CN104965108A - 用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表及预警方法，包括一电表箱，电表箱内包括：一电能表；电量、电压接入器，连接电能表，将每月用电量、每天电压数据的模拟信号转换为数字信号传送至越限预警控制器；越限预警控制器，通过该电量、电压接入器连接至电能表，用于计算当月用电量和监测当天电压，并将当月用电量、当天电压与预先通过模糊聚类算法得到的一个以上的阶梯电量预警值、电压预警值进行实时对比，根据对比结果输出不同的预警信号；预警器，连接越限预警控制器，通过本发明，可有效解决现有电能表不具备针对阶梯度数和电压质量监控功能的问题，实现了在预超过阶梯度数和允许电压时向用户发出提示及预警的目的。

Description

用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表及预警方法

技术领域

本发明涉及一种智能电表，特别是涉及一种用于预警阶梯越限和电压越限的智能电表及其预警方法。

背景技术

目前，我国绝大多数城市已经推出了阶梯式电价政策，阶梯式电价是指把户均用电量设置为若干个阶梯分段或分档次定价计算费用。对居民用电实行阶梯式递增电价，其目的在于，实现细分市场的差别定价，提高居民用电效率，可以提高能源效率，减少能源浪费、引导居民养成良好的用电习惯。然而，我国居民很多都没有良好的节约用电意识，很少有人会定期查看电能表电量，大多数居民都是等见到电费账单才知道每月用了多少电量，因此，阶梯式电价政策很多时候并没有发挥出应有的作用。现有技术的电能表并不具备针对阶梯度数的监控功能，也不能在超过阶梯度数时向用户发出提示或预警。

另外，随着科技的发展和进步，不管是企业用电设备还是家用电器，其功能越来越强大，在给人们生活带来极大便利的同时，也让故障的出现几率越来越高，轻则电气设备罢工，重则对人们的生命财产造成损失，酿成安全事故。用电设备对电能质量的依赖日益突出。电压作为电能质量的一个指标。各种电气设备都设计在额定电压下工作。当用户端电压波动超过允许值时，则用电设备的性能、生产效率、产品质量等都将受到不同程度的影响：(1)电压过低对于高能源消耗的电器，特别是空调、电冰箱等，造成难以启动、电流过大、过热、效率降低；(2)电压过高会造成各种电器过压击穿，烧毁等故障。又如，当异步电动机端子电压为负偏差时，负荷电流将增大，起动转矩、最大转矩和最大负荷能力均显著减小，严重时甚至不能起动或堵转；当电压为正偏差时，转矩增加，严重时可能导致联轴器剪断，或损坏设备。而现有技术的智能电表并没有涉及到用户对电压质量的监测和预警。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表及其预警方法，其可以有效解决现有技术的电能表不具备对阶梯度数和电压质量监控功能的问题，实现了在预超过阶梯度数和预超过允许电压时向用户发出提示或预警的目的。

为达上述及其它目的，本发明提出一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表，包括一电表箱，该电表箱内包括：

一电能表；

电量、电压接入器，连接该电能表，将每月用电量、每天电压数据的模拟信号转换为数字信号传送至越限预警控制器；

越限预警控制器，通过该电量、电压接入器连接至该电能表，采用模糊聚类特性预警方法，根据不同的结果，输出不同的预警信号。

预警器，连接该越限预警控制器。

进一步地，所述预警器包括一四色LED灯及一蜂鸣器，所述四色LED灯与蜂鸣器连接所述越限预警控制器。

进一步地，所述电能表箱外壁上设有一LED复位开关，所述LED复位开关连接至所述四色LED灯。

进一步地，所述预警器还包括一通讯模块，所述通讯模块连接所述越限预警控制器。

进一步地，所述越限预警控制器根据模糊聚类特性预警方法得到一个以上的阶梯电量预警值以及电压预警值，该阶梯电量预警值包括第一阶梯电量值、第二阶梯电量值、第三阶梯电量值阈值和电压阈值。

