智能电网的非侵入式负荷监测系统设计

崔伟　康伟　郭成光　张金诚

摘要：为进一步提高智能电网的信息分析挖掘能力以及数据共享交互能力，设计一款功能完善、实用性强的非侵入式负荷监测系统。在结合系统需求分析的基础上，完成对系统技术架构和系统总体方案的设计;从数据采集模块设计、主控模块设计、通信模块设计等方面入手，完成系统核心功能模块的设计;对系统的运行性能以及云平台在线监测功能进行测试。结果表明：所设计的非侵入式负荷监测系统运行正常、可靠、稳定，各个功能模块实现满足设计相关要求。

关键词：智能电网;非侵入式;电力负荷监测系统;设计

中图分类号：TM76

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）06-0182-05

Design of non-intrusive load monitoring system for smart grid

CUI Wei， KANG Wei， GUO Chengguang， ZHANG Jincheng

（State Grid Shandong Electric Power Company， Jinan Zhangqiu District Power Supply Company， Jinan 250200， China

）

Abstract：In order to further improve the information analysis and mining capabilities as well as the data sharing and interaction capabilities of the smart grid， a non-intrusive load monitoring system with complete functions and strong practicability is designed. Based on the analysis of system requirements， complete the design of the system technical architecture and overall system plan. Start with the data acquisition module design， main control module design， communication module design and other aspects to complete the design of the core functional modules of the system. Finally， test the operating performance of the system and the online monitoring function of the cloud platform. The results show that the non-intrusive load monitoring system designed in this paper runs normally， reliably and stably， and the realization of each functional module meets the relevant design requirements.

Key words：smart grid; non-intrusive; power load monitoring system; design

在智能电网背景下，通过设计和应用非侵入式负荷监测系统，不仅可以实现对用电负荷自动化、远程化、精确化监测，还便于用户全面地了解和把握电力负荷特性，为保证电力负荷识别精确度，提高智能电网调度水平提供重要的平台支持。因此，为了促进智能电网的健康、可持续发展，如何科学地设计非侵入式负荷监测系统是技术人员必须思考和解决的问题。

1系统需求分析

系统需求分析作为非侵入式负荷监测系统设计基础内容，在正式进入系统设计之前，技术人员要从以下2个维度出发，做好对系统需求分析。（1）用户需求分析。该系统所涉及到的用户主要包含业务用户和系统用户两类，用户类型不同，其系统需求也存在的一定的差异。（2）功能需求分析。系统功能主要包含采集模块设计、主控模块设计、通信模块等模块，技术人员要重点做好对这些功能模块的设计和实现，以保证用户的使用体验。

2系统技术架构设计

在智能电网背景下，非侵入式负荷监测系统设计主要用到了以下核心技术，分别是负荷监测与识别技术、先进的信息通信技术、数据深度挖掘技术。首先，通过利用负荷监测与识别技术，实现对电力负荷数据的全面化分析和研究[1];然后，借助信息通信技术，保证电网与用户之间的互动性，确保电网能够在最短时间内快速地获取用户电力负荷数据。最后，采用数据深度挖掘方式，对用户的电力负荷数据进行深入地分析和挖掘，从而为用户提供良好的智能化用电服务。系统技术架构设计示意图如图1所示。

