基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統設計

趙志軍，周曉琴，鄧 菲，徐 晨

（1.嘉興恒創電力集團有限公司華創信息科技分公司，浙江嘉興 314000；2.國網浙江嘉興供電公司，浙江嘉興 314000；3.上海應用技術大學電氣與電子工程學院，上海 201418）

近年來，我國大力發展產業園區的建設，產業園區規模越來越龐大。我國的產業園區耗電量是歐美國家的2 倍，一方面，我國的產業園區耗電量巨大；另一方面，我國沒有設計針對于產業園區的電力能耗監測系統，無法為有關機構提供直接的數據作為指導產業園區用電量的基礎與參考[1-3]。

鯨魚算法是一種新的啟發式優化算法，它模仿座頭鯨的捕獵行為，具有操作簡單、調整參數少、容易跳出局部最優的特點，主要包括3 個階段：隨機覓食、收縮包圍、螺旋捕食。因此，該文設計了基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統。通過此系統來完成產業園區電力能耗的監測與記錄，利用能耗統計以及能源的審計、能效的公示，促使國家機關能夠參照此系統提高產業園區的節能水平，為政府有關政策的制定提供參考[2-4]。

1 系統架構設計

該文研究基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統架構以計算機、通信設備、測控單元為基本工具，通過實時數據采集、開關狀態監測及遠程管理與控制提供基礎平臺，該系統主要采用分層分布式計算機網絡結構?；邛L魚算法的產業園區電力能耗監測系統架構如圖1 所示[5]。

圖1 產業園區電力能耗監測系統架構

觀察圖1 可知，基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統架構由站控管理層、網絡通信層和現場設備層組成。

1）站控管理層。站控管理是人機交互的直接窗口ISI，也是上層系統，該系統主要包括工業級計算機、打印機、UPS 電源等系統軟件及必要的硬件設備，內部的人機交互界面不僅能夠采集現場數據，同時可以分析處理數據，以波形圖反饋現場的運行狀況。

監視主機具有很好的數據處理能力，而且可以管理數據，為維護和分析系統提供內外數據接口，可調用打印或自動打印圖表和報告。系統通過通信和智能模擬圖像進行數據交換，生動地展示了系統的整體運行狀況，確保電腦監控系統正常供電，保證站控管理設備在發生供電故障時可以正常運行。

2）網絡通信層。網絡通信層內部的通信管理機、以太網和網絡總線不僅可以完成數據信息交互，同時可以上傳控制指令。

3）現場設備層。現場設備層是數據采集終端，利用I/O 控制器實現數據的控制[6]。

2 系統硬件設計

該文設計的基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統硬件由數據采集器、數據傳輸器和數據庫組成。系統硬件結構如圖2 所示。

圖2 產業園區電力能耗監測系統硬件

2.1 數據采集器

該文設計的基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統的數據采集器型號為MS3590，其結構如圖3所示。

圖3 采集器結構

根據圖3 可知，MS3590 是一個基于C 語言的輕量級數據采集器。利用MINDEO 自主研發的圖像處理技術，可以方便、快速地識讀國內、國際通用的1D/2D 條碼，配置藍牙或WiFi 無線通信模塊。采集器的終端和交換機具有很強的信息分析能力，不僅可以分析數據，同時可以完成數據的交互。除此之外，MS3590 輕便小巧，便于攜帶，采用人機工程學設計，握感舒適，配有智能化輔助照明調節算法，能適應不同照明強度環境，具有任意角度的可讀條碼，糾錯能力強、閱讀速度快。

能耗數據采集分為人工采集和自動采集兩種方式。園區建筑物基本情況的數據采集指標全部為人工采集，能耗數據不能自動采集。該系統采集數據為園區建筑用電分項數，并采用自動計量裝置。收集中心采用自動傳輸方式，實現數據采集與傳輸[7-9]。

