CN112039218A - 一种用于商业环境的电器精细化用电监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用电监测领域，公开了一种用于商业环境的电器精细化用电监测方法及系统，考虑到非介入式算法在商业场景实现的难度，本发明从硬件形式与工程安装方面入手，用介入式和非介入式组合的方式，同时结合独立负荷插座的方式，将疑难负荷从总量特性中通过直接采集的方式进行解耦，完成商业环境下不同特性负荷的精细化用电监测。本发明在保证综合实施运维成本较低的前提下，其电器监测种类和精度完全达到介入式直接测量的水平，具有实际的大规模推广价值；而且系统的各装置之间通信完全采用电力线载波的方式，无需增加任何外部通信介质，不依靠任何外部通信环境，通过供电线路直接传输分析结果，达到实施运维零成本和高稳定性的状态。

Description

一种用于商业环境的电器精细化用电监测方法及系统
技术领域
本发明涉及用电监测领域，尤其是一种用于商业环境的电器精细化用电监测方法及系统。
背景技术
通过对居民、商业、工业用户等主要用电负荷特征进行采集和分析，其分析结果为电力公司开展全社会负荷特性分析、综合能源潜力挖掘、能效评估与用电模式优化、精细化需求侧互动管理以及用电安全规范化管理等，提供有效数据支撑和辅助决策依据。相比于居民负荷，工商业负荷能耗占比更大，因而对于工商业用户的用电信息感知和反馈能够带来显著的经济效益和社会效益。
当前非介入式技术面向居民用户的应用已经开展并达到了一定的深度，取得了较好的效果。但面向商业用户场景的非介入式方法还未作深入研究和应用，由于商业负荷对比居民负荷具有行业多样、设备专用、负荷密集、习惯多样等的特点，因此目前商业负荷采用非介入式方法进行监测和辨识还存在一定难度。
因此，亟需研制一种装置和相关系统，通过算法、硬件、工程方法结合，完成商业场景中不同特性用电负荷的用电信息提取与用电行为的精细化监测。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种用于商业环境的电器精细化用电监测方法及系统，考虑到非介入式算法在商业场景实现的难度，本发明从硬件形式与工程安装方面入手，用介入式和非介入式组合的方式，同时结合独立负荷插座的方式，将疑难负荷从总量特性中通过直接采集的方式进行解耦，完成商业环境下不同特性负荷的精细化用电监测。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于商业环境的电器精细化用电监测方法，包括以下步骤：
利用介入式回路监测配电箱中的照明回路和空调回路，并将通过介入式算法处理后的监测结果上传到系统主站；
利用非介入式回路监测配电箱中的插座回路；
将插座回路中存在的小功率电器定义为疑难负荷，利用智能插座的方式监测疑难负荷并将监测结果上传到系统主站；
将插座回路中除疑难负荷之外的负荷定义为可分解负荷，剔除疑难负荷的特征信息后，再将可分解负荷通过非介入式算法进行分解和辨识，并将处理后的监测结果上传到系统主站。
一种能够实现用于商业环境的电器精细化用电监测方法的系统，包括主装置和子装置。
所述主装置包括介入式回路、非介入式回路、采集模块、信号调理模块、用电分析模块、第一同步时钟模块、第一高速存储模块、第一载波通信模块、4G通信模块和第一AC-DC供电模块；所述介入式回路为多个且每一所述介入式回路分别用于监测相应的照明回路或空调回路；所述非介入式回路为多个且每一所述非介入式回路分别用于监测相应的插座回路；所述采集模块为多个，并使每一所述介入式回路和每一所述非介入式回路分别配备有一所述采集模块，每一所述采集模块分别负责对所述介入式回路或所述非介入式回路进行高频数据采集；所述信号调理模块用于对前级各个所述采集模块所采集的数据进行滤波，之后再传输给所述用电分析模块；所述用电分析模块用于对前级各个所述采集模块所处理的数据进行监测回路模式判断，并按照不同模式进行介入式或非介入式算法处理