3系统总体方案设计

3.1系统核心模块介绍

本系统主要包含以下几个模块，分别是数据采集模块、主控模块、通信模块和电源模块。系统总体设计示意图如图2所示。其中数据采集模块、主控模块、通信模块设计是本次研究中的重点，一旦所采集的数据精确度不高，将会直接影响本系统的运行性能。为避免以上不良现象的发生，技术人员要优先选用采样电阻，对电力负荷数据进行采集，这是由于这种电阻具有抗磁場干扰能力。此外，还要选用HLW8112电能计量芯片，将电力负荷数据快速转换为相应的电信号[2]。电源模块作为系统的基础功能模块，其稳压程度控制不合理，将会直接影响本系统的运行状态，因此，技术人员要优先选用开关电源芯片，对电力负荷数据进行转换，这是由于该开关电源芯片具有安全可靠、体积小、效率高等特点。主控模块作为本系统的核心模块，在实际的开发中，要优先选用STM32F1.03微处理器，对数据采集模块所发送的电力负荷数据进行处理。为了确保用户能够对电力负荷数据进行远程化、在线化实时监测[3]，本系统在具体的设计中，要利用通信模块，向OneNET云平台安全、可靠地传输电力负荷数据。EA46B634-0AF5-4DF6-A7B4-3F876C0CC4E3

3.2系统运行流程分析

本系统的运行流程为：通过将本系统安装和固定于电力供给入口端，此时，电源模块会向其他各个模块提供相应的工作电压，此时，系统会利用数据采集模块，将电压、电流、功率等电力负荷数据转换为相应的电信号，并将其传输到HLW8112电能计量芯片，由该芯片将这些电信号转换为电压有效值、电流有效值，并存储于指定的寄存器内，在此基础上，主控模块会自动完成对电力负荷数据的精确计算，并将最终的计算结果转化为相应的电力负荷特性值。最后，通信模块将这些电力负荷特性值安全、可靠地传输和存储于OneNET云平台[4];此时，用户通过借助移动端或者PC端，就可以实现对OneNET云平台的登录和访问，为保证电力负荷数据监测的实时性、有效性和针对性打下坚实的基础。

4系统功能模块设计

在智能电网背景下，为更好地提高非侵入式负荷监测系统的运行性能，实现对用电负荷自动化、远程化、精确化监测，满足用户的多样化使用需求[5]，现将本系统划分为3大模块：数据采集模块、主控模块、通信模块。系统功能模块设计示意图如图3所示。

4.1数据采集模块设计

数据采集模块主要由2大核心部分组成：一个是HLW8112电能计量芯片;另一个是采样电阻。其中，HLW8112电能计量芯片具有精度高、安全可靠等特点，其内部安装了电源和晶振，在科学设计外围电力的基础上，通过规范地编写软件代码，就可以保证数据采集模块实现效果;同时，通过借助主控模块[6]，可以实现对各个芯片寄存器内电力负荷数据的精确读取和整理。当这些数据比值达到1 000∶1，且电流有效值和電压有效值之间的测量误差小于1%时，可以保证数据采集结果的精确性和真实性。另外，在设计数据采集模块期间，技术人员要优先选用以下2种电阻：一种是1 mΩ的铜锰电阻;另一种是200 kΩ合金电阻，这2种电阻均具有成本低、操作简单、精确度高等特点，通过将其设置为采样电阻，可以实现对电压、电流的实时监测和整理，并将其转化为相应的电信号[7]，还要借助HLW8112电能计量芯片，采用数字量的方式，将这些电信号安全、可靠地传输于芯片寄存器中。为了保证电力负荷数据采集的全面性和高效性，技术人员要将多个贴片合金电阻进行有效地连接，使其结合为统一的整体;同时，还要采用串联电阻的方式，尽可能解决单个电阻耐压水平低以及电网电压不稳定问题。在此基础上，还要借助HLW8112电能计量芯片，采用SPI通信方式，为本系统设计提供强大的硬件支持，以保证电力负荷数据输出的稳定性、可靠性和安全性。此外，数据采集模块主要适用于强电工作环境状态，为了确保该模块的可靠性和安全性，技术人员要借助光耦隔离芯片，将数据采集模块与主模块进行有效地隔离，通常，还要将HLW8112电能计量芯片的输出频率设置为7 012 Hz，该环节中所用到的高速光耦主要包含以下2种：一种是型号为EL357NB高速光耦;另一种是型号为PS8101高速光耦，通过利用2种高速电偶，可以提高SIP通信性能。只有这样，才能保证数据采集模块的实现效果，为用户带来良好的使用体验。

