基于物聯網技術的電力低壓用戶用電安全監測方法

王 旭，嘎瑪丹増，徐 陽

（國網日喀則供電公司，西藏 日喀則 857000）

0 引 言

低壓配電系統是我國目前大多數國民正在使用的電力系統，其用電質量、用電安全是保障我國用電者生命及財產安全的主要途徑[1-3]。目前，人們日常的用電需求逐漸增加，如果出現了電壓不穩定的情況，將容易造成危險事故的發生[4,5]。因此，實時監測電力低壓用戶用電安全具有重要意義[6]。本文提出利用物聯網技術構建電力低壓用戶用電安全監測方法，以期為電力低壓用戶用電安全監測提供新的思路與參考。

1 物聯網監測架構設計

所設計的應用于電力低壓用戶用電安全監測的物聯網架構主要包括感知采集層、網絡通信層、平臺服務層以及應用控制層，具體如圖1所示。

圖1 物聯網監測架構示意

圖1中，應用控制層主要用于將處理后的數據進行最終存儲，使用的數據庫為MySQL數據庫，該數據庫可以實現客戶端與采集端的交互。

1.1 感知采集層

在感知采集層中，主要利用傳感器模塊進行相關環境數據采集，并利用智能采集終端進行數據的多端口連接采集電力信息。其中傳感器模塊主要采集的環境數據包括環境溫度、環境濕度等，智能采集終端采集電壓、電流、電能質量以及用電故障信息等數據。其中，智能采集終端主要利用STM32微處理器。該微處理器具有多個連接接口，通過連接控制電流互感器以及電壓采集模塊實現電流與電壓信號的采集。傳感器模塊由多個傳感器組成，包括溫度傳感器和濕度傳感器，且對傳感器具有一定的適應性要求。由于目標采集的溫濕度數據為低壓用戶用電數據，所應用地區全年溫度的變化范圍可能較大，因此要求溫度傳感器的母線接頭在正常運行狀態下運行溫度在20～30 ℃。如果在全年溫度變化范圍為-10～30 ℃的地區進行數據采集，則要求傳感器的測量范圍在-20～45 ℃。如果將傳感器安裝在戶外，必須要求所安裝的傳感器可以接受惡劣天氣環境（包括日曬、雨雪、凝冰等）以及溫濕度的變化，要求傳感器自身具有良好的防護能力。

1.2 網絡通信層

在網絡通信層中，主要利用LoRa模塊進行無線通信，這是由于LoRa技術具有可以遠程傳輸數據且能耗較低的優勢，適用于不同區域電力低壓用戶用電數據的遠距離傳輸。同時，LoRa模塊的安裝調試較為便捷，在該模塊內加入應用通信自組網，以實現通信一體化設計。將低壓用戶用電數據以無線通信的方式傳輸到不同自組網內，利用自動選頻段或自動跳頻技術，避免通信傳輸過程受到同頻干擾信號的影響。

1.3 平臺服務層

平臺服務層主要負責接收由網絡通信層傳輸得到的低壓用戶用電數據，并對其整合以及去噪處理，為監測低壓用電用戶的信息提供準確性保障。

1.3.1 用戶用電信息整合

在采集低壓用電用戶的信息中，主要采集多段時間內的不同用戶用電負荷信息數據[7]。其數據集合可表示為

式中：Xi代表第i個用戶整體負荷數據；n代表采集的所有用戶數量。鑒于不同負荷數據統一規劃后為一條負荷數據曲線，因此整合用戶用電信息數據的結果為

式中：zij表示第i個用戶在第j天的用電負荷信息數據[8]。

1.3.2 用戶用電信息去噪處理

在整合用戶用電信息后，由于信息量較大且外界環境過于復雜，導致用電信息在后續進行應用控制過程易受到噪聲干擾[9,10]。本文在物聯網技術下，結合小波變換去噪技術，對整合后的用戶用電信息進行去噪處理。

假設小波變換系數為

式中：λ表示實數閾值；fn表示待測信號；ψ表示小波變換的逼近系數；k表示尺度系數。依據小波變換系數，得到小波變換去噪公式為

式中：h表示小波變換中的高通濾波器；l表示小波變換中的低通濾波器。

2 仿真實驗

為了驗證本文設計的基于物聯網技術的電力低壓用戶用電安全監測方法，將參考文獻[5]和參考文獻[6]中的方法作為對比方法進行仿真測試。仿真環境為Matlab R2019 b，物聯網通信節點個數為2 000個，節點的最大通信半徑設置為40 m，通信覆蓋范圍為500 m2，無線傳輸模塊的通信速率為10 Mb/s，發射端總功率為24 mW。

2.1 監測延時測試結果

測試不同方法監測低壓用戶用電信息的結果如圖2所示。

圖2 監測延時測試結果

由圖2可以看出，隨著監測整體時間的延長，不同監測方法的延時均隨之增加，但本文增長幅度低于文獻中方法，且本文所提方法的監測整體延時明顯低于文獻中方法，其在48 h整體監測時間內的監測延時為0.06 s，而文獻[5]方法和文獻[6]方法的延時分別為0.17s和0.23 s。這主要是因為本文設計的監測方法中，利用LoRa無線通信模塊實現了一體化通信，降低了監測過程的通信時延。

2.2 監測準確率對比結果

以低壓用戶用電負荷信息作為目標監測結果，測試不同方法的監測結果與實際用電統計結果的偏差，從而測試不同方法的準確率，得到具體準確率對比結果如表1所示。

表1 不同方法的監測準確率對比結果

從表1的結果可以看出，所提方法監測準確率明顯高于文獻[5]方法和文獻[6]方法，最高可達到98.75%，且在48 h的監測時間內始終可以保持優良的監測準確率，準確率監測結果的變化幅度較低，表明所提方法較為穩定。

3 結 論

為了改善傳統電力低壓用戶用電安全監測過程中存在的延時較高且監測準確率較低導致的整體監測效果較差的問題，提出了一種基于物聯網技術的電力低壓用戶用電安全監測方法。利用物聯網技術，構建用于監測電力低壓用戶用電信息的多層物聯網結構，通過多層結構設計，實現整體的電力低壓用戶用電安全監測。實驗發現所設計的監測方法具有較低延時，約為0.06 s，且監測準確率較高，最高可達到98.75%，表明所設計方法具有良好的應用效果。