进一步地，所述当月用电量为从将电能表的实时示数与当月月初的电量示数作差处理获取而得。

为达到上述目的，本发明还提供一种用于预警阶梯越限和阶梯越限的智能电表的预警方法，包括如下步骤：

步骤一，电量、电压接入器将每月用电量和每天电压数据的模拟信号转换为数字信号，并传送至越限预警控制器。

步骤二，越限预警控制器接收每月用电量和每天电压数据，采用模糊聚类预警算法，在电量即将超过第一、二、三阶梯电量时，给出相应的电量预警指令；当电压快超过允许值时，作出相应的电压预警指令。

步骤三，根据不同的指令，输出不同的预警信号。

进一步地，在步骤三中，在越限预警控制器输出的预警信号之后，还可通过通讯模块将结果通知给用户。

进一步地，步骤二中，如果当月用电量大于第一阶梯电量预警值且小于第二阶梯电量预警值，所述越限预警控制器输出第一预警信号；如果当月用电量大于第二阶梯电量预警值且小于第三阶梯电量预警值，所述越限预警控制器输出第二预警信号；如果当月用电量大于第三阶梯电量预警值，所述越限预警控制器输出第三预警信号。

进一步地，所述第一、二、三阶梯电量及电压阈值采用模糊聚类特性预警方法获得，该模糊聚类特性预警方法包括如下步骤：

获取大量历史数据；

对数据进行标准化处理；

建立模糊相似矩阵；

取不同的置信水平λ∈[0,1]，构成动态聚图；

对预警对象进行分类，并确定每类的预警阈值。

与现有技术相比，本发明提供一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表及其预警方法，通过采用越限预警控制器将接收到的当月用电量、每天电压与模糊聚类算法得到的阈值进行比较，根据对比结果的不同，输出不同的预警信号，有效地解决了现有技术的电能表并不具备针对阶梯度数和电压质量的监控功能的问题，实现了在超过阶梯度数和允许电压时向用户发出提示和预警的目的。

附图说明

图1为本发明一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表及其预警方法的结构示意图；

图2为本发明一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法的步骤流程图。

图3为本发明一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法的预警方法示意图。

图4为本发明一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法的预警方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的结构示意图。如图1所示，本发明型涉及一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表，包括一电能表箱1，电能表箱1内包括一电能表2、一电量、电压接入器3、一越限预警控制器4以及一预警器5，越限预警控制器4通过电量、电压接入器3连接至电能表2，越限预警控制器4连接至预警器5；预警器5包括一四色LED灯51、一蜂鸣器52以及一GSM通讯模块53，越限预警控制器4连接至四色LED灯51、蜂鸣器52以及GSM通讯模块53。

其中，电量、电压接入器3为八通道模数转换器，优选采用ADC0809芯片，将电能表2中代表每月用电量、每天电压数据的模拟信号转换为数字信号，传送至越限预警控制器4。ADC0809芯片是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道、8位逐次逼近式A/D模数转换器。

越限预警分析器4为八位微处理器，优选采用AT89S52芯片，接收每月用电量和每天电压数据，采用模糊聚类特性预警方法，根据不同的结果，输出不同的预警信号。AT89S52芯片为是美国爱特梅尔半导体(ATMEL)公司开发的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。越限预警控制器4中使用的工作软件为现有技术中常用的软件KEILC51，可以无修改直接应用于越限预警控制器4。

预警器5包括一四色LED灯51、一蜂鸣器52以及一通讯模块53，四色LED灯51包括一红色LED灯、一黄色LED灯以及一绿色LED灯。电能表箱1外壁上设有一LED复位开关6，LED复位开关6连接至四色LED灯51。四色LED灯51亮起后，需要用户通过按下LED复位开关6进行人工复位，使得四色LED灯51关闭。预警器5接收到越限预警控制器4输出的预警信号，四色LED灯51、蜂鸣器52以及通讯模块53皆可以对各种不同的预警信号作出响应。在本发明较佳实施例中，通讯模块53采用GSM通讯模块，但不以此为限。

