智能電網(wǎng)的非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

崔偉　康偉　郭成光　張金誠

摘要：為進一步提高智能電網(wǎng)的信息分析挖掘能力以及數(shù)據(jù)共享交互能力，設(shè)計一款功能完善、實用性強的非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)。在結(jié)合系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，完成對系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)和系統(tǒng)總體方案的設(shè)計;從數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計、主控模塊設(shè)計、通信模塊設(shè)計等方面入手，完成系統(tǒng)核心功能模塊的設(shè)計;對系統(tǒng)的運行性能以及云平臺在線監(jiān)測功能進行測試。結(jié)果表明：所設(shè)計的非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)運行正常、可靠、穩(wěn)定，各個功能模塊實現(xiàn)滿足設(shè)計相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);非侵入式;電力負荷監(jiān)測系統(tǒng);設(shè)計

中圖分類號：TM76

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0182-05

Design of non-intrusive load monitoring system for smart grid

CUI Wei， KANG Wei， GUO Chengguang， ZHANG Jincheng

（State Grid Shandong Electric Power Company， Jinan Zhangqiu District Power Supply Company， Jinan 250200， China

）

Abstract：In order to further improve the information analysis and mining capabilities as well as the data sharing and interaction capabilities of the smart grid， a non-intrusive load monitoring system with complete functions and strong practicability is designed. Based on the analysis of system requirements， complete the design of the system technical architecture and overall system plan. Start with the data acquisition module design， main control module design， communication module design and other aspects to complete the design of the core functional modules of the system. Finally， test the operating performance of the system and the online monitoring function of the cloud platform. The results show that the non-intrusive load monitoring system designed in this paper runs normally， reliably and stably， and the realization of each functional module meets the relevant design requirements.

Key words：smart grid; non-intrusive; power load monitoring system; design

在智能電網(wǎng)背景下，通過設(shè)計和應用非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對用電負荷自動化、遠程化、精確化監(jiān)測，還便于用戶全面地了解和把握電力負荷特性，為保證電力負荷識別精確度，提高智能電網(wǎng)調(diào)度水平提供重要的平臺支持。因此，為了促進智能電網(wǎng)的健康、可持續(xù)發(fā)展，如何科學地設(shè)計非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求分析作為非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)內(nèi)容，在正式進入系統(tǒng)設(shè)計之前，技術(shù)人員要從以下2個維度出發(fā)，做好對系統(tǒng)需求分析。（1）用戶需求分析。該系統(tǒng)所涉及到的用戶主要包含業(yè)務用戶和系統(tǒng)用戶兩類，用戶類型不同，其系統(tǒng)需求也存在的一定的差異。（2）功能需求分析。系統(tǒng)功能主要包含采集模塊設(shè)計、主控模塊設(shè)計、通信模塊等模塊，技術(shù)人員要重點做好對這些功能模塊的設(shè)計和實現(xiàn)，以保證用戶的使用體驗。

2系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

在智能電網(wǎng)背景下，非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計主要用到了以下核心技術(shù)，分別是負荷監(jiān)測與識別技術(shù)、先進的信息通信技術(shù)、數(shù)據(jù)深度挖掘技術(shù)。首先，通過利用負荷監(jiān)測與識別技術(shù)，實現(xiàn)對電力負荷數(shù)據(jù)的全面化分析和研究[1];然后，借助信息通信技術(shù)，保證電網(wǎng)與用戶之間的互動性，確保電網(wǎng)能夠在最短時間內(nèi)快速地獲取用戶電力負荷數(shù)據(jù)。最后，采用數(shù)據(jù)深度挖掘方式，對用戶的電力負荷數(shù)據(jù)進行深入地分析和挖掘，從而為用戶提供良好的智能化用電服務。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計示意圖如圖1所示。

