用電態(tài)勢感知系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要：針對現(xiàn)有用電態(tài)勢感知數(shù)據(jù)采集頻次低、采集信息少等問題，設計了基于多區(qū)域多點的用電態(tài)勢感知系統(tǒng)。首先，終端設備采集用電態(tài)勢數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時上傳到各點本地數(shù)據(jù)庫。此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用分布式思想，保證各點在數(shù)據(jù)采集和存儲過程中互不干擾，具有良好的可伸縮性。其次，基于B/S架構設計并實現(xiàn)了用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)，保證了各點集中管理，可隨時隨地監(jiān)測用電態(tài)勢和設備遠程控制。該系統(tǒng)既可以實現(xiàn)多區(qū)域多點用電態(tài)勢數(shù)據(jù)的分布式實時采集和存儲，也可以通過Web應用實時監(jiān)測各區(qū)域各點的用電態(tài)勢數(shù)據(jù)變化及各點設備遠程控制，且已部署在某實驗室。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有較好的可擴展性和可移植性，在用電態(tài)勢感知領域具有多方面的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：用電態(tài)勢感知；用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集；B/S架構；數(shù)據(jù)可視化；分布式；實時監(jiān)測

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-00-04

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展，以及電器和自動化服務的應用，電力成為我國基礎能源中的重要組成部分[1]，人們對電能的需求在過去10年穩(wěn)步增長。在電力需求側建立完善的智能用電體系，有助于促進優(yōu)化能源管理和提高用電安全性[2-5]，同時有利于發(fā)現(xiàn)潛在的節(jié)能空間和機會[6]，促進雙碳目標的實現(xiàn)。

在用電態(tài)勢感知方面，研究人員提出了一些用電數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(tǒng)方案。文獻[7]基于無線傳感網(wǎng)設計了機械式電能表用電數(shù)據(jù)自動采集方法，以提高用電數(shù)據(jù)采集的工作效率。文獻[8]設計了一種面向設備用電管理的智能插座系統(tǒng)，實現(xiàn)了用電設備的遠程供電開關，并對設備用電數(shù)據(jù)進行采集，通過對數(shù)據(jù)的分析，獲取設備的運行監(jiān)測曲線和能耗統(tǒng)計曲線，為管理人員在安全用電管理方面提供參考。文獻[9]針對用戶不能及時獲得用電數(shù)據(jù)，導致無法立即處理異常用電行為的問題，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)，能夠采集電流、電壓和功率電氣量的實時異常用電行為監(jiān)測系統(tǒng)。文獻[10]針對國家電網(wǎng)用戶側多能源數(shù)據(jù)采集需求，提出了一種用戶側多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案，將水、氣、熱表數(shù)據(jù)引入用電信息，實現(xiàn)了用戶側多能源數(shù)據(jù)的有效獲取。文

獻[11]概述了傳感系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)在有效監(jiān)測電網(wǎng)節(jié)點之間能量流動方面的潛力，詳細介紹了智能電表的設計和開發(fā)，旨在支持智能電網(wǎng)以高效的方式監(jiān)測不同節(jié)點之間的電量。文獻[12]探討了基于智能家居系統(tǒng)的家庭用電監(jiān)測系統(tǒng)方案的設計，針對單一電器和電表數(shù)據(jù)，設計了能耗監(jiān)測模塊，支持獨立數(shù)據(jù)的采集和負荷分解算法，為全屋家電能耗監(jiān)測管理提供精細化數(shù)據(jù)支持。上述研究完成了某些場景下用電數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，但仍存在一些問題，如只采集用電過程數(shù)據(jù)且采集頻率低[9]、未考慮多區(qū)域多點的實時用電數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測[8]等。為了解決上述問題，本文設計了一種基于多區(qū)域多點的用電態(tài)勢感知系統(tǒng)。

1 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)總體設計

1.1 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)需求分析

本文以某實驗室用電態(tài)勢感知系統(tǒng)為研究對象。系統(tǒng)由建筑內多個處理單元（Building Processing Unit，"BPU）[13]組成。系統(tǒng)依托智能化邊緣設備和通信技術，對各BPU進行分布式實時信息采集，并將數(shù)據(jù)上傳到BPU本地數(shù)據(jù)庫進行分布式存儲。用電態(tài)勢感知應用系統(tǒng)能夠對建筑內BPU的用電態(tài)勢數(shù)據(jù)進行可視化處理，以及對BPU節(jié)點設備進行遠程控制，從而實現(xiàn)用電態(tài)勢感知單元的集中實時監(jiān)控和遠程管理。