4.2主控模块设计

主控模块在具体的设计中，主要采用SPI通讯方式，对HLW8112电能计量芯片寄存器内的电力负荷相关数据进行获取和整理;同时，还要对各个功能模块进行初始化处理。当HLW8112电能计量芯片的11号引脚置于低状态时，该芯片自动选用工作模式;当HLW8112电能计量芯片的12号引脚置于低状态时[8]，该芯片自动选用SPI通信模式。另外，当时钟信号呈现出不断上升的状态时，需要将芯片寄存器的数值设置为“0”，主控模块会自动将0XE5相关指令传输并存储于芯片寄存器内，便于其他人员的查看和调用。在此基础上，还要根据相关指令，对寄存器进行开启和关闭控制，以实现对该寄存器运行状态的远程化、自动化控制。另外，当时钟信号呈现出不断下降的趋势时，主模块需要借助HLW8112电能计量芯片，根据所设置的寄存器存储地址[9]，精确地读取和整理电力负荷数据。对于主控模块而言，当向数据餐厨模块传输相应的读写指令时，要根据HLW8112电能计量芯片所对应的寄存器的第8位值，对指令类型进行科学判断和分析;如果第8位值为0，说明命令类型为读命令;如果第8位值为1，说明命令类型为写命令。

4.3通信模块设计

通信模块在具体的设计中，主要选用了型号为ESP8266芯片，该芯片具有组网快捷、传输效率高、安全可靠等特点，为了确保本系统能够安全、可靠地向云平台内传输数据，技术人员要选用透明传输模式，实现对电力负荷数据的安全化、高效化传输。此外，为了提高通信模块的实现效果，技术人员要借助OneNET平台，采用远距离通信方式，借助路由器，将各个网络终端进行有效地连接，以保证通信模块延伸距离。在传统配网模式下，通信模块需要借助新路由器，才能实现对路由账号和密码的有效修改和管理。但这种配网方式严重影响了本系统在实际工程中的应用效果，为了避免以上问题的发生，技术人员要采用网页配网方式，将用户的账号和密码安全、可靠地传输和存储于EEPROM寄存器内，确保各个新路由之间能够建立起动态化连接，当用户名和密码验证通过后，通信模块会自动实现对AT相关信息的科学配置。

5系统测试

为了更好地验证非侵入式负荷监测系统的可靠性和有效性，现将本系统应用于某电力企业中，并从系统性能测试、云平台在线监测测试2个环节出发，对系统的功能实现效果进行检验。

5.1系统性能测试

本系统内部装置共有2个电源端子。其中，一个电源端子用于对220 V市电的连接，以实现对电力供给情况的科学模拟;另一个电源端子主要用于对插座的连接，以实现对电力负荷应用效果的有效模拟。现将LED灯、电风扇、液晶显示器设置为本次试验对象，这些设备的功率分别为7、32、23 W;然后，分别设置和开启3种不同类型的电力负荷，此外，电力负荷不同，所对应的瞬时电流有效值也存在一定的差异。因此，要根据电力负荷取值情况，精确地测量出与之相对应的瞬时电流有效值。在此基础上，还要将测量结果的精确度作为衡量系统性能的重要指标，只有这样，才能保证多负荷投切处理效率和效果。此外，在对系统测量精度进行测试期间，技术人员要将型号为VIC-TORVC890D的万用表作为对比对象，与其测量数据精确性进行全面分析和对比，该万用表所对应的分辨率是量程的1/2 000;然后，利用本系统和万用表精确地测量3种不同类型电力负荷所对应的工作电流，将测量次数分别设置为1、50和100次，并测量出相应的电流平均值。最后，根据两者之间的相对误差，精确地测量出本系统的测量精确度。本系统与万用表测量结果进行对比，具体结果如表1所示。EA46B634-0AF5-4DF6-A7B4-3F876C0CC4E3