本发明可以参照当地的具体阶梯电价标准，结合模糊聚类算法设置三档阶梯电量预警值和电压预警值，包括第一阶梯电量预警值、第二阶梯电量预警值、第三阶梯电量预警值和电压预警值。本发明测取的当月用电量是从将电能表的实时示数与当月月初的电量示数作差处理获取的当月用电量。本发明内的GSM通讯模块53可设置用户的手机号码(QQ、微信或者微博账号等)，接收到越限预警控制器4输出的预警信号之后，可以发送相应内容的短消息至用户的手机中。

在实时对比过程中，如果当月用电量大于第一阶梯电量预警值且小于第二阶梯电量预警值，越限预警控制器4输出第一预警信号，四色LED灯51中的绿灯亮，蜂鸣器52发出预警声，同时通过GSM通讯模块53向用户手机发送短消息进行提示。如果当月用电量大于第二阶梯电量预警值且小于第三阶梯预警电量值，越限预警控制器4输出第二预警信号，四色LED灯51中的黄灯亮，蜂鸣器52发出预警声，同时通过GSM通讯模块53向用户手机发送短消息进行提示。如果当月用电量大于第三阶梯电量预警值，越限预警控制器4输出第三预警信号，四色LED灯51中的红灯亮，蜂鸣器52发出预警声，同时通过GSM通讯模块53向用户手机发送短消息进行提示。如果当天电压超过电压预警值，越限预警控制器4输出第四预警信号，四色LED灯51中的蓝灯亮，蜂鸣器52发出预警声，同时通过GSM通讯模块53向用户手机发送短消息进行提示用户。用户听到蜂鸣器52的预警声后，可以根据四色LED灯51中的亮灯信号，判断用户当月用电量是处于哪一阶段或电压质量情况。若用户不在本发明型附近，蜂鸣器52发出的预警声在持续30秒后自动复位，而四色LED灯51亮起后，需要用户通过按下LED复位开关6进行人工复位。而且不管用户在不在本发明附近，都可以通过手机接收到提示短消息。

图2为本发明一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法，包括如下步骤：

步骤201，电量、电压接入器将每月用电量和每天电压数据的模拟信号转换为数字信号，并传送至越限预警分析器。

步骤202，越限预警控制器接收每月用电量和每天电压数据，采用模糊聚类预警算法，在电量即将超过第一、二、三阶梯电量时，给出相应的电量预警指令；当电压快超过允许值时，作出相应的电压预警指令。

步骤203，根据不同的指令，输出不同的预警信号。

较佳的，在步骤203中，在越限预警控制器输出的预警信号之后，还可通过通讯模块将结果通知给用户。

具体地说，步骤二中，本发明可以参照当地的具体阶梯电价和电压标准，利用模糊聚类特性预警方法获得并设置三档阶梯电量预警值和电压预警值，包括第一阶梯电量预警值、第二阶梯电量预警值、第三阶梯电量预警值和电压预警值。在实时对比过程中，如果当月用电量大于第一阶梯电量预警值且小于第二阶梯电量预警值，越限预警控制器输出第一预警信号，预警器5的四色LED灯51中的绿灯亮，蜂鸣器52发出预警声，同时通过GSM通讯模块53向用户手机发送短消息进行提示。如果当月用电量大于第二阶梯电量值且小于第三阶梯电量值，越限预警控制器4输出第二预警信号，四色LED灯51中的黄灯亮，蜂鸣器52发出预警声，同时通过GSM通讯模块53向用户手机发送短消息进行提示。如果当月用电量大于第三阶梯电量预警值，越限预警控制器4输出第三预警信号，四色LED灯51中的红灯亮，蜂鸣器52发出预警声，同时通过GSM通讯模块53向用户手机发送短消息进行提示。如果当天电压超过电压预警值，越限预警控制器4输出第四预警信号，四色LED灯51中的蓝灯亮，蜂鸣器52发出预警声，同时通过GSM通讯模块53向用户手机发送短消息进行提示用户。用户听到蜂鸣器52的预警声后，可以根据四色LED灯51中的亮灯信号，判断用户当月用电量是处于哪一阶段或者当天电压质量情况。若用户不在本发明型附近，蜂鸣器52发出的预警声在持续30秒后自动复位，而四色LED灯51亮起后，需要用户通过按下LED复位开关6进行人工复位。而且不管用户在不在本发明附近，都可以通过手机接收到提示短消息。

