基于物联网环境的智能用电管理系统庆克堂 （国网淮南供电公司,安徽 淮南 232007） 摘要：基于物联网技术,结合云存储和大数据分析，提出智能用电系统完整解决方案,重点介绍系统架构、实现方法和系统应用，并提出了在售电侧放开的环境下，依托本系统，建立一体化开放的智能用电平台的思路。 关键词：物联网；云存储；大数据；智能用电 国家电网公司提出加快提升电网互动能力，建设智能用电管理与双向互动平台，让电力用户通过智能电网实现用户能源管理、远程家电控制、移动终端购电等，全面提高用电智能化水平。建设基于物联网环境的智能用电管理系统将是智能电网在用电领域一个有益的尝试。 1 基于物联网环境的智能用电管理系统提出的背景国家为推动节能减排工作，推出了包括负荷控制、分时电价、阶梯电价等一系列电力需求侧管理方面的技术和经济措施。这些措施的推出及人们环保意识的提高，促使电力客户努力获取电气设备电能使用数据，采取并实施合理的用电管理手段以减少电能的消耗和电费的支出。 通常，用户获取用电信息的重要途径是电费月度账单。由于技术的限制，账单只能告知用户一定时期内的总用电量。获取每台设备用电情况是开展节能工作的基础，用户要知道用电的构成及影响用电的环境因素，要求能加以分析并实施控制手段以节省电力。 由于缺乏专业的用电知识和手段，用户不能获取每台设备的用电情况。当用户对电能的质量及计量产生疑问时，只能采用供电企业的数据，导致用户在电能使用过程中对供电企业提供的服务存有疑虑。供电企业也需要详实的数据为客户提供优质的服务。 智能用电依托高级测量技术、传感通信技术、分析和辅助决策技术，结合影响用电的设备能耗、气象、温湿度、时间、设备操作及分布式能源发电等因素实现用电需方响应，系统和用户的双向互动。这是坚强智能电网的重要组成部分，也直接影响到能源的使用效率、经济运行和有序用电。 因此，积极利用智能用电的研究成果，建设基于物联网环境的智能用电管理系统，采集每台设备的用电数据及影响用电的环境数据，依托宽带网络，利用云存储及计算技术，开展对用电数据的分析，提出用能管理的方案，结合桌面终端及智能终端应用，实现用电设备的监测与控制，满足客户多元化需求，提高供电企业的优质服务水平，是解决上述问题的有效方法。 2 系统架构系统采用模块化结构，由智能传感器、数据转发器、主站系统和客户端3部分组成，如图1所示。  图1 基于物联网环境的智能用电管理系统结构 作为系统数据采集部分的核心器件，智能传感器主要分为电气类和环境类两类。 电气类智能传感器用于采集电气设备用电数据及分布式电源的发电数据并可控制设备的运行。针对小功率电气设备较多的家庭、办公等场所可采用直接接入模式的智能插座或智能开关，设备功率较大的生产场所可采用经互感器接入的智能电能表等设备。以上设备不仅可以采集电压、电流等基础用电数据，还可以具有简单计算功能，直接在本地显示设备的有功、无功等信息，并具有通信接口上传用电数据，接收系统下发的指令做出相应的控制功能。 环境类智能传感器用于采集影响用能的声音、光线、热力、温湿度、压力乃至化学数据等，具有复合功能，可同时测量多种物理量，具备与数据转发器相匹配的双向通信接口并上传相关数据接受主站系统下发的指令实现传感器的各项测量功能，同时调节影响用电的相关环境设备的运行。 数据转发器作为智能传感器与主站间数据通信的中继，用于汇总一定范围内多个智能传感器的数据并上传至主站，并可下发主站系统查询、控制指令至智能传感器。数据转发器具备分别与智能传感器和主站相匹配的通信接口。 主站系统用以存储、计算用电数据，对海量的用电信息开展大数据分析和挖掘，形成各种用电报表，实现能耗分析和智能用电方案的制订和执行，接收客户端的查询指令反馈查询结果，接收客户端的控制指令实现用电智能控制。主站按现场需求及所管理用电设备的数量可采用PC机、独立服务器或云存储服务器等，客户端可采用B/S、C/S结构以及智能终端应用等形式与主站系统共同作用实现对用电数据的存储、分析、查询及电气设备远程控制等智能用电方案的实施。 