从表1中的数据可以看出，本系统经过多次测量后，与万用表平均电流值相比，两者之间的相对误差低于1%，这说明本系统的测量精度较高，达到了99%。由此可见，通过利用本系统可以最大限度地提高电力负荷测量数据的精确度。另外，在对其他性能指标进行测试期间，需要将LED灯、电风扇、液晶显示器全部设置为开启状态，然后，对这些设备的瞬时电流有效值进行采集。在此基础上，针对电流波形的变化趋势，对本系统性能进行测试，判断其是否出现多负荷投切现象。3种电力负荷电流波形数据变化图如图4所示。

从图4可以看出，本系统在对电力负荷进行监测期间，所监测的数据主要包含以下2种：一种是暂态过程数据;另一种是稳态过程数据，这些数据均详细地描述了系统自身所展现的电气特性，为实现电力负荷的非侵入式识别提供重要的依据和参考。

5.2云平台在线监测测试

OneNET作为我国重要的物联网开发平台，主要是由国内移动公司开发的，通过利用该平台，不仅可以实现对各个负荷监测系统的有效连接，还能保证监测系统的开发部署效率和效果，为更好地验证本系统的在线监测性能打下坚实的基础。电力负荷数据监测界面，具体如图5所示。

从图5可以看出，位于左边的折现图将电力负荷所对应的历史负荷信息真实有效地呈现在用户面前，位于右侧的仪表盘主要向用户真实、形象地展示电力负荷所对应的实时信息。用户通过借助浏览器客户终端，登录云平台后，系统会自动跳转到监测界面上;然后，将电力负荷相关电压、电阻、电流以及功率等相关信息形象、直观地呈现在用户面前，便于用户通过分析和对比这些数据后，可以全面地了解和把握电力负荷历史工况信息。

6结语

綜上所述，本文所设计的非侵入式负荷监测系统，具有精确度高、维护简单、抗磁场干扰性能强等特点，主要用于对单负荷工况或者多负荷工况的监测，检测精度较高，高达99%以上。通过利用本系统，不仅可以实现对负荷电压值、电流值以及功率值的精确获取，还可以全面获取和把握电压峰值、波形图等相关电力参数;另外，本系统在传输数据期间，主要采用了2种通信方式：一种是串口通信方式;另一种是WiFi通信方式，可以实现对负荷电力参数的精确采集和打印，便于用户通过登录和访问OneNET云平台，对用电负荷进行远程化、在线化监测和控制，为提高智能电网优化调度水平提供重要的平台支持。由此可见，非侵入式负荷监测系统具有非常高的应用价值和应用前景，值得被进一步推广和应用。

【参考文献】

[1]周晓，李永清，谢路耀.基于HLW8112的非侵入式电力负荷监测装置[J].粘接，2020，48（6）：605-610.

[2]孙毅，崔灿，张璐，等.智能用电非侵入式负荷监测系统研究[J].粘接，2019，34（2）：155-160.

[3]王凯，耿悦桐，周宇昊，等.非侵入式负荷监测终端设计与实现[J].电脑知识与技术，2020（10）：50-52.

[4]吴万强，彭良福，甘桂，等.基于SOPC的实验室负荷智能监测装置[J].实验室研究与探索，2020，39（6）：78-82.

[5]阿蓉.场景自适应的非侵入式负荷识别算法研究[D].武汉：华中科技大学，2020，26（14）：21-22.

[6]蔡志强.基于智能电表的非侵入式负荷识别算法研究[D].天津：天津大学，2019，33（17）：45-46.

[7]韩璐.非侵入式居民负荷智能辨识算法研究[D].北京：华北电力大学，2019.

[8]汪卫刚，黄言态，张祝良.一种基于非侵入式电器设备监测及识别方法[J].日用电器，2021（1）：106-109.

[9]姚勋.低压电力负荷的非侵入式辨识技术研究[D].南京：东南大学，2016.EA46B634-0AF5-4DF6-A7B4-3F876C0CC4E3