以下具体介绍本发明采用的聚类特性预警方法：

1、模糊聚类算法的数学模型

模糊聚类分析的实质是根据研究对象本身的属性来构造模糊矩阵，在此基础上根据一定的隶属度来确定其分类关系。模糊聚类算法的基础步骤：

1)数据标准化

(1)获取原始数据

设论域X＝{x₁，x₂，…x_n}为被分类的对象，每个对象由m个指标表示其形态，即x_i＝{x_i1，x_i2，…x_im}，i＝1，2，…n，于是得到原始数据矩阵A＝(x_ij)_m×n

(2)数据的标准化处理

在实际问题中，不同的数据一般有不同的量纲，为使不同的量纲也能进行比较，通常需要对数据做适当的变换，即根据模糊矩阵的要求，对数据进行标准化，将数据压缩到[0,1]

①平移-标准差变换

$x_{\mathrm{ij}}^{\′}=\frac{x_{\mathrm{ij}}-{\stackrel{\‾}{x}}_j}{s_j},j=\mathrm{1,2}...m$ 式中， ${\stackrel{\‾}{x}}_j=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}};s_j={\left[\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{\mathrm{ij}}-{\stackrel{\‾}{x}}_j)}^2\right]}^{1/2},j=\mathrm{1,2}....m$

②平移-极差变换

如果经过平移-标准差变换后还有些则还需对其进行平移-极差变换，即

显然所有的x_ij∈[0,1]，且不存在量纲因素的影响，从而可以得到模糊矩阵R＝(x″_ij)_n×m

2)建立模糊相似矩阵。

相似系数rⁱ _j的求解有多种方法，现采用欧氏距离法：

r_ij＝1-c·d(x_i，x_j)

式中：c为任意选取的参数，它使得0≤r_ij≤1，d(x_i,x_j)表示x_i和x_j之间的距离，即

$d(x_i,x_j)=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{\mathrm{ik}}-x_{\mathrm{jk}})}^2}$

3)形成动态聚图

对于不同的置信水平λ∈[0,1]可以得到不同的分类结果，从而形成动态聚类图。常用的方法有传递闭包法、布尔矩阵法、直接聚类法。这里采用传递闭包法：从上一步中求出的模糊相似矩阵R出发，来构造一个模糊等价矩阵R'。其方法就是用平方法求出R的传递闭包t(R)则t(R)＝R'；然后由大到小取一组λ∈[0,1]，确定相应λ戴矩阵，则可以将其分类，同时也可以构成动态聚类图。

2预警阈值的设置方法

同类型的预警对象其指标值较为接近，故本发明中采用算术平均法来设置预警阈值。

具体的设置方法是：设预警对象共N个，模糊聚类后根据具体的动态聚类结果将预警对象分为n类，共m个指标，则第m个指标中第n类的预警阈值

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mn}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}$

其中，x_im为第i个对象的m个指标的值。

3、越限预警方法和预警流程

图3为本发明较佳实施例中电量、电压预警方法示意图，图4为本发明具体的电量、电压越限预警流程示意图。首先，根据某类电量、电压指标的国家标准限值和经模糊聚类后设置的预警阈值可将该类指标值分为4个区域：A，小于国标限值且大于预警阈值：B，大于国标限值且大于预警阈值；C，小于国标限值且小于预警阈值；D，大于国标限值且小于预警阈值。