3系統(tǒng)總體方案設(shè)計

3.1系統(tǒng)核心模塊介紹

本系統(tǒng)主要包含以下幾個模塊，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、通信模塊和電源模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖如圖2所示。其中數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、通信模塊設(shè)計是本次研究中的重點，一旦所采集的數(shù)據(jù)精確度不高，將會直接影響本系統(tǒng)的運行性能。為避免以上不良現(xiàn)象的發(fā)生，技術(shù)人員要優(yōu)先選用采樣電阻，對電力負荷數(shù)據(jù)進行采集，這是由于這種電阻具有抗磁場干擾能力。此外，還要選用HLW8112電能計量芯片，將電力負荷數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換為相應的電信號[2]。電源模塊作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能模塊，其穩(wěn)壓程度控制不合理，將會直接影響本系統(tǒng)的運行狀態(tài)，因此，技術(shù)人員要優(yōu)先選用開關(guān)電源芯片，對電力負荷數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，這是由于該開關(guān)電源芯片具有安全可靠、體積小、效率高等特點。主控模塊作為本系統(tǒng)的核心模塊，在實際的開發(fā)中，要優(yōu)先選用STM32F1.03微處理器，對數(shù)據(jù)采集模塊所發(fā)送的電力負荷數(shù)據(jù)進行處理。為了確保用戶能夠?qū)﹄娏ω摵蓴?shù)據(jù)進行遠程化、在線化實時監(jiān)測[3]，本系統(tǒng)在具體的設(shè)計中，要利用通信模塊，向OneNET云平臺安全、可靠地傳輸電力負荷數(shù)據(jù)。EA46B634-0AF5-4DF6-A7B4-3F876C0CC4E3

3.2系統(tǒng)運行流程分析

本系統(tǒng)的運行流程為：通過將本系統(tǒng)安裝和固定于電力供給入口端，此時，電源模塊會向其他各個模塊提供相應的工作電壓，此時，系統(tǒng)會利用數(shù)據(jù)采集模塊，將電壓、電流、功率等電力負荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應的電信號，并將其傳輸?shù)紿LW8112電能計量芯片，由該芯片將這些電信號轉(zhuǎn)換為電壓有效值、電流有效值，并存儲于指定的寄存器內(nèi)，在此基礎(chǔ)上，主控模塊會自動完成對電力負荷數(shù)據(jù)的精確計算，并將最終的計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應的電力負荷特性值。最后，通信模塊將這些電力負荷特性值安全、可靠地傳輸和存儲于OneNET云平臺[4];此時，用戶通過借助移動端或者PC端，就可以實現(xiàn)對OneNET云平臺的登錄和訪問，為保證電力負荷數(shù)據(jù)監(jiān)測的實時性、有效性和針對性打下堅實的基礎(chǔ)。

4系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

在智能電網(wǎng)背景下，為更好地提高非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)的運行性能，實現(xiàn)對用電負荷自動化、遠程化、精確化監(jiān)測，滿足用戶的多樣化使用需求[5]，現(xiàn)將本系統(tǒng)劃分為3大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、通信模塊。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計示意圖如圖3所示。

4.1數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊主要由2大核心部分組成：一個是HLW8112電能計量芯片;另一個是采樣電阻。其中，HLW8112電能計量芯片具有精度高、安全可靠等特點，其內(nèi)部安裝了電源和晶振，在科學設(shè)計外圍電力的基礎(chǔ)上，通過規(guī)范地編寫軟件代碼，就可以保證數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)效果;同時，通過借助主控模塊[6]，可以實現(xiàn)對各個芯片寄存器內(nèi)電力負荷數(shù)據(jù)的精確讀取和整理。當這些數(shù)據(jù)比值達到1 000∶1，且電流有效值和電壓有效值之間的測量誤差小于1%時，可以保證數(shù)據(jù)采集結(jié)果的精確性和真實性。另外，在設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊期間，技術(shù)人員要優(yōu)先選用以下2種電阻：一種是1 mΩ的銅錳電阻;另一種是200 kΩ合金電阻，這2種電阻均具有成本低、操作簡單、精確度高等特點，通過將其設(shè)置為采樣電阻，可以實現(xiàn)對電壓、電流的實時監(jiān)測和整理，并將其轉(zhuǎn)化為相應的電信號[7]，還要借助HLW8112電能計量芯片，采用數(shù)字量的方式，將這些電信號安全、可靠地傳輸于芯片寄存器中。為了保證電力負荷數(shù)據(jù)采集的全面性和高效性，技術(shù)人員要將多個貼片合金電阻進行有效地連接，使其結(jié)合為統(tǒng)一的整體;同時，還要采用串聯(lián)電阻的方式，盡可能解決單個電阻耐壓水平低以及電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定問題。在此基礎(chǔ)上，還要借助HLW8112電能計量芯片，采用SPI通信方式，為本系統(tǒng)設(shè)計提供強大的硬件支持，以保證電力負荷數(shù)據(jù)輸出的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。此外，數(shù)據(jù)采集模塊主要適用于強電工作環(huán)境狀態(tài)，為了確保該模塊的可靠性和安全性，技術(shù)人員要借助光耦隔離芯片，將數(shù)據(jù)采集模塊與主模塊進行有效地隔離，通常，還要將HLW8112電能計量芯片的輸出頻率設(shè)置為7 012 Hz，該環(huán)節(jié)中所用到的高速光耦主要包含以下2種：一種是型號為EL357NB高速光耦;另一種是型號為PS8101高速光耦，通過利用2種高速電偶，可以提高SIP通信性能。只有這樣，才能保證數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)效果，為用戶帶來良好的使用體驗。

