基于用電波形分析的能源監控管理系統及方法

李 強，侍必勝， 武 中， 徐紅濤，呂智靈

（1.國網山西省電力公司經濟技術研究院 山西 太原 030012；2.國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 211106）

隨著居民生活水平的提高以及新型電器設備的不斷出現，越來越多的電器進入居民家庭，隨之而來的是用電負荷快速增長，電能消耗越來越多很多設備存在待機耗能問題，設備的能效提高以及不同設備之間的匹配需要科學的管理，用戶端的能源管理因此受到了越來越多的關注。

家庭用電信息主要還是以電費賬單的形式反饋給用戶，電費賬單只告知用戶家庭的總用電量而不能顯示詳細的能耗構成[1]。目前，智能家居電量采集包括兩種方式：一是對于智能網絡家電，能將自身運行狀態和用電量以數字化形式獲取；二是對于普通家用電器，每臺家電通過配置一個智能插座接入電源，利用對應的智能插座采集每臺家電的用電量及工作狀態[2]。

雖然各用電設備生產廠家都在積極研發新型智能產品，但階段成果比較有限且智能網絡家電價錢較高，因此普及率不高；各家庭都還使用傳統的用電設備，隨著智能家居的發展，用戶希望在擁有傳統用電設備基礎上體驗智能家居生活，所以對傳統的家庭進行能效管理具有一定的難度，智能插座等產品的開發只是能效管理的初級階段，還不能算是真正的智能，只是一種智能化產品，還需要人工進行參與和管理[3-4]。

現有技術的家庭智能用電監控系統，一般使用電壓互感器、電流互感器實現監測家用電氣裝置的電壓和電流，對監測到的電壓和電流的數據進行處理后通過開關模塊命令家用電氣裝置的功耗和開關裝置，需要在每臺電器上安裝智能插座，實施方案復雜，成本高[5-6]。例如文獻[7]了一種家庭智能用電監控系統，通過過個分布式測控裝置，監測電氣裝置的電流和電壓數據，通過開關模塊控制電氣的功耗和開關裝置。文獻[8]提供一種家庭智能監控系統，通過安防智能監控模塊、家電設備智能體監控模塊和能源智能體監控模塊，實現門禁、家電和水氣能源安全，其中，家電設備智能體監控模塊包括第二用戶智能體以及第二環境智能體，第二環境智能體用于采集家電設備的開關信息并發送給管理智能體模塊，管理智能體模塊通過訪問第二用戶智能體模塊以判斷用戶位置并根據用戶位置控制家電設備關閉，該專利仍舊通過安裝智能插座，方案復雜，成本高。上述的家庭智能用電監控系統，均未涉及到電力公司層面對整個家庭電網的監測，當涉及到的家庭很多的時候，上述系統對數據的處理、存儲、分析都是通過多個監控模塊對不同的節點進行監測，數據處理傳輸都存在很大的局限性。

文獻[9]設計了一種遠程家電用電情況管理系統，包括客戶端、服務器端和家電終端電能監控設備，客戶端負責用戶注冊、顯示家電用電統計分析結果、發送家電開關機命令，能夠使用戶將自己的家電用電情況與自己同在一個地區的其余用戶的用電情況進行分析比較，進而提醒用戶提高節電的意識。但該專利中并沒有對具體家用電氣進行用電分析，也沒有涉及到電力公司對能源信息的管理，使用局限性較大。

1 系統設計思路及架構

鑒于現有技術不能解決對家庭內電器設備用電信息集中采集和家庭能效管理的問題，本文設計的能源監控管理系統包括電力信息采集終端、智慧能源管理應用平臺服務器和控制終端，用于家庭能源管理，隨時掌握電器用電狀態及能耗記錄，通過該系統能判斷家庭內用電設備種類并獲取下屬設備用電量，形成能效分析數據庫并實現能效分析。其中電力信息采集終端與家庭電力總進線連接，設計思路如圖1所示。

圖1 系統設計思路Fig.1 System design concept

智慧能源管理應用平臺服務器與電力信息采集終端、控制終端相連接，電力信息采集終端與家庭電力總進線連接；電力信息采集終端采集電器設備用電波形，將用電波形發送給智慧能源管理應用平臺服務器；智慧能源管理應用平臺服務器分辨電器設備種類、品牌與型號，計算下屬設備用電量，對家庭用電進行能效分析，并支持控制終端進行信息查詢和控制操作；控制終端用于為用戶提供用戶信息交互。下屬設備指電力信息采集終端采集到的電器設備。系統設計架構如圖2所示。