系统在组建过程中，根据不同的应用环境及要求可以灵活选取独立智能传感器、智能传感器+主站及客户端、智能传感器+数据转发器+主站及客户端等多种结构，应用于单个用电设备监控、多个用电设备监控、多个用电单位监控等不同环境，以降低成本，方便安装和使用。 智能传感器可使用RS485、WiFi、蓝牙、2.4G、433M等多种通信方式与数据转发器实时传输用电数据，也可采用USB接口、SD卡等手动方式传递用电数据至主站。数据转发器与主站间数据传输可采用GPRS、3G/4G、以太网等方式实现。主站与客户端之间数据传输采用3G/4G、以太网等方式较易实现。伴随4G、 WiFi等宽带技术的普及，各设备间通信方式必将向通用化、标准化发展。 各设备间通信协议可以国家电网公司《Q/GDW 1376.1–2013电力用户用电信息采集系统通信协议》《DL/ T 645–2013多功能电能表通信规约》《DL/T 698–2010.4电能信息采集与管理系统：通信协议》为基础加以增删。 3 系统实施的过程系统实施的过程包括采集管理、分析评估和决策3个阶段。 采集管理阶段指在设备功率、功能、面积、电价、人员等基础数据录入的基础上，收集与用电管理相关的内部、外部初始信息，分别采集各用电场所分布式能源和用电设备运行时间、运行状况、电压、电流等电气参数，锅炉、供暖等设备运行数据及温度、湿度、光照、压力等环境数据。分散的采集数据可以本地存储或经通信网络上传至服务器端按一定的规则存储，供分析评估阶段使用。 分析评估阶段根据录入的静态基础数据和采集到的电气及环境海量的实时和历史数据开展大数据分析，对用电各环节及流程进行评估，对各种用能模式进行规划和测算，实现设备分析、能耗分析及相关统计。其中设备分析包括设备工况检测、设备异常检测、设备管理分析、设备效率分析等；能耗分析包括用电成本分析、能耗消费分析、用电质量分析、环境影响分析等。统计包括产品单耗统计、用能数据统计、用能消费预测等。采集及分析评估的数据均可通过客户端实现实时查询或报表统计。 决策阶段充分应用分析评估阶段的成果，综合考虑电气设备和用电环境等多种因素，实施电能质量诊断，建立能源消耗评价体系，就用电设备的用能管理提出方案，为节电工程的设计、改造提供依据。该阶段包括使用高效设备替换高耗能设备，利用改变用电环境如光照等降低设备用电量，利用分时电价政策降低电费支出，减少不必要的用电设备开启等。该阶段也制订并实施智能用电的方案，系统综合设定用电控制参数，自动控制用电设备和辅助设备的开启、关闭，调节设备的运行状态。比如打开窗帘增加室内亮度减少室内照明设备用电，根据负荷的变化调节电机的输出功率实现用电设备的高效运行。这也可以通过客户端手动实现。建立用电评价体系，针对智能用电工作开展包括节能减排在内的经济效益、社会效益测算及评估，为节能服务工作提供客观独立的认证，还可作为电力事故分析的依据。 4 智能用电管理系统的功能模块系统的功能模块包括基础数据录入，设备运行监控，成本分析与优化，用能咨询与规划，智能用电管理，节能评价、报表分析等。 基础数据录入模块广泛收集与用电管理相关的内部、外部初始信息，既包括电气设备基础信息及影响用电的环境相关信息，也包括与用电管理相关的国家法律法规、节能服务案例及科技动态等信息，目的是为智能用电管理的实施提供依据。 设备运行监控模块依托位于各采集点的智能传感器，设计关键时间缺失数据补录方案，及时获取设备的用电参数、用电效率、环境数据、故障信息等实时数据，调节设备的运行，控制设备的开启与关闭，提供电气工况、环境数据的查询和数据输出接口，也可作为电能质量检测和电力事故分析的依据。 成本分析与优化模块通过设备额定功率及运行时间计算，结合温湿度、光照等环境因素得出设备可以实现的最低功耗、最低电费，与实际功耗及电费相比较，分析设备用能增加的原因，是否有节能空间，提出优化设备运行时间、运行环境、运行效率以达到最佳能耗效果方案。深入探索节能省钱原因，影响设备效率的原因，当前的设备能否满足后续生产所需，设备状态是否导致产品质量问题等。 用能咨询与规划模块在设备运行数据采集、分析的基础上，获取相同设备的不同能耗，提出优化能源结构的建议，根据预期生产计划，合理安排生产时间、合理安排相同设备的启停等。 