，同时通过电力载波通信的方式获取子装置传输的疑难负荷的用电监测信息，最终通过4G通信方式将监测结果上传到所述系统主站；所述第一同步时钟模块负责整个系统的对时、时标同步工作，同时为辨识结果定义时间标签；所述第一高速存储模块用于接收并存储所述用电分析模块输出的分解结果，同时接收所述用电分析模块的指令将分解结果传输到所述系统主站；所述第一载波通信模块用于与所述子装置进行通信，并获取相关疑难负荷的用电监测信息；所述4G通信模块用于与所述系统主站进行通信，将监测环境中所有电器的用电监测信息传输到所述系统主站；所述第一AC-DC供电模块为所述主装置提供电源。
所述子装置包括独立高频采集模块、MCU模块、第二同步时钟模块、第二高速存储模块、第二载波通信模块和第二AC-DC供电模块；所述独立高频采集模块负责对插座回路中的疑难负荷进行高频数据采集；所述MCU模块用于对所述独立高频采集模块进行控制并获取疑难负荷的用电监测信息，同时驱动所述第二载波通信模块和所述第二高速存储模块进行数据传输和数据存储；所述第二同步时钟模块负责接收所述主装置下发的时间信息，同时为辨识结果定义时间标签；所述第二高速存储模块用于接收并存储所述MCU模块输出的疑难负荷的用电监测信息，同时接收所述MCU模块的指令将疑难负荷的用电监测信息传输到所述主装置；所述第二载波通信模块用于与所述主装置进行通信，并将疑难负荷的用电监测信息传输到所述主装置；所述第二AC-DC供电模块为所述子装置提供电源。
进一步地，每一所述插座回路中分别配备有多台所述子装置，在同一所述插座回路中每一所述子装置分别用于监测一种疑难负荷。
进一步地，所述主装置还包括SD卡存储模块，所述SD卡存储模块负责通过接口将分解结果同时存储到SD卡中，以供运维人员在现场直接读取监测结果并进行分析。
进一步地，所述采集模块选用24bit高速SPI差分模式转换器作为核心芯片，其型号为：MAX11200EEE+；所述信号调理模块采用共模滤波器，其型号为：ACM1211-102-2PL-TL01；所述用电分析模块选用32位，主频216Mhz的ARM芯片，其型号为：STM32F765ZIT6；所述第一同步时钟模块的型号为：M48T35Y-70PC1；所述第一高速存储模块采用高速串行NOR-Flash，型号为：S25FL512SAGMFI011；所述SD卡存储模块的型号为：SDCMF-10915W0T1；所述第一载波通信模块的型号为：ST7538；所述4G通信模块的型号为：SIM7600CE；所述第一AC-DC供电模块的型号为：TEA1755T。
进一步地，所述独立高频采集模块采用专用高速计量芯片，将模数转换和信号调理功能集成到独立芯片中，其型号为：ADE7758ARWZ；所述MCU模块的型号为：PIC24FJ64GA704-I/PT；所述第二同步时钟模块的型号为：DS1307Z；所述第二高速存储模块采用高速串行NOR-Flash，型号为：S25FL512SAGMFI011；所述第二载波通信模块的型号为：ST7538；所述第二AC-DC供电模块的型号为：TPS767D301PWP。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.目前商业环境用电监测多依靠多功能电表等介入式方法进行监测，虽然监测精度较高，但需要安装大量的电表，并对原有线路进行改造，实施运维成本较高；而非介入式监测方式可以很好的解决实施成本和线路改造工作量大的问题，但其算法对于商业环境中的复杂负荷又达不到理想程度，无法进行工程化推广。而本发明的优点在于，充分考虑了介入式和非介入式两种方法各自优缺点，通过对传统装置的改造，研制了介入式和非介入式方法结合的硬件装置系统，在保证综合实施运维成本较低的前提下，其电器监测种类和精度完全达到介入式直接测量的水平，具有实际的大规模推广价值。
