測參數計算出某一時段的電能能耗。此外該插座具備聯網功能，即插座作為WiFi 終端設備可連接家用網絡，連接網絡后插座每次采集到的數據都會上傳到低壓用戶綜合感知分析平臺，供用戶實時查看，此外該插座還可以通過遠程下發指令實現定時開關和省電操作。

2.1.2 技術參數：計量插座的主要參數如下所示，即：

（1）額定電壓：250V；（2）最大電流：10A；（3）最大負載功耗：2500W；（4）聯網類型：WIFI；（5）無線標準：2.4G 802.11b/g/n；（6）工作溫濕度:0～50℃，80%RH；（7）產品尺寸：54*45*67mm；（8）產品重量：小于500g。

2.2 后臺云服務器

在本系統內部，云服務器是銜接系統前后端的關鍵設備，也是所有采集分析數據的中轉站。云服務器會通過TCP 協議接收計量插座采集到的各用電參數并對其加以算法分析和處理，隨后一方面將實時上傳的數據傳輸到后臺管理平臺，用于其在WEB 端和APP 端展示，展示內容有各用電參數實時數值、各參數歷史曲線、展示用電負載類型等。另一方面，云服務器具有存儲作用，對這些數據進行列表存儲，方便用戶后期調用歷史數據查找用電異常原因，并且存儲的數據支持多種標準格式以及自定義格式導出。

2.3 Web 端管理平臺及移動手機APP

在本系統內部，建立起后臺工作站，主要由電腦、配置高清顯示屏以及移動端APP 組成。云服務器在接收到設備端上傳的數據后會進行處理，然后會將處理好的實時數據傳輸到后臺監測中心，用于管理人員和家庭住戶隨時隨地的去查看，分析以及應急響應。

在工作站，我們通過web 端服務設備實現查閱，而在用戶端，則可以使用手機APP 遠程連接插座進行查閱。

3 低壓用戶綜合感知和分析技術研究

3.1 工作流程分析

低壓用戶綜合用能分析系統主要包括計量插座（分三口和兩口，10A 和16A）、云端服務器、WEB 端管理平臺以及移動端APP。

計量插座實際上是一個插座轉接設置，電器通過計量插座之后再連接到電網。計量插座使用流程大致如下：電能計量模塊分為兩部分，一部分是電壓采集模塊直接與供電側連接，讀取用電負載的實時電壓；另一部分是電流采集模塊間接通過電流互感器與供電側連接，讀取用電負載的實時電流。MCU 通過SPI 通信協議從電能計量模塊獲取用電負載的電壓電流后，通過物理學公式（如實時功率等于實時電流與實時電壓相乘等）取得剩下的實時功率、用電量等數據；并從時鐘模塊獲取當前時鐘，然后MCU 將這些數據整合成一幀數據包（其中包括包頭、包尾、校驗位、數據位等）通過WIFI 網絡上傳到云端服務器內，最后在WEB 端和手機移動端的頁面上實時顯示。此外MCU還具備打開或關閉插座孔電源的功能，通過按鍵直接操作或設置定時自動操作，電源的打開與關閉是通過MCU 控制繼電器的閉合與切斷實現的。

圖1 是本系統的組成架構圖。

圖1

3.2 系統硬件設計

硬件系統主要包括電源管理模塊、電能計量模塊、MCU 模塊、時鐘模塊、控制模塊、無線傳輸模塊。系統組成原理如圖2。

圖2

3.2.1 電源管理。計量插座的電源管理主要分為兩部分，一部分是將電網中的電能轉接給插座，使得插座可以給用電負載的電器供電；第二部分是將220V 交流電壓通過多種LDO 芯片轉換為不同等級的直流電壓如12V、5V、3.3V 等，分別給電能計量模塊、MCU、無線模塊提供工作電壓，同時根據各個模塊的額定電流大小設置不同等級的過流保護，增加計量插座的使用安全。

3.2.2 電能計量。主要是采集插座用電時的實時電壓和實時電流，由于采用的是接觸式電壓互感器和非接觸式電流互感器，采集出的實際信號值是mV 級別，需要對其進行放大，本電路通過二級巴甫洛夫濾波電路以及二級負反饋放大電路對采集到的微小信號值進行濾波放大，最終輸出可進行AD 讀取的信號值。

3.2.3 主控模塊。它作為控制中心高效控制各模塊協調工作，從而實現將插座上的用電信息采集處理后上傳至云端平臺進行分析和展示，并能根據平臺下發的指令對插座進行控制。

3.2.4 無線傳輸。采用ESP8266 低功耗無線模塊，該模塊擁有強大的片上處理和存儲能力。該模塊體積小、丟包現象不嚴重且性價比高，在節能方面，可快速在睡眠/喚醒模式之間切換，最適用于計量插座這種應用場景中。

3.3 軟件設計

設計本系統平臺的初衷是基于電力系統低壓用電側中，家庭住戶對于用電設備的智能化管理需求。因此，系統總體功能需求大致為：

3.3.1 用電監測：實時讀取插座上負載的電壓和電流值。

3.3.2 電能計量：通過計量插座采集到的實時電壓和電流，可以通過智能算法計算出實時功率、總用電量。

3.3.3 預約定時：使用者可以通過APP 進行預約定時，設置某一時間點或某一時間段對計量插座進行上電或去電操作；從而控制計量插座上的負載電器工作和休息。

3.3.4 預警設置：通過在平臺上設置閾值，可以在插座負載電器電流超過閾值時，進行平臺和APP 報警，若進行電流限制操作，則在此情況下，插座會自動斷電，使得負載電器停止工作，反之則只報警不處理。

3.3.5 數據導出：所有采集和分析處理的數據都會存儲在云端服務器上，可在平臺上進行數據導出，數據導出格式可自定義。

3.3.6 系統管理：系統管理分為登陸、用戶管理、角色管理3個模塊。登錄模塊實現用戶登錄功能；用戶管理模塊實現了用戶的增加、刪除、修改、查看信息、用戶角色分配等功能；角色管理模塊實現了角色的新增、修改和刪除，對應角色的權限查看等功能。

4 成果展望

按照現有的技術方法，對家用電器設備的用電監測缺乏實效性和準確性，那么利用上述的低壓用能感知和分析技術，我們預估可實現用能數據智能化分析和信息化平臺的展示。其主要的技術應用成果體現在以下幾個方面，即：

首先，系統內部現場采集終端設備的應用，巧妙地監測到了各個家用電器的用電參數，規避了傳統電表測量的不準確性，優化了在電網用電側的電能監測方式。其次，對用電數據的智能分析很好的幫助了用戶進行用電狀況的判斷和管理，進一步提高了弱電側的信息化管理水平。最后，該技術和設備的應用可廣泛存在于城市，鄉鎮低壓用電端，例如機房，辦公室，家庭和會議室等場所，并逐步形成了良好的用電監測和管理的推廣示范效益。

綜上所述，智能電網的低壓用電側的良好，穩定運行離不開該技術的支持和保障。一方面，立足于對該技術的深入應用和推廣，不僅可以實現人們對居家用電的智能分析和管理，營造出安全，和諧的居家環境。另一方面，也能夠間接響應國家節能減排政策，為合理的用能分配及用電異常提供了信息化智能化輔助手段。此外后期通過建立激勵機制推動家庭行為，增強終端日常生活化與智能體驗，創建產品、服務、合作關系的“生態系統”這三方面策略來推動社會節能減排意識。