非侵入式電力大數(shù)據(jù)服務(wù)公共社會安全研究

薛菁 譚澤富 蔡黎 李帥 雷國平 張望 王海

(1.重慶三峽學院 重慶 404100;2.重慶市萬州區(qū)公安局 重慶 404000)

在數(shù)字化產(chǎn)業(yè)時代，任何細微的數(shù)據(jù)都貯藏著無窮的能量。大數(shù)據(jù)憑借其多樣、海量、迅捷的特性擁有廣闊前景。通過大數(shù)據(jù)分析用戶的用電情況探知用戶的活動對于夯實社會安全意義重大。在這方面，需要準確而不引人注目地識別和監(jiān)測電器的使用情況[1]。目前，非侵入負荷監(jiān)測（Non-Intrusive Load Monitoring，NILM）是用于監(jiān)管電量消耗的有效方案。

非侵入式負荷監(jiān)測技術(shù)的早期探索可以溯源至1982 年，該技術(shù)由麻省理工的Hart 教授創(chuàng)造性的提出，其實質(zhì)就是負載辨識[2-4]。即提取監(jiān)測區(qū)域用戶使用負載的詳細電量信息，進而獲取用戶的耗電量情況。

事實上，盡管非侵入式負荷監(jiān)測與分解技術(shù)（Non-Intrusive Load Monitoring and Disaggregation,NILMD）被認為是實現(xiàn)低成本負載監(jiān)測與分解的有效方案。現(xiàn)有的NILMD 系統(tǒng)仍然局限于辨識種類有限的負荷，因此NILMD系統(tǒng)如果能高精度識別市場上種類繁多的負荷，必將為服務(wù)公共社會安全提供有效的技術(shù)支撐。

該文設(shè)計了一種非侵入式電力大數(shù)據(jù)采集終端，擴展了傳統(tǒng)的NILMD 系統(tǒng)[5-6]。從非侵入負荷辨識的技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓撲自動識別和數(shù)據(jù)采集終端等多維視角下研究NILMD系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)時代的應(yīng)用方案。

1 非侵入式電力大數(shù)據(jù)負荷辨識技術(shù)

1.1 大數(shù)據(jù)概述

大數(shù)據(jù)是信息時代的新興產(chǎn)物，它可對海量、分布不勻稱、類型復雜的數(shù)據(jù)進行采集、管理以及多維度的關(guān)聯(lián)分析。將各種警務(wù)數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)平臺上進行集中處理，可從時間和空間維度實時分析監(jiān)測區(qū)域電能情況，及時處理突發(fā)狀況，為服務(wù)公共社會安全提供科學決策依據(jù)。除此之外，大數(shù)據(jù)也已經(jīng)在零售業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、電信、金融、交通等諸多方面展現(xiàn)出優(yōu)勢，帶來了巨大的效益。

1.2 非侵入負荷辨識技術(shù)簡介

非侵入式負荷辨識技術(shù)，是在建筑物電力分布的總進線處配置智能終端，通過總電流、電壓等蘊含的信息獲得用戶的單個設(shè)備能耗情況。相比傳統(tǒng)的侵入式負荷辨識，非侵入式負荷辨識不進入用戶施工，適合規(guī)模化推廣，且對數(shù)據(jù)進行內(nèi)網(wǎng)傳輸，確保信息的安全。非侵入式負荷辨識技術(shù)如圖1所示。

圖1 非侵入式負荷辨識技術(shù)

1.3 電力負荷識別

負載不同，其結(jié)構(gòu)和功能也不相同，因而負載在運轉(zhuǎn)過程中會表現(xiàn)出不同的用電特性。對負載特征量進行提取是電力結(jié)構(gòu)分析的重要一環(huán)。

為了在提升負荷識別準確率的同時確保數(shù)據(jù)采集裝置的安全運行，我們選擇組合運用穩(wěn)態(tài)特征和瞬態(tài)特征中的多個特征量。通過一組穩(wěn)定的連續(xù)樣本（其值在給定的閾值內(nèi)）組成的信號中的兩個穩(wěn)態(tài)信號的差值推導出來穩(wěn)態(tài)特征，結(jié)合電器開關(guān)導致電信號中產(chǎn)生噪聲引起的瞬態(tài)特征進行負荷識別[7-9]。

提取特征量后，依據(jù)特征量對電力負荷進行識別。目前，電力負荷辨識的模型與算法可分成基于組合優(yōu)化的方法和基于模式識別的方法兩大類[10-11]。基于組合優(yōu)化的算法并未在負荷與總線特征之間建立直接聯(lián)系，而是通過反復迭代、檢驗的方式得出最優(yōu)解。但解的個數(shù)會隨著負荷的增多呈指數(shù)式增長，始終無法保證組合優(yōu)化方法的效率。

相對于組合優(yōu)化方法，基于模式識別的方法則可以依據(jù)已存的數(shù)據(jù)類型更換模型中的參數(shù)，繼而分析電信號識別出電器的全部狀態(tài)。在模式識別技術(shù)中，采用半監(jiān)督學習對現(xiàn)有的標記數(shù)據(jù)進行訓練的同時，利用無標記數(shù)據(jù)對模型進行優(yōu)化，降低模型冗余度，實現(xiàn)負荷識別。相比傳統(tǒng)的監(jiān)督學習和非監(jiān)督學習，半監(jiān)督學習不僅避免標記各負荷的運行情況，減少人為采集造成的數(shù)據(jù)誤差，也增強非侵入式采集系統(tǒng)的實用性，提高了系統(tǒng)的監(jiān)測精度。

因此，半監(jiān)督學習方法能夠在用戶設(shè)備冗余度較低的條件下實現(xiàn)高精度的負載識別。這也為非侵入式電力大數(shù)據(jù)終端服務(wù)公共社會安全建立牢靠的支撐。