2.常规的用电监测系统，其各个终端和集中器之间的通信方式往往采用485、以太网或者WiFi的方式，但此类通信方式，往往会增加额外的通信通道或由于环境条件引起通信不稳定，增加后期运维成本。而本发明的优点在于，装置之间通信完全采用电力线载波的方式，无需增加任何外部通信介质，不依靠任何外部通信环境，通过供电线路直接传输分析结果，达到实施运维零成本和高稳定性的状态。
附图说明
为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节来描述和解释本发明。
图1为本发明中主装置的原理图；
图2为本发明中子装置的原理图；
图3为本发明中系统的架构图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明：
本发明提供了一种用于商业环境的电器精细化用电监测方法，包括以下步骤：
利用介入式回路监测配电箱中的照明回路和空调回路，并将通过介入式算法处理后的监测结果上传到系统主站；
利用非介入式回路监测配电箱中的插座回路；
将插座回路中存在的小功率电器定义为疑难负荷，利用智能插座的方式监测疑难负荷并将监测结果上传到系统主站；
将插座回路中除疑难负荷之外的负荷定义为可分解负荷，剔除疑难负荷的特征信息后，再将可分解负荷通过非介入式算法进行分解和辨识，并将处理后的监测结果上传到系统主站。
为了实现上述的方法，本发明还提供了一种用于商业环境的电器精细化用电监测系统，如图3所示，该系统由1台主装置（介入式与非介入式组合测量装置）和多台子装置（解耦插座）组成，其中主装置为6路监测装置，其中4路为介入式回路，2路为非介入式回路，一般安装在商业场景中独立的配电箱中，在该配电箱中一般包含两个照明负荷、两个空调负荷以及两个插座负荷。由于商业场景下，通过非介入式算法对照明负荷和空调负荷进行分解和辨识的精确度受环境和设备类型影响较大，且结果不稳定，因此对于照明负荷和空调负荷直接采用介入式回路进行监测，即4个介入式回路，通过直接测量的方式，监测配电箱中两个照明负荷和两个空调负荷；而对于两个插座负荷则采用2个非介入式回路进行监测，通过非介入式算法，直接对插座负荷进行分解和辨识；值得说明的是，在插座负荷回路中，还存在着功率较小的电器，例如，净水器、净化器、电视、充电器、榨汁机等疑难负荷，此类负荷也无法通过算法直接辨识，因此要通过子装置直接对此类负荷进行支路监测。子装置在本系统中可以配置1-8个，子装置通过智能插座的方式监测上述多个疑难负荷，其中每一插座回路中分别配备有2-4台子装置，在同一插座回路中每一台子装置仅对应监测一种疑难负荷，同时通过电力载波通信的方式，将监测结果直接上传到主装置中，主装置收到疑难负荷的采集信息后，剔除疑难负荷的特征信息后，排除其对插座回路的干扰后，再对插座回路余下的负荷特征进行非介入式方法分解与辨识，最终完成照明负荷、空调负荷、疑难负荷、可分解辨识负荷等商业场景下全部电器的用电状态精细化监测。全部监测结果，最终通过主装置上传到系统主站，相关运维人员和用户可以通过系统Web端和手机APP查看各个电器精细化监测结果。
如图1所示，主装置包括介入式回路、非介入式回路、采集模块、信号调理模块、用电分析模块、第一同步时钟模块、第一高速存储模块、SD卡存储模块、第一载波通信模块、4G通信模块和第一AC-DC供电模块。
介入式回路为多个且每一介入式回路分别用于监测相应的照明回路或空调回路。
非介入式回路为多个且每一非介入式回路分别用于监测相应的插座回路。
采集模块为多个，并使每一介入式回路和每一非介入式回路分别配备有一采集模块，每一采集模块分别负责对介入式回路或非介入式回路进行高频数据采集；为保证电器精细化用电信息采集，采集模块选用24bit高速SPI差分模式转换器作为核心芯片，其型号为：MAX11200EEE+。
信号调理模块用于对前级各个采集模块所采集的数据进行滤波，之后再传输给用电分析模块；信号调理模块采用共模滤波器，其型号为：ACM1211-102-2PL-TL01。
