低压用户综合感知和分析技术及现场装置的应用探讨

卢丽鹏 张绍登 黄梦欢 魏诗楠

（国网芜湖供电公司，安徽 芜湖245000）

1 概述

随着国家城市化的推进，城市的发展日新月异，家庭用电需求量也越来越大，电力系统供电的压力也日益增加。在低压用电侧，家用设备的增多使得用电状况复杂多变，这样就会导致在智能电网用电侧产生一些问题。

在家用电器设备接入电网用电终端时，家用设备的用电安全管理是亟需解决的问题，因此对家用电器设备的用电监测和管理很有必要。

传统的用户用电方式是一种被动的用电方式, 电力公司仅采集用户的电能消耗信息并进行计费, 用户不能从电力公司获得信息,更不能参与电力系统的运行与管理。因此亟需研发一套低压用户综合用能感知与分析系统作为高级量测体系的主要组成部分，以信息采集、网络通信、远程控制、数据分析、数据存储和物联网等作为技术支撑, 让家庭用户在任何时间和地点都能实时了解其能耗情况,远程遥控家用电器的开闭，并能和电力公司进行双向信息互动，在不影响用户舒适度的前提下为用户制定合理的用电计划。

2 系统设备简介

在本系统中，我们采用了以下的硬件设备作为系统集成的部件，即；

2.1 智能远程WIFI 遥控插座开关

2.1.1 工作原理：该插座内部搭载着一套用电智能采集分析电路，包括交流电流采集、交流电压采集、数据分析等模块，其工程原理相当于一个转接装置，它的一端连接着家用电器，另一端接入低压电网。插座上电以后，负载电器工作时所需要的电能会经过用电智能采集分析电路才会最终供给负载电器使用，此时插座会实时的读取分析负载的用电信息，比如实时电流、实时电压、实时电功率等状态参数；同时会根据监测参数计算出某一时段的电能能耗。此外该插座具备联网功能，即插座作为WiFi 终端设备可连接家用网络，连接网络后插座每次采集到的数据都会上传到低压用户综合感知分析平台，供用户实时查看，此外该插座还可以通过远程下发指令实现定时开关和省电操作。

2.1.2 技术参数：计量插座的主要参数如下所示，即：

（1）额定电压：250V；（2）最大电流：10A；（3）最大负载功耗：2500W；（4）联网类型：WIFI；（5）无线标准：2.4G 802.11b/g/n；（6）工作温湿度:0～50℃，80%RH；（7）产品尺寸：54*45*67mm；（8）产品重量：小于500g。

2.2 后台云服务器

在本系统内部，云服务器是衔接系统前后端的关键设备，也是所有采集分析数据的中转站。云服务器会通过TCP 协议接收计量插座采集到的各用电参数并对其加以算法分析和处理，随后一方面将实时上传的数据传输到后台管理平台，用于其在WEB 端和APP 端展示，展示内容有各用电参数实时数值、各参数历史曲线、展示用电负载类型等。另一方面，云服务器具有存储作用，对这些数据进行列表存储，方便用户后期调用历史数据查找用电异常原因，并且存储的数据支持多种标准格式以及自定义格式导出。

2.3 Web 端管理平台及移动手机APP

在本系统内部，建立起后台工作站，主要由电脑、配置高清显示屏以及移动端APP 组成。云服务器在接收到设备端上传的数据后会进行处理，然后会将处理好的实时数据传输到后台监测中心，用于管理人员和家庭住户随时随地的去查看，分析以及应急响应。

在工作站，我们通过web 端服务设备实现查阅，而在用户端，则可以使用手机APP 远程连接插座进行查阅。

3 低压用户综合感知和分析技术研究

3.1 工作流程分析

低压用户综合用能分析系统主要包括计量插座（分三口和两口，10A 和16A）、云端服务器、WEB 端管理平台以及移动端APP。

计量插座实际上是一个插座转接设置，电器通过计量插座之后再连接到电网。计量插座使用流程大致如下：电能计量模块分为两部分，一部分是电压采集模块直接与供电侧连接，读取用电负载的实时电压；另一部分是电流采集模块间接通过电流互感器与供电侧连接，读取用电负载的实时电流。MCU 通过SPI 通信协议从电能计量模块获取用电负载的电压电流后，通过物理学公式（如实时功率等于实时电流与实时电压相乘等）取得剩下的实时功率、用电量等数据；并从时钟模块获取当前时钟，然后MCU 将这些数据整合成一帧数据包（其中包括包头、包尾、校验位、数据位等）通过WIFI 网络上传到云端服务器内，最后在WEB 端和手机移动端的页面上实时显示。此外MCU还具备打开或关闭插座孔电源的功能，通过按键直接操作或设置定时自动操作，电源的打开与关闭是通过MCU 控制继电器的闭合与切断实现的。

