基于聚类算法的双回路智能电能表设计

徐晴，田正其，刘建，段梅梅，祝宇楠，周超

(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京 210019；2. 国家电网公司电能计量重点实验室，南京 210019)

0 引 言

随着我国经济高速化发展，越来越多大型企事业单位或者高校采用空调进行集中供暖/制冷，而空调的使用存在许多不规范现象，比如：无人情况下未关闭、未达到规定温度使用空调以及空调自身出现故障等，这些情况均会导致电能的极大浪费。为缓解能源紧张的压力、解决社会经济发展与能源供应不足的矛盾，应全面推进使用公用空调的节能监控平台。

公用空调的节能和控制是一项系统工程[1]，需要独立的空调计量与控制、通信网络建立、用电数据智能分析等[1-2]。提出基于聚类算法思想设计出一款双回路智能电能表，适用于空调节能监控平台，该空调节能监控平台基于智能电网数据传输平台，能实现空调线路独立的计量与控制、空调电量数据上报及智能分析等功能。

1 空调节能监控平台介绍

本系统对各用电点实现分户、分项、分类实时计量[3]。系统基于B/S模式开发，采用工业界普遍采用的实时通信与数据采集技术，结合后台大型分布式数据库，通过Web发布的形式，使用电单位各级管理人员不管身处何时何地，都可以轻松地对本单位各部门的用电情况进行监控与管理，系统结构图如图1所示。采用该系统还可以和“用电指标体系”充分配合，实现用电的管理和指标执行情况的监督、费用结算、数据统计分析等多项功能，为实现学校各学院、部门用电的量化管理提供了必备条件。

系统主要实现功能如下：

(1)电能实时监管

根据各种分类对实时数据进行统计和监测；也可手动对表计单独进行抄读；

图1 空调节能监控网络结构图Fig.1 System structure diagram of air conditioning energy saving supervision network

(2)建筑用电管理

以建筑类型为单位针对数据进行统计和查询，有利于管理者直观的浏览各建筑单位的用电使用情况；

(3)部门用电管理

按照部门分类对用电信息进行管理和统计查询，可实时了解各部门的用电情况；

(4)电能定额管理

可以按照建筑和部门分类的具体情况对电能进行定额设置；能够实时查看和分析定额的使用明细；具有能源组成结构分析统计功能；

(5)节能监管模型

其包括待机功耗模型及用电匹配模型两部分。待机功耗模型通过配置待机功耗参数监测待机能耗情况；用电匹配模型通过单独配置电表能耗限定，来监测能耗情况；

(6)综合信息管理

电能计量管理子系统的主界面，直观的描述和介绍了该系统所管辖范围内建筑及部门的用电使用情况。

2 智能电能表设计

相比传统节能方式而言(即采用智能插座来控制空调)，将传统电能表进行改进，设计出双回路智能电能表[4]，基于现有智能电网数据传输平台，实现空调节能监管功能，既可节约能源，同时该方案经济可靠。

2.1 硬件设计

智能电能表硬件电路包括MCU处理器、双回路计量电路、双继电器控制电路、开关电源、时钟模块和通信单元等，具体硬件原理结构框图如图2所示，该硬件设计主要在于双回路计量电路、继电器控制、开关电源电路和通信单元[5]。

图2 硬件设计原理框图Fig.2 Block diagram of hardware design principle

2.1.1 计量电路

计量电路是本项目一个很关键的模块，它决定了电能表的精度，以及为节能监控平台提供基础的空调用电数据。为了实现空调的独立计量，采用两片高精度单相计量芯片ATT7053BU，组成双回路计量电路。计量电路主要由电压采样、电流采样、高精度计量芯片和SPI通信接口等组成。该计量芯片ATT7053BU，具有高集成度，集ADC转换器、乘法器、低通滤波器、P-f转换器于一体，相较于高精度ADC+软件DSP处理方式来说，集成芯片极大地简化了软件设计和电路设计，提高了电表运行的可靠性和稳定性。两个独立回路(包括空调供电回路和其余用电回路)分别经由单相计量芯片ATT7053BU采集电压电流信号后，经由SPI通信接口传输至单片机MCU控制中心，两个独立回路的计量采用同样的电路，其中一个回路计量电路如图3所示。

图3 计量电路Fig.3 Measurement circuit

电阻网络jR1～jR4组成电压采样电路，jJ1为电流互感器接入处，jR20和jR21组成电流采样电路，电阻选用了国巨最好的电阻，具有10 ppm的温漂特性，电阻精度达到了0.5%；计量芯片jU1利用SPI接口与单片机MCU进行数据传输，实现信息交互功能。