用电分析模块用于对前级各个采集模块所处理的数据进行监测回路模式判断，并按照不同模式进行介入式或非介入式算法处理，同时通过电力载波通信的方式获取子装置传输的疑难负荷的用电监测信息，最终通过4G通信方式将监测结果上传到系统主站；由于用电分析模块计算工作量较大，因此选用32位，主频216Mhz的ARM芯片，其型号为：STM32F765ZIT6。
第一同步时钟模块负责整个系统的对时、时标同步工作，同时为辨识结果定义时间标签；第一同步时钟模块的型号为：M48T35Y-70PC1。
第一高速存储模块用于接收并存储用电分析模块输出的分解结果，同时接收用电分析模块的指令将分解结果传输到系统主站；第一高速存储模块采用高速串行NOR-Flash，型号为：S25FL512SAGMFI011。
SD卡存储模块负责通过接口将分解结果同时存储到SD卡中，以供运维人员必要时在现场直接读取监测结果并进行分析；SD卡存储模块的型号为：SDCMF-10915W0T1。
第一载波通信模块用于与子装置进行通信，并获取相关疑难负荷的用电监测信息；第一载波通信模块的型号为：ST7538。
4G通信模块用于与系统主站进行通信，将监测环境中所有电器的用电监测信息传输到系统主站；4G通信模块的型号为：SIM7600CE。
第一AC-DC供电模块为主装置提供电源，为整个主装置提供动力；第一AC-DC供电模块的型号为：TEA1755T。
如图2所示，子装置包括独立高频采集模块、MCU模块、第二同步时钟模块、第二高速存储模块、第二载波通信模块和第二AC-DC供电模块。
独立高频采集模块负责对插座回路中的疑难负荷进行高频数据采集；由于只有单路采集，独立高频采集模块采用专用高速计量芯片，将模数转换和信号调理功能集成到独立芯片中，其型号为：ADE7758ARWZ。
MCU模块用于对独立高频采集模块进行控制并获取疑难负荷的用电监测信息，同时驱动第二载波通信模块和第二高速存储模块进行数据传输和数据存储，为子装置的核心模块；MCU模块的型号为：PIC24FJ64GA704-I/PT。
第二同步时钟模块负责接收主装置下发的时间信息，同时为辨识结果定义时间标签；第二同步时钟模块的型号为：DS1307Z。
第二高速存储模块用于接收并存储MCU模块输出的疑难负荷的用电监测信息，同时接收MCU模块的指令将疑难负荷的用电监测信息传输到主装置；第二高速存储模块采用高速串行NOR-Flash，型号为：S25FL512SAGMFI011。
第二载波通信模块用于与主装置进行通信，并将疑难负荷的用电监测信息传输到主装置；第二载波通信模块的型号为：ST7538。
第二AC-DC供电模块为子装置提供电源，为整个子装置提供动力；第二AC-DC供电模块的型号为：TPS767D301PWP。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种用于商业环境的电器精细化用电监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用介入式回路监测配电箱中的照明回路和空调回路，并将通过介入式算法处理后的监测结果上传到系统主站；
利用非介入式回路监测配电箱中的插座回路；
将插座回路中存在的小功率电器定义为疑难负荷，利用智能插座的方式监测疑难负荷并将监测结果上传到系统主站；
将插座回路中除疑难负荷之外的负荷定义为可分解负荷，剔除疑难负荷的特征信息后，再将可分解负荷通过非介入式算法进行分解和辨识，并将处理后的监测结果上传到系统主站。
2.一种能够实现权利要求1所述的方法的系统，其特征在于，包括主装置和子装置；
所述主装置包括介入式回路、非介入式回路、采集模块、信号调理模块、用电分析模块、第一同步时钟模块、第一高速存储模块、第一载波通信模块、4G通信模块和第一AC-DC供电模块；
所述介入式回路为多个且每一所述介入式回路分别用于监测相应的照明回路或空调回路；
所述非介入式回路为多个且每一所述非介入式回路分别用于监测相应的插座回路；
所述采集模块为多个，并使每一所述介入式回路和每一所述非介入式回路分别配备有一所述采集模块，每一所述采集模块分别负责对所述介入式回路或所述非介入式回路进行高频数据采集；
