基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力低壓用戶用電安全監(jiān)測(cè)方法

王 旭，嘎瑪?shù)?，?陽(yáng)

（國(guó)網(wǎng)日喀則供電公司，西藏 日喀則 857000）

0 引 言

低壓配電系統(tǒng)是我國(guó)目前大多數(shù)國(guó)民正在使用的電力系統(tǒng)，其用電質(zhì)量、用電安全是保障我國(guó)用電者生命及財(cái)產(chǎn)安全的主要途徑[1-3]。目前，人們?nèi)粘５挠秒娦枨笾饾u增加，如果出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)定的情況，將容易造成危險(xiǎn)事故的發(fā)生[4,5]。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建電力低壓用戶用電安全監(jiān)測(cè)方法，以期為電力低壓用戶用電安全監(jiān)測(cè)提供新的思路與參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)架構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的應(yīng)用于電力低壓用戶用電安全監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要包括感知采集層、網(wǎng)絡(luò)通信層、平臺(tái)服務(wù)層以及應(yīng)用控制層，具體如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)架構(gòu)示意

圖1中，應(yīng)用控制層主要用于將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行最終存儲(chǔ)，使用的數(shù)據(jù)庫(kù)為MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)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(jìn)行相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并利用智能采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)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(huán)境數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等，智能采集終端采集電壓、電流、電能質(zhì)量以及用電故障信息等數(shù)據(jù)。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(gè)連接接口，通過(guò)連接控制電流互感器以及電壓采集模塊實(shí)現(xiàn)電流與電壓信號(hào)的采集。傳感器模塊由多個(gè)傳感器組成，包括溫度傳感器和濕度傳感器，且對(duì)傳感器具有一定的適應(yīng)性要求。由于目標(biāo)采集的溫濕度數(shù)據(jù)為低壓用戶用電數(shù)據(jù)，所應(yīng)用地區(qū)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(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行溫度在20～30 ℃。如果在全年溫度變化范圍為-10～30 ℃的地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則要求傳感器的測(cè)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(huán)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(hù)能力。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

在網(wǎng)絡(luò)通信層中，主要利用LoRa模塊進(jìn)行無(wú)線通信，這是由于LoRa技術(shù)具有可以遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)且能耗較低的優(yōu)勢(shì)，適用于不同區(qū)域電力低壓用戶用電數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。同時(shí)，LoRa模塊的安裝調(diào)試較為便捷，在該模塊內(nèi)加入應(yīng)用通信自組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)通信一體化設(shè)計(jì)。將低壓用戶用電數(shù)據(jù)以無(wú)線通信的方式傳輸?shù)讲煌越M網(wǎng)內(nèi)，利用自動(dòng)選頻段或自動(dòng)跳頻技術(shù)，避免通信傳輸過(guò)程受到同頻干擾信號(hào)的影響。

1.3 平臺(tái)服務(wù)層

平臺(tái)服務(wù)層主要負(fù)責(zé)接收由網(wǎng)絡(luò)通信層傳輸?shù)玫降牡蛪河脩粲秒姅?shù)據(jù)，并對(duì)其整合以及去噪處理，為監(jiān)測(cè)低壓用電用戶的信息提供準(zhǔn)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(shí)間內(nèi)的不同用戶用電負(fù)荷信息數(shù)據(jù)[7]。其數(shù)據(jù)集合可表示為

式中：Xi代表第i個(gè)用戶整體負(fù)荷數(shù)據(jù)；n代表采集的所有用戶數(shù)量。鑒于不同負(fù)荷數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃后為一條負(fù)荷數(shù)據(jù)曲線，因此整合用戶用電信息數(shù)據(jù)的結(jié)果為

式中：zij表示第i個(gè)用戶在第j天的用電負(fù)荷信息數(shù)據(jù)[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(huán)境過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致用電信息在后續(xù)進(jìn)行應(yīng)用控制過(guò)程易受到噪聲干擾[9,10]。本文在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，結(jié)合小波變換去噪技術(shù)，對(duì)整合后的用戶用電信息進(jìn)行去噪處理。

假設(shè)小波變換系數(shù)為

式中：λ表示實(shí)數(shù)閾值；fn表示待測(cè)信號(hào)；ψ表示小波變換的逼近系數(shù)；k表示尺度系數(shù)。依據(jù)小波變換系數(shù)，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(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力低壓用戶用電安全監(jiān)測(cè)方法，將參考文獻(xiàn)[5]和參考文獻(xiàn)[6]中的方法作為對(duì)比方法進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真環(huán)境為Matlab R2019 b，物聯(lián)網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為2 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)的最大通信半徑設(shè)置為40 m，通信覆蓋范圍為500 m2，無(wú)線傳輸模塊的通信速率為10 Mb/s，發(fā)射端總功率為24 mW。

2.1 監(jiān)測(cè)延時(shí)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試不同方法監(jiān)測(cè)低壓用戶用電信息的結(jié)果如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)延時(shí)測(cè)試結(jié)果

由圖2可以看出，隨著監(jiān)測(cè)整體時(shí)間的延長(zhǎng)，不同監(jiān)測(cè)方法的延時(shí)均隨之增加，但本文增長(zhǎng)幅度低于文獻(xiàn)中方法，且本文所提方法的監(jiān)測(cè)整體延時(shí)明顯低于文獻(xiàn)中方法，其在48 h整體監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)延時(shí)為0.06 s，而文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法的延時(shí)分別為0.17s和0.23 s。這主要是因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法中，利用LoRa無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)了一體化通信，降低了監(jiān)測(cè)過(guò)程的通信時(shí)延。

2.2 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果

以低壓用戶用電負(fù)荷信息作為目標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果，測(cè)試不同方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際用電統(tǒng)計(jì)結(jié)果的偏差，從而測(cè)試不同方法的準(zhǔn)確率，得到具體準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果

從表1的結(jié)果可以看出，所提方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率明顯高于文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法，最高可達(dá)到98.75%，且在48 h的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)始終可以保持優(yōu)良的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，準(zhǔn)確率監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化幅度較低，表明所提方法較為穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

為了改善傳統(tǒng)電力低壓用戶用電安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中存在的延時(shí)較高且監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較低導(dǎo)致的整體監(jiān)測(cè)效果較差的問(wèn)題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力低壓用戶用電安全監(jiān)測(cè)方法。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建用于監(jiān)測(cè)電力低壓用戶用電信息的多層物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整體的電力低壓用戶用電安全監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法具有較低延時(shí)，約為0.06 s，且監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較高，最高可達(dá)到98.75%，表明所設(shè)計(jì)方法具有良好的應(yīng)用效果。