2 網(wǎng)絡(luò)拓撲的自動識別

網(wǎng)絡(luò)拓撲是電網(wǎng)分析和計算的基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)拓撲的自動識別可以獲知整個網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)和運行情況。將分布式電源接入配電網(wǎng)拓撲，就是為了有效實現(xiàn)對當前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的評估。它可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實時變化而更新拓撲分析，同時增強配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可靠性、運行裕度以及結(jié)構(gòu)魯棒性[12]。

分布式電源饋線自動化將智能配電終端的監(jiān)測設(shè)備看作微型變電站，同時為了實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域負荷的自動辨識和定位，進一步擴展主站以外的網(wǎng)絡(luò)拓撲模型，從而確保分布式饋線自動化裝置與主站設(shè)備的準確關(guān)聯(lián)。且分布式電源使主站不再承擔大量的計算，減輕主站的壓力，采用局部網(wǎng)絡(luò)拓撲分析可實現(xiàn)故障快速處理。局部網(wǎng)絡(luò)拓撲模型使得配電終端之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)配電裝置的即插即用。

網(wǎng)絡(luò)拓撲的自動識別為非侵入式采集系統(tǒng)的拓展奠定夯實的信息化基礎(chǔ)。

3 非侵入式電力大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

非侵入式電力大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主站層、網(wǎng)絡(luò)層、量測層和設(shè)備層四部分組成。量測層部署非侵入負荷辨識終端，辨識結(jié)果通過采用專網(wǎng)接入主站，主站支持透明電、綠色電、互動電、安全電、防竊電、停電責任嚴判、電網(wǎng)狀態(tài)評估、大數(shù)據(jù)融合、國家安全九大功能。非侵入電力大數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 非侵入式電力大數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

非侵入負荷辨識技術(shù)在量測層用戶電力總進線處集成負荷辨識智能電表，此實現(xiàn)負荷辨識。負荷辨識智能電表如圖3所示。

圖3 負荷辨識智能電表

該智能電表采用邊緣計算架構(gòu)，計量芯是智能電表的基礎(chǔ)功能，具備數(shù)據(jù)采集，存儲和傳輸?shù)墓δ埽奢敵?.6 K 采樣值給辨識芯。辨識芯在得到采樣數(shù)據(jù)后，可快速計算、分析用戶負荷的使用情況，實現(xiàn)負荷辨識。辨識結(jié)果由管理芯上傳主站。且管理芯可在不更換電表的情況下，更好地適應(yīng)體制改革，降低運維成本，實現(xiàn)資源合理配置。智能電表三芯獨立運行，提升智能電表的容錯機制，為服務(wù)公共社會安全再添全方位、全過程、全覆蓋的安全防護體系。

4 非侵入式電力大數(shù)據(jù)應(yīng)用實例

非侵入式電力大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究為服務(wù)公共社會安全提供可靠的平臺。

X 縣公安系統(tǒng)通過安裝電力大數(shù)據(jù)分析終端，建立規(guī)模化手機充電和計算機使用數(shù)據(jù)庫，監(jiān)測民房內(nèi)同一時間段同種負載的使用情況，破獲多起租用民房實施電信詐騙案件。同時，該地區(qū)警方也通過該系統(tǒng)建立電解+攪拌+提純設(shè)備大數(shù)據(jù)庫，監(jiān)管大功率負載的使用，一旦發(fā)現(xiàn)可疑設(shè)備的運轉(zhuǎn)，便采取行動，通過此大數(shù)據(jù)庫，破獲12起家庭作坊制毒案件[13]。

X 市通過安裝電力大數(shù)據(jù)分析終端，建立電熱水器使用大數(shù)據(jù)庫，依據(jù)負載的時間特性監(jiān)測家庭熱水器的使用頻率及運作情況，重點清查數(shù)據(jù)異常的住戶，做到精準打擊違法行為，堅決杜絕賣淫嫖娼行為的發(fā)展。

X 市通過安裝電力大數(shù)據(jù)分析終端，建立樓道電動車充電特征大數(shù)據(jù)庫，監(jiān)測負載的運行情況，一旦追蹤到住戶數(shù)據(jù)異常，直接切斷電源，降低安全事故的發(fā)生率[14]。

非侵入式電力大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可協(xié)助警方保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全，筑起社會治安新防線。該系統(tǒng)可有效應(yīng)用于服務(wù)公共社會安全一線，為建設(shè)安定、有序、和諧的社會提供無與倫比的作用。

5 總結(jié)與展望

面對大數(shù)據(jù)時代數(shù)量龐大的管控服務(wù)對象，該文根據(jù)非侵入負荷辨識技術(shù)的原理以及方法提出非侵入式電力大數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計，該采集終端采用分解算法替代傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)低成本的能耗監(jiān)測與管理，經(jīng)測試表明，該采集終端可靠性強，可直觀查看監(jiān)測區(qū)域用戶負荷的細粒度分析，對用戶負荷辨識的精度可達到90%以上。為助力公安系統(tǒng)服務(wù)公共社會安全再添保障。

實際上，非侵入式負荷識別是一項系統(tǒng)的研究，任何一個環(huán)節(jié)的研究進展都可能影響到整個系統(tǒng)的性能。因此，在接下來的工作中，我們將進一步對采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集開發(fā)和多狀態(tài)負荷識別精度的提升展開研究。未來隨著非侵入式電力負荷識別技術(shù)的不斷成熟，非侵入式電力大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也將運用到多個領(lǐng)域，除該文研究的服務(wù)公共社會安全以外，也可應(yīng)用于智能電網(wǎng)需求管理系統(tǒng)和充電樁計量，建成通信網(wǎng)格化，滿足大數(shù)據(jù)運行需求。