所述信号调理模块用于对前级各个所述采集模块所采集的数据进行滤波，之后再传输给所述用电分析模块；
所述用电分析模块用于对前级各个所述采集模块所处理的数据进行监测回路模式判断，并按照不同模式进行介入式或非介入式算法处理，同时通过电力载波通信的方式获取子装置传输的疑难负荷的用电监测信息，最终通过4G通信方式将监测结果上传到所述系统主站；
所述第一同步时钟模块负责整个系统的对时、时标同步工作，同时为辨识结果定义时间标签；
所述第一高速存储模块用于接收并存储所述用电分析模块输出的分解结果，同时接收所述用电分析模块的指令将分解结果传输到所述系统主站；
所述第一载波通信模块用于与所述子装置进行通信，并获取相关疑难负荷的用电监测信息；
所述4G通信模块用于与所述系统主站进行通信，将监测环境中所有电器的用电监测信息传输到所述系统主站；
所述第一AC-DC供电模块为所述主装置提供电源；
所述子装置包括独立高频采集模块、MCU模块、第二同步时钟模块、第二高速存储模块、第二载波通信模块和第二AC-DC供电模块；
所述独立高频采集模块负责对插座回路中的疑难负荷进行高频数据采集；
所述MCU模块用于对所述独立高频采集模块进行控制并获取疑难负荷的用电监测信息，同时驱动所述第二载波通信模块和所述第二高速存储模块进行数据传输和数据存储；
所述第二同步时钟模块负责接收所述主装置下发的时间信息，同时为辨识结果定义时间标签；
所述第二高速存储模块用于接收并存储所述MCU模块输出的疑难负荷的用电监测信息，同时接收所述MCU模块的指令将疑难负荷的用电监测信息传输到所述主装置；
所述第二载波通信模块用于与所述主装置进行通信，并将疑难负荷的用电监测信息传输到所述主装置；
所述第二AC-DC供电模块为所述子装置提供电源。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，每一所述插座回路中分别配备有多台所述子装置，在同一所述插座回路中每一所述子装置分别用于监测一种疑难负荷。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主装置还包括SD卡存储模块，所述SD卡存储模块负责通过接口将分解结果同时存储到SD卡中，以供运维人员在现场直接读取监测结果并进行分析。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
所述采集模块选用24bit高速SPI差分模式转换器作为核心芯片，其型号为：MAX11200EEE+；
所述信号调理模块采用共模滤波器，其型号为：ACM1211-102-2PL-TL01；
所述用电分析模块选用32位，主频216Mhz的ARM芯片，其型号为：STM32F765ZIT6；
所述第一同步时钟模块的型号为：M48T35Y-70PC1；
所述第一高速存储模块采用高速串行NOR-Flash，型号为：S25FL512SAGMFI011；
所述SD卡存储模块的型号为：SDCMF-10915W0T1；
所述第一载波通信模块的型号为：ST7538；
所述4G通信模块的型号为：SIM7600CE；
所述第一AC-DC供电模块的型号为：TEA1755T。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述独立高频采集模块采用专用高速计量芯片，将模数转换和信号调理功能集成到独立芯片中，其型号为：ADE7758ARWZ；
所述MCU模块的型号为：PIC24FJ64GA704-I/PT；
所述第二同步时钟模块的型号为：DS1307Z；
所述第二高速存储模块采用高速串行NOR-Flash，型号为：S25FL512SAGMFI011；
所述第二载波通信模块的型号为：ST7538；
所述第二AC-DC供电模块的型号为：TPS767D301PWP。
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