4.2主控模塊設(shè)計

主控模塊在具體的設(shè)計中，主要采用SPI通訊方式，對HLW8112電能計量芯片寄存器內(nèi)的電力負荷相關(guān)數(shù)據(jù)進行獲取和整理;同時，還要對各個功能模塊進行初始化處理。當HLW8112電能計量芯片的11號引腳置于低狀態(tài)時，該芯片自動選用工作模式;當HLW8112電能計量芯片的12號引腳置于低狀態(tài)時[8]，該芯片自動選用SPI通信模式。另外，當時鐘信號呈現(xiàn)出不斷上升的狀態(tài)時，需要將芯片寄存器的數(shù)值設(shè)置為“0”，主控模塊會自動將0XE5相關(guān)指令傳輸并存儲于芯片寄存器內(nèi)，便于其他人員的查看和調(diào)用。在此基礎(chǔ)上，還要根據(jù)相關(guān)指令，對寄存器進行開啟和關(guān)閉控制，以實現(xiàn)對該寄存器運行狀態(tài)的遠程化、自動化控制。另外，當時鐘信號呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢時，主模塊需要借助HLW8112電能計量芯片，根據(jù)所設(shè)置的寄存器存儲地址[9]，精確地讀取和整理電力負荷數(shù)據(jù)。對于主控模塊而言，當向數(shù)據(jù)餐廚模塊傳輸相應的讀寫指令時，要根據(jù)HLW8112電能計量芯片所對應的寄存器的第8位值，對指令類型進行科學判斷和分析;如果第8位值為0，說明命令類型為讀命令;如果第8位值為1，說明命令類型為寫命令。

4.3通信模塊設(shè)計

通信模塊在具體的設(shè)計中，主要選用了型號為ESP8266芯片，該芯片具有組網(wǎng)快捷、傳輸效率高、安全可靠等特點，為了確保本系統(tǒng)能夠安全、可靠地向云平臺內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，技術(shù)人員要選用透明傳輸模式，實現(xiàn)對電力負荷數(shù)據(jù)的安全化、高效化傳輸。此外，為了提高通信模塊的實現(xiàn)效果，技術(shù)人員要借助OneNET平臺，采用遠距離通信方式，借助路由器，將各個網(wǎng)絡(luò)終端進行有效地連接，以保證通信模塊延伸距離。在傳統(tǒng)配網(wǎng)模式下，通信模塊需要借助新路由器，才能實現(xiàn)對路由賬號和密碼的有效修改和管理。但這種配網(wǎng)方式嚴重影響了本系統(tǒng)在實際工程中的應用效果，為了避免以上問題的發(fā)生，技術(shù)人員要采用網(wǎng)頁配網(wǎng)方式，將用戶的賬號和密碼安全、可靠地傳輸和存儲于EEPROM寄存器內(nèi)，確保各個新路由之間能夠建立起動態(tài)化連接，當用戶名和密碼驗證通過后，通信模塊會自動實現(xiàn)對AT相關(guān)信息的科學配置。

5系統(tǒng)測試

為了更好地驗證非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和有效性，現(xiàn)將本系統(tǒng)應用于某電力企業(yè)中，并從系統(tǒng)性能測試、云平臺在線監(jiān)測測試2個環(huán)節(jié)出發(fā)，對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)效果進行檢驗。