图1 是本系统的组成架构图。

图1

3.2 系统硬件设计

硬件系统主要包括电源管理模块、电能计量模块、MCU 模块、时钟模块、控制模块、无线传输模块。系统组成原理如图2。

图2

3.2.1 电源管理。计量插座的电源管理主要分为两部分，一部分是将电网中的电能转接给插座，使得插座可以给用电负载的电器供电；第二部分是将220V 交流电压通过多种LDO 芯片转换为不同等级的直流电压如12V、5V、3.3V 等，分别给电能计量模块、MCU、无线模块提供工作电压，同时根据各个模块的额定电流大小设置不同等级的过流保护，增加计量插座的使用安全。

3.2.2 电能计量。主要是采集插座用电时的实时电压和实时电流，由于采用的是接触式电压互感器和非接触式电流互感器，采集出的实际信号值是mV 级别，需要对其进行放大，本电路通过二级巴甫洛夫滤波电路以及二级负反馈放大电路对采集到的微小信号值进行滤波放大，最终输出可进行AD 读取的信号值。

3.2.3 主控模块。它作为控制中心高效控制各模块协调工作，从而实现将插座上的用电信息采集处理后上传至云端平台进行分析和展示，并能根据平台下发的指令对插座进行控制。

3.2.4 无线传输。采用ESP8266 低功耗无线模块，该模块拥有强大的片上处理和存储能力。该模块体积小、丢包现象不严重且性价比高，在节能方面，可快速在睡眠/唤醒模式之间切换，最适用于计量插座这种应用场景中。

3.3 软件设计

设计本系统平台的初衷是基于电力系统低压用电侧中，家庭住户对于用电设备的智能化管理需求。因此，系统总体功能需求大致为：

3.3.1 用电监测：实时读取插座上负载的电压和电流值。

3.3.2 电能计量：通过计量插座采集到的实时电压和电流，可以通过智能算法计算出实时功率、总用电量。

3.3.3 预约定时：使用者可以通过APP 进行预约定时，设置某一时间点或某一时间段对计量插座进行上电或去电操作；从而控制计量插座上的负载电器工作和休息。

3.3.4 预警设置：通过在平台上设置阈值，可以在插座负载电器电流超过阈值时，进行平台和APP 报警，若进行电流限制操作，则在此情况下，插座会自动断电，使得负载电器停止工作，反之则只报警不处理。

3.3.5 数据导出：所有采集和分析处理的数据都会存储在云端服务器上，可在平台上进行数据导出，数据导出格式可自定义。

3.3.6 系统管理：系统管理分为登陆、用户管理、角色管理3个模块。登录模块实现用户登录功能；用户管理模块实现了用户的增加、删除、修改、查看信息、用户角色分配等功能；角色管理模块实现了角色的新增、修改和删除，对应角色的权限查看等功能。

4 成果展望

按照现有的技术方法，对家用电器设备的用电监测缺乏实效性和准确性，那么利用上述的低压用能感知和分析技术，我们预估可实现用能数据智能化分析和信息化平台的展示。其主要的技术应用成果体现在以下几个方面，即：

首先，系统内部现场采集终端设备的应用，巧妙地监测到了各个家用电器的用电参数，规避了传统电表测量的不准确性，优化了在电网用电侧的电能监测方式。其次，对用电数据的智能分析很好的帮助了用户进行用电状况的判断和管理，进一步提高了弱电侧的信息化管理水平。最后，该技术和设备的应用可广泛存在于城市，乡镇低压用电端，例如机房，办公室，家庭和会议室等场所，并逐步形成了良好的用电监测和管理的推广示范效益。

综上所述，智能电网的低压用电侧的良好，稳定运行离不开该技术的支持和保障。一方面，立足于对该技术的深入应用和推广，不仅可以实现人们对居家用电的智能分析和管理，营造出安全，和谐的居家环境。另一方面，也能够间接响应国家节能减排政策，为合理的用能分配及用电异常提供了信息化智能化辅助手段。此外后期通过建立激励机制推动家庭行为，增强终端日常生活化与智能体验，创建产品、服务、合作关系的“生态系统”这三方面策略来推动社会节能减排意识。