BPU由斷路器、邊緣設備、本地數(shù)據(jù)庫組成。其中，斷路器為用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集設備。以局域網(wǎng)為基礎，所有BPU互聯(lián)互通。使用樹莓派作為邊緣設備，將本地數(shù)據(jù)庫部署在樹莓派上，斷路器與樹莓派進行串口通信。建筑內BPU基礎結構如圖1所示。

1.2 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)框架設計

基于用電態(tài)勢感知系統(tǒng)的需求分析，系統(tǒng)架構分為信息感知層、數(shù)據(jù)層和應用層，分別用來進行信息感知、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)可視化及遠程控制。具體來說，信息感知層由多個建筑環(huán)境的BPU組成。每個BPU負責實時采集用電態(tài)勢數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、電壓、電流等用電過程數(shù)據(jù)，斷路器開關分合閘狀態(tài)等用電行為數(shù)據(jù)，漏電電流等用電安全數(shù)據(jù)。同時，每個BPU將采集的信息保存到本地數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式存儲，提高了BPU的可擴展性和容錯性。數(shù)據(jù)層包括各公共數(shù)據(jù)庫和BPU本地數(shù)據(jù)庫。公共數(shù)據(jù)庫存儲應用平臺的基本配置信息，包括應用平臺用戶信息、項目信息（如建筑空間）、設備信息（如建筑空間內的BPU）及其關聯(lián)信息。應用層采用B/S架構，通過HTTP協(xié)議實現(xiàn)前后端的數(shù)據(jù)交互，以及用電態(tài)勢可視化和節(jié)點遠程控制。用戶在B/S模式下通過Web網(wǎng)頁登錄到應用平臺。本文設計的用電態(tài)勢感知系統(tǒng)架構如圖2所示。

2 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)用電態(tài)勢感知系統(tǒng)架構，本文采用分布式采集與集中管理模式，對BPU進行實時監(jiān)測和管理。用電態(tài)勢感知系統(tǒng)由用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)組成。其中，用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布在各BPU中，將采集的用電態(tài)勢數(shù)據(jù)實時存儲到BPU本地數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的分布式采集與存儲；用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)負責各BPU的集中管理和數(shù)據(jù)可視化。

2.1 用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了分析不同建筑空間單元、不同位置的用電態(tài)勢，用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集和存儲方案，有效地提高了數(shù)據(jù)采集的效率和處理能力。數(shù)據(jù)采集流程如下：

（1）用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過串口方式連接BPU中的斷路器設備，串口連接成功后向斷路器發(fā)送請求數(shù)據(jù)指令；

（2）斷路器返回數(shù)據(jù)包；

（3）數(shù)據(jù)包經(jīng)系統(tǒng)解析處理后上傳到BPU本地數(shù)據(jù)庫。

用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊如圖3所示。

2.2 用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)

用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)采用B/S架構，實現(xiàn)用戶登錄注冊、修改個人信息、用電數(shù)據(jù)可視化、用電事件通知等功能。用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)功能結構如圖4所示。

用戶在瀏覽器中輸入網(wǎng)址跳轉到登錄界面，如果尚未注冊，可以通過登錄界面提供的“注冊”鏈接跳轉到注冊界面完成注冊，在注冊過程中，用戶需要提供用戶名、密碼、郵箱等信息。點擊“立即注冊”按鈕后，系統(tǒng)對注冊信息進行格式校驗。待校驗通過，便完成了用戶注冊，直接跳轉到用戶登錄界面；否則，系統(tǒng)在當前注冊界面提示“錯誤信息”。用戶通過用戶名和密碼登錄，當用戶名和密碼校驗錯誤時，當前登錄界面提示“錯誤信息”；否則，直接跳轉到系統(tǒng)首頁。用戶通過左側導航欄進行界面切換。左側導航欄展示首頁和當前用戶負責的所有項目及管理的設備。用戶可以通過界面提供的導航欄收縮功能，隱藏導航欄。系統(tǒng)首頁顯示當前用戶負責的項目總數(shù)、管理的設備總數(shù)、在用設備數(shù)量、當前累積用電量、當前漏電設備數(shù)量等信息。同時，首頁能夠向用戶提供用電事件的通知。當用戶選擇某個項目下某個設備進入項目設備用電數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，界面默認展示最近1 h