5.1系統(tǒng)性能測試

本系統(tǒng)內(nèi)部裝置共有2個電源端子。其中，一個電源端子用于對220 V市電的連接，以實現(xiàn)對電力供給情況的科學模擬;另一個電源端子主要用于對插座的連接，以實現(xiàn)對電力負荷應用效果的有效模擬。現(xiàn)將LED燈、電風扇、液晶顯示器設(shè)置為本次試驗對象，這些設(shè)備的功率分別為7、32、23 W;然后，分別設(shè)置和開啟3種不同類型的電力負荷，此外，電力負荷不同，所對應的瞬時電流有效值也存在一定的差異。因此，要根據(jù)電力負荷取值情況，精確地測量出與之相對應的瞬時電流有效值。在此基礎(chǔ)上，還要將測量結(jié)果的精確度作為衡量系統(tǒng)性能的重要指標，只有這樣，才能保證多負荷投切處理效率和效果。此外，在對系統(tǒng)測量精度進行測試期間，技術(shù)人員要將型號為VIC-TORVC890D的萬用表作為對比對象，與其測量數(shù)據(jù)精確性進行全面分析和對比，該萬用表所對應的分辨率是量程的1/2 000;然后，利用本系統(tǒng)和萬用表精確地測量3種不同類型電力負荷所對應的工作電流，將測量次數(shù)分別設(shè)置為1、50和100次，并測量出相應的電流平均值。最后，根據(jù)兩者之間的相對誤差，精確地測量出本系統(tǒng)的測量精確度。本系統(tǒng)與萬用表測量結(jié)果進行對比，具體結(jié)果如表1所示。EA46B634-0AF5-4DF6-A7B4-3F876C0CC4E3

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)經(jīng)過多次測量后，與萬用表平均電流值相比，兩者之間的相對誤差低于1%，這說明本系統(tǒng)的測量精度較高，達到了99%。由此可見，通過利用本系統(tǒng)可以最大限度地提高電力負荷測量數(shù)據(jù)的精確度。另外，在對其他性能指標進行測試期間，需要將LED燈、電風扇、液晶顯示器全部設(shè)置為開啟狀態(tài)，然后，對這些設(shè)備的瞬時電流有效值進行采集。在此基礎(chǔ)上，針對電流波形的變化趨勢，對本系統(tǒng)性能進行測試，判斷其是否出現(xiàn)多負荷投切現(xiàn)象。3種電力負荷電流波形數(shù)據(jù)變化圖如圖4所示。

從圖4可以看出，本系統(tǒng)在對電力負荷進行監(jiān)測期間，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要包含以下2種：一種是暫態(tài)過程數(shù)據(jù);另一種是穩(wěn)態(tài)過程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均詳細地描述了系統(tǒng)自身所展現(xiàn)的電氣特性，為實現(xiàn)電力負荷的非侵入式識別提供重要的依據(jù)和參考。

5.2云平臺在線監(jiān)測測試

OneNET作為我國重要的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，主要是由國內(nèi)移動公司開發(fā)的，通過利用該平臺，不僅可以實現(xiàn)對各個負荷監(jiān)測系統(tǒng)的有效連接，還能保證監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)部署效率和效果，為更好地驗證本系統(tǒng)的在線監(jiān)測性能打下堅實的基礎(chǔ)。電力負荷數(shù)據(jù)監(jiān)測界面，具體如圖5所示。

從圖5可以看出，位于左邊的折現(xiàn)圖將電力負荷所對應的歷史負荷信息真實有效地呈現(xiàn)在用戶面前，位于右側(cè)的儀表盤主要向用戶真實、形象地展示電力負荷所對應的實時信息。用戶通過借助瀏覽器客戶終端，登錄云平臺后，系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)到監(jiān)測界面上;然后，將電力負荷相關(guān)電壓、電阻、電流以及功率等相關(guān)信息形象、直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，便于用戶通過分析和對比這些數(shù)據(jù)后，可以全面地了解和把握電力負荷歷史工況信息。

6結(jié)語

綜上所述，本文所設(shè)計的非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)，具有精確度高、維護簡單、抗磁場干擾性能強等特點，主要用于對單負荷工況或者多負荷工況的監(jiān)測，檢測精度較高，高達99%以上。通過利用本系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對負荷電壓值、電流值以及功率值的精確獲取，還可以全面獲取和把握電壓峰值、波形圖等相關(guān)電力參數(shù);另外，本系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)期間，主要采用了2種通信方式：一種是串口通信方式;另一種是WiFi通信方式，可以實現(xiàn)對負荷電力參數(shù)的精確采集和打印，便于用戶通過登錄和訪問OneNET云平臺，對用電負荷進行遠程化、在線化監(jiān)測和控制，為提高智能電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度水平提供重要的平臺支持。由此可見，非侵入式負荷監(jiān)測系統(tǒng)具有非常高的應用價值和應用前景，值得被進一步推廣和應用。

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