计量芯片内部的Σ-Δ模数转换器，会引人混叠干扰信号，为消除混叠干扰信号的影响，最简单的方法是在采样端串入一级RC低通滤波器[6]，对于电流互感器方式，RC低通滤波器截止频率设计为5 kHz。电压和电流采样回路均需在计量芯片AD采样输入端设计抗混叠滤波器：

假定R=1 kΩ，则:

C=f/2πR≈33 nF

(1)

即:jR19=jR22取1 kΩ，jC14=jC15取33 nF。

2.1.2 电源电路实现

为降低电能表自身功耗，选用开关电源为系统供电。开关电源主要由电磁兼容处理模块、输入整流滤波模块、控制芯片VIPER22A、开关变压器、RCD模块、输出整流滤波模块、输出反馈调节模块、稳压电路组成，结构框图[5]如图4所示。

图4 开关电源原理框图Fig.4 Block diagram of switching power

由于开关变压器初级线圈的磁场不可能全部耦合到次级线圈，导致开关变压器的初级存在一定的漏感，漏感在工作中会产生很高的尖峰脉冲，当尖峰电压到达一定程度时，会损坏控制芯片VIPER22A中的MOSFET，导致整个电源无法工作。为保护控制芯片，加入RCD电路，抑制这种尖峰电压。RCD原理图如图5所示。

电路由二极管、电阻、电容组成。二极管的作用是避免整流后的高压流入控制芯片，主要的参数是：反向耐压和正向电流。反向耐压越高，击穿的可能性越小，根据最高输入电压和通用性，反向耐压选择1 000 V较为合适；由于漏感产生的尖峰电流一般小于0.5 A，正向电流取1 A较为合适，选用RS1M符合以上的要求。电阻和电容是吸收尖峰电压的主要器件，根据漏感和控制芯片的频率，电阻取100 kΩ，电容取1 nF。

图5 RCD吸收电路Fig.5 RCD absorption circuit

2.1.3 通信网络

智能电能表具备RS 485远传数据接口和红外通信接口，红外可用于手持抄表设备、通过RS485与智能数据网关连接，上行以GPRS通信方式，完成与上层服务器的数据交换。数据网关是节能监管平台的关键设备，能实现底层数据采集、管理、传输及维护功能，中间数据传输通道依托智能电网硬件平台作为传输通道，保证了各区域电表接入网络的方便性，同时也可以最大程度地节约建设成本。其中RS 485通信电路中在485芯片使能端加入R1和C1组成的阻容电压保持电路，可提高电路驱动能力，如图6所示。

图6 RS485驱动电路Fig.6 RS485 drive circuit

2.1.4 继电器电路

为了实现空调的独立控制，设计双回路继电器控制电路，智能电能表内置两个磁保持继电器，分别控制两个回路的用电情况。磁保持继电器仅在需要转换触点时给予一个短时间的脉冲，开关触点动作后依靠内部的永磁铁即可保持状态，需要的驱动功耗较小，满足系统低功耗设计要求，其中磁保持电路原理图如图7所示，继电器+和继电器-为磁保持继电器控制线，ON和OFF接入MCU的I/O控制口。

图7 磁保持继电器电路Fig.7 Magnetic latching relay circuit

2.2 软件设计

本文设计的智能电能表，可以实时采集用户空调线路上的电压、电流、功率等信息，这些大量基础信息被上传到后台调度控制中心的数据库并用于负荷分析和控制[7]。为实现空调的节能监控，智能电能表软件算法上的实现尤为重要，软件算法模型建立基本流程如图8所示。

图8 软件算法模型建立基本流程Fig.8 Basic flow chart of software algorithm model establishment

(1)数据采集。通过智能电网数据传输平台可获取用户用电数据。其中采集间隔可进行设置，默认为30 min；

(2)数据预处理。在建立典型负荷曲线前必须对数据进行规范化处理。基于距离的方法，常见的规范化方法包括最大最小值规范化、平均数方差法、总和规范化、极大值规范化等；

(3)拟合负荷曲线，即对规范化负荷数据进行聚类。负荷曲线聚类首先要确定负荷特性指标、选择合适的聚类算法和确定其相应的参数；

(4)数据存储和数据应用，包括对负荷曲线的分析和评价，并利用聚类有效性指标评价聚类结果的质量；

(5)典型负荷曲线的建立。最终为用户电力系统提供决策依据、优化运行、降低损耗，提高经济效益。

典型负荷曲线的建立关键在于选取合适的聚类算法以及对聚类算法有效性的评价。目前实际应用中比较常见的聚类算法包括：k-means和FCM方法。在实际应用中应根据用户电力数据特点结合有效的聚类算法评价，来选取合适的聚类算法以达到最优效果。