2 電力信息采集終端

電力信息采集終端包括電器設備用電波形采集模塊和通信模塊；電器設備用電波形采集模塊用于采集用電設備的電壓電流用電波形，并通過通信模塊將用電波形發送給智慧能源管理應用平臺服務器。

圖2 系統設計架構Fig.2 System design framework

圖3 電力信息采集終端框圖Fig.3 Electricity information collection terminal block diagram

3 智慧能源管理應用平臺

智慧能源管理應用平臺服務器包括電器設備波形分析模塊、專家知識庫、電量計算模塊、數據庫模塊、家庭能效分析模塊、判定決策模塊和信息發布模塊；電器設備波形分析模塊、專家知識庫、電量計算模塊、數據庫模塊、家庭能效分析模塊、判定決策模塊和信息發布模塊依次順序連接；電器設備波形分析模塊通過接收電力信息采集終端發送的用電設備的用電波形，通過用電波形與專家知識庫對比分辨電器種類、品牌與型號；電量計算模塊獲取下屬設備用電量，存儲于數據庫模塊；家庭能效分析模塊對數據庫中電能數據進行分析；信息發布模塊用于發布家庭電器設備運行和能效管理的相關信息。智慧能源管理應用平臺服務器集成了專家知識庫、電量計算、家庭能效分析和判定決策，能夠實時更新家庭電器設備的耗能狀態，為家庭能源監控管理提供數據，采用用電波形對比專家知識庫，識別用電器準確快捷，數據分析準確。

圖4 智慧能源管理應用平臺服務器的結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of smart energy management application platform server

3.1 專家知識庫判定決策

專家知識庫建立包括以下步驟，家庭電器設備初次使用時，電力信息采集終端采集家庭各類電器設備的用電波形，并將電器種類信息及其對應的用電波形存儲到數據庫模塊，數據庫模塊中存儲的電器種類信息及其對應的用電波形形成家庭電器辨識專家知識庫；當電器再次開啟工作時，電力信息采集終端采集電器用電波形，與專家知識庫中的用電波形進行比對，辨識確定電器的類型。各類電器的工作功率大小不同，用電波形不同；電腦工作時，用電設備包括主機和顯示屏，主機又包括風扇和主板等，因此用電波形與其他電器不同。

3.2 家庭能效分析

家庭能效分析模塊包括數據層和服務支撐層，數據層用于數據存儲和數據處理，服務支撐層用于能效數據分析；數據層的數據處理包括數據加工、數據統計、數據轉換和數據清洗。服務支撐層的能效分析包括家庭總用電量、每個電器用電量、每類電器用電量、家庭內各個房間電器的總用電量和其它電器用電量分析；家庭能效分析模塊將家庭能效按照日周期和月周期分析，并形成日能效圖和月能效圖，日能效圖顯示每天用電最高峰時段及在該時段所運行的電器，月能效圖根據階梯電價顯示超限提醒的出現時段及限位值；通過日能效圖和月能效圖可以查詢智能家居的用能比例、用能同比、分時用能、階梯用能和用能評測，主要包括當月各電器（按種類）用電的總量與占比、各房間用電的總量與占比，近幾年每個月總用電量同比，本月與上一個月，主要電器（按種類）的用電總量比較，本月的峰谷總用電量和占比。

4 控制步驟及方法

4.1 判定決策

智慧能源管理應用平臺服務器根據居民用戶的用電行為和用電習慣，結合分時、峰谷用能政策以及用能設備屬性等信息進行關聯挖掘，對用戶用能情況進行分析，抽取出集中能耗、分類能耗、分時能耗、峰谷能耗數據，建立用能分析模型；

通過分析居民用能的歷史信息并結合影響居民用能的影響因子進行關聯挖掘，建立用能預測模型，為居民制定用能計劃提供數據支撐；通過分析歷史用能信息，并結合用戶用能習慣、用能設備屬性、環境信息進行數據挖掘，建立用戶用能優化模型和用能優化策略，對用戶優化用能進行指導；通過分析用能設備的用能信息并結合用能設備的屬性信息進行關聯挖掘，提前對用能預警，為居民家庭用能提供安全保障。

控制終端包括手機、PAD、PC等終端，實現用戶對歷史用電信息、用電排名、電價政策和需求響應、能效分析等信息的查詢，提供個性化的能效監測、分析和診斷等服務，具備調峰潛力的用戶可實現自動需求側響應，參與電網調峰。