智能用电管理模块综合成本分析与优化模块和用能咨询与规划模块的方案，按预设的条件下发控制指令。依靠设备运行监控模块获取方案执行的效果。 节能评价模块通过节能分析，建立节能激励机制，用以考核、奖励节能成果，提高节能积极性。 报表分析模块依据系统各类静态数据、实时数据、历史数据自动生成各类报表，并可根据不同用户需求生成各类实时报表。 5 系统的应用基于物联网的智能用电系统首先有效满足了居民及大客户节能环保的需求，智能传感器的完善，智能用电技术的发展以及云计算、大数据分析技术为基于物联网的智能用电系统创造了良好的条件。基于物联网环境发展起来的传感器，通过对用户电气设备及辅助设备的数据采集，实现电能计量、分析及实时监控。在此基础上，依托宽带网络，结合云计算及大数据分析，配合智能手机及桌面终端的应用，轻松实现电气设备用电实时查询，远程控制，定时开关，能耗分析和节能方案的制订，促进电能替代工作的开展。用户可以实时了解用电情况，及时控制电能的使用。该系统适用于家庭、学校、机关、企事业单位等有节能需求及用能监测的场所，也可作为供电服务人员现场用电检查的工具。 依托本系统可实现电网与用户的双向互动，实时发布预警用户电量、电费信息，实时发布预警供电质量信息，分析用电设备运行状况，制订并执行节能方案。通过对用电客户用电数据的分析，不仅可以准确掌握客户的用电情况，分析用电趋势，合理安排电网规划，促进电能替代工作的开展，也有助于及时处理与电能质量相关的纠纷，提高优质服务水平。 通过系统的分析与控制功能，节能服务公司可以有针对性地服务有节能需求的企事业单位，及时反馈企事业单位节能的成果，实施大数据分析，建立面向大众的节能服务公众数据库，提供节能服务的同时，获取节能服务的收益。 第三方测评机构可以通过系统开展针对节能服务公司的节电效果检测及评估工作，为节能服务成效提供客观独立的认证。 依托本系统强大的数据采集和分析能力，政府有关部门可迅速实现对各行业的用电分析，掌握经济运行情况并制定相关政策。 6 结束语《关于推进售电侧改革的实施意见》文件对推进售电侧放开做出了全面部署。售电侧放开将引入多元化的售电主体，构建有效竞争的市场结构和体系，赋予用户购电自由选择权。售电侧放开对各售电主体和政府电力主管部门带来了挑战，建立一个公正透明的平台将能解决服务模式创新、普遍服务、市场运行质量、信用体系与风险防范机制建立过程中产生的诸多问题，以保障电力市场的有序运行。基于物联网的智能用电系统具有强大的数据收集和分析能力，如能以本系统为基础，由第三方承建一体化开放式智能公共用电平台，政府、发电、供电、售电企业和用户以统一的标准接入平台，数据实时上传和共享，由第三方测评机构依托系统开展针对发电、供电和售电公司的服务评价和分析防范，发电、供电、售电企业与用户间实现双向互动，政府电力主管部门实时监控并获取经济运行所需要的数据，必将极大提升用电服务，有效促进售电侧放开工作。 参考文献： [1］ 卢宁，王春璞．智能电网与智能家居[J]．科技视界，2012(1)：6-8． [2］ 张东霞，苗新，刘丽平，张焰，刘科研．智能电网大数据发展研究[J]．中国电机工程学报，2015(1)：2-11． [3］ 荆孟春，王继业，程志华，李凌．电力物联网传感器信息模型研究与应用[J]．电网技术, 2014, 38(2): 532-537. [4］ 徐赟．“互联网+”:新融合、新机遇、新引擎 [J]．电信技术, 2015(4): 532-537． [5］ 王广辉．中国智能用电的实践与未来展望[J]．中国电力，2012(1): 1-5 . [6］ 庆克堂，刘忠，程晓君．淮南供电公司节能服务管理的实践[J]．淮南职业技术学院学报, 2013, 13(3): 4-8． （责任编辑：贺大亮） 中图分类号：TM74 文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2017)02-0035-03 |
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