电量、电压预警步骤：首先对电表给出的监测数据进行数据处理并进行是否超国标判断：然后读入对大量历史数据进行模糊聚类分析后所设置的预警阈值：最后对处理后的电量、电压指标数据进行预警判别，即可知道所监测的指标值属于A，B，C，D4个区域中的哪一区域。若属于A区域或者B区域，则需进行告警并根据实际的应用场合对电能质量的要求做出是否给出决策的判断；若属于C区域或者D区域，则不需要告警。

综上所述，本发明提供一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表及其预警方法，通过采用越限预警控制器将接收到的当月用电量、每天电压与模糊聚类算法得到的阈值进行比较，根据对比结果的不同，输出不同的预警信号，有效地解决了现有技术的电能表并不具备针对阶梯度数和电压质量的监控功能的问题，实现了在超过阶梯度数和允许电压时向用户发出提示和预警的目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表，包括一电表箱，其特征在于：该电表箱内包括：

一电能表；

电量、电压接入器，连接该电能表，将每月用电量、每天电压数据的模拟信号转换为数字信号传送至越限预警控制器；

越限预警控制器，通过该电量电压接入器连接至该电能表，用于计算当月用电量和监测当天电压，利用模糊聚类特性预警方法得到阶梯电量预警值和电压预警值，根据对比结果的不同，输出不同的预警信号；

预警器，连接该越限预警控制器。

2.如权利要求1所述的一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表，其特征在于：所述预警器包括一四色LED灯及一蜂鸣器，所述四色LED灯与蜂鸣器连接所述越限预警控制器。

3.如权利要求2所述的一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表，其特征在于：所述电能表箱外壁上设有一LED复位开关，所述LED复位开关连接至所述四色LED灯。

4.如权利要求3所述的一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表，其特征在于：所述预警器还包括一通讯模块，所述通讯模块连接所述越限预警控制器。

5.如权利要求4所述的一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表其特征在于：所述越限预警控制器根据模糊聚类特性预警方法得到一个以上的阶梯电量预警值以及电压预警值，该阶梯电量预警值包括第一阶梯电量值、第二阶梯电量值、第三阶梯电量值阈值和电压阈值。

6.如权利要求5所述的一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表，其特征在于：所述当月用电量为从将电能表的实时示数与当月月初的电量示数作差处理获取而得。

7.一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法，包括如下步骤：

步骤一，电量、电压接入器将每月用电量、每天电压数据的模拟信号转换为数字信号，并传送至越限预警控制器。

步骤二，越限预警控制器接收每月用电量和每天电压数据，利用模糊聚类特性预警方法，在电量即将超过第一、二、三阶梯电量时，给出相应的电量预警指令；当电压超过电压阈值时，作出相应的电压预警指令。

步骤三，根据不同的指令，输出不同的预警信号。

8.如权利要求7所述的一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法，其特征在于：在步骤三中，在越限预警控制器输出的预警信号之后，还通过通讯模块将结果通知给用户。

9.如权利要求8所述的一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法，其特征在于：步骤二中，如果当月用电量大于第一阶梯电量预警值且小于第二阶梯电量预警值，所述越限预警控制器输出第一预警信号；如果当月用电量大于第二阶梯电量预警值且小于第三阶梯电量预警值，所述越限预警控制器输出第二预警信号；如果当月用电量大于第三阶梯电量预警值，所述越限预警控制器输出第三预警信号；如果当天电压大于电压预警值，所述越限预警控制器输出第四预警信号。

10.如权利要求7所述的一种用于预警阶梯电量越限和电压越限的智能电表的预警方法，其特征在于，所述第一、二、三阶梯电量及电压阈值采用模糊聚类特性预警方法获得，该模糊聚类特性预警方法包括如下步骤：

获取大量历史数据；

对数据进行标准化处理；

建立模糊相似矩阵；

取不同的置信水平λ∈[0,1]，构成动态聚类图；

对预警对象进行分类，并确定每类的预警阈值。