另外，智慧能源管理應用平臺服務器通過光纖復合低壓電纜（OPLC）與電力公司連接，上傳家庭電器設備的用電信息，支撐供電公司掌握末端細分用能數據，開展用戶側研究，探索電力大數據價值。智慧能源管理應用平臺服務器和控制終端之間通過網絡連接。

4.2 能源監控管理方法

能源監控管理包括能耗采集和能效分析兩部分，在采集家庭各用電設備用電量和用電時間的基礎上實現對家庭能耗的高級分析，具體實現方法及步驟如圖3所示。

1）能耗信息采集

圖5 能源監控管理系統工作流程圖Fig.5 Energy management systems flowchart

電力信息采集終端連接智慧能源管理應用平臺服務器，電力信息采集終端采集家庭各類電器設備的用電波形，并將電器種類信息及其對應的用電波形存儲到數據庫模塊，形成家庭電器辨識專家知識庫。

電器設備波形分析模塊將電力信息采集終端發送的用電設備的用電波形與專家知識庫進行電壓、電流比對，分辨用電設備類型；電量計算模塊計算各用電設備的工作時段用電量，并存儲數據庫模塊。

2）能效分析

家庭能效分析模塊分析家庭總用電量、每個電器用電量、每類電器用電量、家庭內各個房間電器的總用電量和其它電器用電量，并將家庭能效按照日周期和月周期分析，并形成日能效圖和月能效圖，日能效圖顯示每天用電最高峰時段及在該時段所運行的電器，月能效圖根據階梯電價顯示超限提醒的出現時段及限位值。

智慧能源管理應用平臺服務器根據居民用戶的用電行為和用電習慣，結合分時、峰谷用能政策以及用能設備屬性等信息進行關聯挖掘，對用戶用能情況進行分析，抽取出集中能耗、分類能耗、分時能耗、峰谷能耗數據，建立用能分析模型。

通過分析居民用能的歷史信息并結合影響居民用能的影響因子進行關聯挖掘，建立用能預測模型，為居民制定用能計劃提供數據支撐；通過分析歷史用能信息，并結合用戶用能習慣、用能設備屬性、環境信息進行數據挖掘，建立用戶用能優化模型和用能優化策略，對用戶優化用能進行指導；通過分析用能設備的用能信息并結合用能設備的屬性信息進行關聯挖掘，提前對用能預警，為居民家庭用能提供安全保障。

信息發布模塊發布家庭電器設備運行和能效管理的相關信息，并通過控制終端為用戶提供用戶信息交互。

5 結束語

文中以智能電網支撐智慧城市建設下用戶側智能用電為背景，基于用電波形分析的能源監控管理系統的設計，利用電力信息采集終端判斷電器設備種類和獲取用電量，在用電信息采集基礎上為用戶提供詳細的家庭用能信息，并建立家庭能耗信息數據庫，幫助用戶分析家庭能耗構成，引導用戶自覺采取節能措施。

低碳節能是智能電網建設中的熱點之一，隨著大數據、云計算等技術的不斷發展，本文設計的系統為支撐供電公司掌握末端細分用能數據，開展用戶側研究，探索電力大數據價值提供了重要基礎。

[1]韓躍峻，辛潔晴，高亦凌.基于信息反饋的需求響應[J].電力需求側管理，2012，14（5）：9-14.HAN Yue-jun，XIN Jie-qing，GAO Yi-ling.Demand responses based on information feedback[J].Power Demand Side Management，2012，14（5）：9-14.

[2]劉穩根，繆希仁.智能家居電能計量和控制系統設計[J].現代建筑電氣，2010，12（1）：9-12.LIU Wen-gen，MIAO Xi-ren.Design of smartHome energy measurement and control system[J].Modern Architecture Electric，2010，12（1）：9-12.

[3]薛晨.電網友好型用電設備控制策略研究[D].湖南：湖南大學，2012.

[4]王繼羅.嵌入式智能家居控制系統的設計和實現[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2013.

[5]羅志坤.電能計量在線監測與遠程校準系統的研制[D].湖南：湖南大學，2011.

[6]林弘宇，田世明.智能電網條件下的智能小區關鍵技術[J].電網技術，2011，35（12）:1-7.LIN Hong-yu，TIAN Shi-ming.Research on key technologies for smart residential community[J].Power System Technology，2011，35（12）:1-7.

[7]羅宇浩，凌志敏.家庭智能用電監控系統：中國，101873009[P].2010-10-27.

[8]喻子達，王襲，趙向陽，等.家庭智能監控系統：中國，103226338[P].2013-07-31.

[9]王亮，田恒香.遠程家電用電情況管理系統：中國，103617488[P].2013-11-25.