2.2 數據傳輸器

數據傳輸器為InDTU212 系列工業無線數據終端，數據傳輸器如圖4 所示。

圖4 數據傳輸器

InDTU212 系列是一款高性價比的工業級無線數據終端產品，以LTE 4G 無線網絡為承載網，在TCP/IP 之上為工業和商業用戶提供無線數據傳輸通道，功能完善，實現了遠程監控站的串口設備與中央監控系統之間的無線數據通信，從而實現了對遠程設備的監控。

該系統通過R28917 數據傳輸接口，實現園區用電量自動監控，并利用IJNSD/SAD 通信協議實現自動上傳，保證了數據的高效管理和查詢服務。與此同時，數據的傳輸采取了編碼jancne 來實現數據的存儲一致性以及交換一致性[10-11]。

2.3 數據庫

數據庫是該文設計的基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統中的核心部分，也可以稱之為數據中心，其主要作用就是接收監測的產業園區的能耗數據，并且將這些數據儲存到其管理的固定區域。在接收數據后對其進行處理，分析數據并展示數據結果。數據庫如圖5 所示。

數據庫有設定數據更新時間間隔的功能，可以用來存取歷史數據、記錄報警、打印相關數據報表、制作歷史對比圖、繪制數據圖表等，并且可以不斷擴展增加更多功能。MSP430F149 主控制器與Neuron3150 之間完成信息交互。

3 系統軟件設計

該文提出的基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統軟件主要由隨機覓食、收縮包圍、螺旋捕食完成軟件工作。

1）隨機覓食

隨機覓食指的是采用鯨魚隨機搜索食物，設定目標個體Xi,G(i=1,2,…,N)，尋找與食物相近的鯨魚，根據鯨魚位置得到數據更新結果，定義的數學模型如下所示：

其中，Xrand表示鯨魚個體的位置；G表示數據更新迭代的次數；D表示個體與隨機個體之間的距離；A為隨機參數，隨機參數的區間為[-2，2]。

2）收縮包圍

在完成食物搜索后，鯨魚對位置進行再次更新，建立新的數學模型，如式（2）所示。

其中，Xi,G+1表示鯨魚尋找的食物所在的位置種群，Xbest表示種群最優的位置。

3）螺旋捕食

在尋找到最優的數據個體后，采用螺旋運動的方式接近食物，得到的數學模型如式（3）所示。

其中，Dbest表示個體與最優個體之間的距離；b表示鯨魚運行過程軌跡的常數；l表示區域的隨機數。

通過多次變異、交叉增加種群的多樣性，增大搜索空間，從而增強了全局搜索能力，便于跳出局部最優，提高了算法的收斂速度[12-14]。

4 實驗研究

為了檢測該文提出的基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統的有效性，與傳統監測系統進行實驗對比，選用的傳統系統分別是基于數據分析的產業園區電力能耗監測系統、基于數據挖掘的產業園區電力能耗監測系統。設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

根據上述參數，選用該文系統和傳統系統進行對比實驗?；邛L魚算法的產業園區電力能耗監測系統工作流程如圖6 所示。

圖6 系統工作流程

得到的監測結果穩定性如圖7 所示。

根據圖7 可知，該文提出的基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統的工作過程穩定性高于傳統監測系統，監測能力更強。

圖7 監測結果穩定性

根據表2 可知，該文提出的監測系統對電力能耗的監測能力優于傳統監測系統，能夠確定最優的儲能容量配置，縮短復合儲能的成本，防止風光功率波動，從而增強能耗的利用率[15-18]。

表2 利用率實驗結果

5 結束語

文中提出了一種基于鯨魚算法的產業園區電力能耗監測系統，對系統的硬件和軟件進行設計。對儲能進行優化，提高了微網聯絡線的利用效率，確保監測過程數據的準確性，為電力調度提供更多的數據參考。由于鯨魚算法在運行中需要經過多次迭代，因此產業園區電力能耗監測系統需要消耗的預測時間較長，這也是下一個階段需要改進的工作目標。我國產業園區電力能耗監測還在不斷發展中，各種類型市場逐步開放，需不斷根據產業園區電力能耗的發展對方法優化，從而真正準確地為產業園區電力能耗監測提供依據。