2.2.1 空调自身故障的判定

当空调自身出现故障导致用电量剧增时，会改变电压与电流之间的相角，使其产生斩波。本识别算法是基于实时监测负载数据波形，并对其波形进行大数据分析拟合得出的算法。空调发生故障前后的电流波形如图9所示。

图9 空调发生故障前后的电流波形Fig.9 Current waveform diagram of an air conditioner before and after a failure

通过计量芯片每个周期采样20个电流数据，在20个数据中求得最大值Imax，以此点为基准点，取前6个采样数据点，对此6个数据依次做差，并求其相邻两点的斜率值Rate，在5次判定过程中，当Rate大于设定阈值时，电表跳闸报警寄存器Cnt数值加1，直至Cnt≥3，判定为空调发生故障，电能表内磁保持继电器跳闸，同时对故障进行上报，直至故障解除后，恢复正常运行。如图10所示为故障判定的流程图。

图10 故障判定流程图Fig.10 Flow chart of fault determination

2.2.2 空调使用不当的判定

由智能电能表采集分别获取空调线路和其他用电线路上不同日、不同时间段的用电负荷曲线，对这些负荷曲线进行聚类分析提取用户典型用电负荷曲线，有利于异常用电检测、负荷控制、优化空调运行，从而有效避免空调使用不当造成的能源浪费[8-9]。主要判定如下：

(1)通过对同一监测点的不同日负荷进行聚类，有助于发现该监测点的计量用电是否异常，是否存在空调不规范使用情况，如无人情况下未关闭或者未按规定开启空调等；

(2)通过对同一日不同监测点的负荷曲线进行聚类，可为客户根据实际需求合理配置空调使用规则提供依据，分部门分时段设置空调启用时间段；

(3)获取典型负荷曲线，有助于减少监测点数据采集和存储量。通过分析监测负荷数据的日负荷特性，可进一步增大采集间隔，若与典型负荷曲线误差不大(此处设定误差阈值)，则可不进行保存，进一步减少存储量。

其中曲线拟合的相似性计算是拟合典型负荷曲线的关键工作，以便选取的聚类算法与实际更为符合[10]。目前常见的距离计算方法为欧氏距离计算法，明氏距离被看作是欧氏距离的一种推广[11]。常用dij表示第i个样本与第j个样本间的距离。明氏距离：

(2)

当q=0时，为曼哈顿距离；当q=1时，为欧氏距离；当q=∞时，为切比雪夫距离[12]。

为了进一步明确出现异常的空调设备，对异常设备负荷曲线与典型代表曲线的距离进行计算[13]。定义两条曲线的距离d，其中i为时刻点，若采样间隔为30分钟，则i=48，P中心,i、P偏差,i分别为典型负荷曲线和异常设备负荷曲线该时刻点下的负荷值。

(3)

以上，d的值越大说明越偏离典型负荷曲线，该设备出现异常的可能性越大。

3 结束语

从硬件设计和软件算法两方面介绍了基于聚类算法的双回路智能电能表设计，主要工作如下：

(1)介绍空调节能监控平台构成及该系统平台可实现的功能；

(2)将传统电能表进行改进，设计出双回路电能表，并介绍了双回路计量电路、开关电源电路、继电器控制电路的相关设计；

(3)基于实时监测负载数据波形，软件算法上拟合出实际故障曲线，并给出斜率变化率算法，以识别空调自身故障问题；

(4)更重要的是，在智能电能表的软件算法上提出基于聚类算法建立典型负荷曲线，并通过欧氏距离评估聚类算法的有效性，同时给出实际曲线与典型曲线的偏差计算公式，从而判断是否为用电异常。

本文设计的双回路智能电能表可基于现有智能电网数据传输平台，实现空调节能监管功能；同时，在软件算法上提出基于聚类算法得出两个独立回路的典型负荷曲线，以此评估空调是否存在异常用电情况，优化运行，从而避免空调使用不合理造成的能源浪费。本系统设计在实际应用中前景广泛。