的電流、板載溫度、電壓、累積電量變化曲線并設置每分鐘刷新1次。用戶也可以通過查詢功能，查詢當前節(jié)點的電流、電壓、電量、板載溫度、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率等在某時間段內的變化曲線。同時，用戶通過“一鍵合閘”按鈕和“一鍵分閘”按鈕遠程控制BPU設備開關。除此之外，此應用系統(tǒng)還提供個人信息修改和幫助等功能。用戶可以修改登錄密碼和郵箱，對系統(tǒng)存在的任何問題可以通過“幫助”鏈接及時聯(lián)系系統(tǒng)的技術管理員。

3 系統(tǒng)運行效果

3.1 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)運行情況

用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于Java語言開發(fā)，使用集成開發(fā)環(huán)境進行打包，生成Jar包作為應用程序的部署文件。在應用程序部署時，用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過scp命令將Jar包上傳到各BPU節(jié)點，然后通過遠程管理工具（如MobaXterm）連接到BPU，進行Jar包的運行和部署。應用程序每秒鐘采集1次用電態(tài)勢數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹PU本地數(shù)據(jù)庫。

用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)基于B/S架構開發(fā)，在Linux服務器上搭建系統(tǒng)并已在某實驗室穩(wěn)定運行。Web終端使用瀏覽器訪問。用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)運行部署環(huán)境見表1。

3.2 用電態(tài)勢感知Web應用界面展示

用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)采用B/S架構，基于MVC（Model View Control）設計思想，通過Bootstrap、JQuery、HTML5、JavaScript、CSS進行頁面布局，使用ECharts插件完成用電態(tài)勢數(shù)據(jù)可視化。其中，Web前端使用JSP技術實現(xiàn)，利用Ajax異步通信技術與服務器通信，發(fā)送數(shù)據(jù)請求；后端采用Java語言實現(xiàn)，使用Servlet技術接收和請求客戶端用戶的響應，使得JSP頁面能夠動態(tài)獲取數(shù)據(jù)。用電態(tài)勢感知Web系統(tǒng)實現(xiàn)了用電態(tài)勢數(shù)據(jù)實時可視化、BPU節(jié)點監(jiān)控、統(tǒng)計信息展示等功能。此外，該系統(tǒng)應用部署簡單，具有很強的擴展性，能輕松實現(xiàn)多區(qū)域多節(jié)點的實時監(jiān)控。

圖5為用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)登錄界面。用戶可以通過用戶名和密碼登錄系統(tǒng)。圖6為用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)注冊界面。圖7為用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)主界面，展示當前用戶所管理項目的部分統(tǒng)計信息，如項目總數(shù)、設備總數(shù)、當前累積用電量，還包括消息通知。此處用電事件分析系統(tǒng)暫未接入系統(tǒng)，因此暫無實際消息。

圖8為項目設備用電數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。用電態(tài)勢感知Web系統(tǒng)在運行過程中每分鐘刷新1次最近1 h的用電數(shù)據(jù)，使用戶能快速直觀地了解當前設備節(jié)點用電數(shù)據(jù)的變化趨勢。同時，該系統(tǒng)還提供查詢功能。用戶可以查詢某數(shù)據(jù)在某段時間內的變化情況。

4 結 語

本文基于多區(qū)域多點BPU設計了一種用電態(tài)勢感知系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體設計、系統(tǒng)軟件設計和系統(tǒng)運行等方面對該系統(tǒng)進行了全方位的介紹。用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了分布式數(shù)據(jù)采集和存儲，降低了對建筑信息處理單元的計算能力和數(shù)據(jù)存儲能力的要求。同時，這種分布式的設計使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較強的可擴展性和靈活性。用電態(tài)勢感知Web應用系統(tǒng)實現(xiàn)了多區(qū)域多節(jié)點的集中監(jiān)控，使用戶可以實時查看用電態(tài)勢數(shù)據(jù)的變化趨勢。實驗結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單，可擴展性和可移植性強，在用電態(tài)勢感知領域具有多方面的現(xiàn)實意義。在此系統(tǒng)基礎上，未來將進一步分析用戶用電行為活動，檢測其異常行為，從而優(yōu)化能源管理和提高用電安全性，為智能建筑管理提供支持。

注：本文通訊作者為張振亞。

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