CN112271821A - 基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能配电网领域，特别是对配电网的降损节能和可靠运行进行监控，具体地提供一种基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，包括数据采集层、数据处理层和应用层；所述数据采集层用于收集每个用户终端的用电数据，所述数据处理层用于对所述用电数据进行处理并把处理后的用电数据进行存储，所述应用层用于对所述数据处理层处理后的用电数据进行分析和可视化呈现。本发明能够把数据监控延伸到用电终端，实现对电能质量的有效监测和评估，为电能质量整改治理和降损节能措施的实施提供依据，节省电费开支20%以上，同时能够确保供电可靠性达到99.99%，预报预警事故隐患达到99%，产生明显的社会效益和经济效益。

Description

基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统
技术领域
本发明涉及智能配电网领域，特别是对配电网的降损节能和可靠运行进行监控，具体地提供一种基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统。
背景技术
现有电力系统的数据监控考核点仅到10kV高压配电室以及0.4kV低压配电室，而对于高压配电室和低压配电室之后的各用电终端基本上都常规地仅采取安装各种电费计量表以收取电费，造成了现有配电网因缺乏全面准确的基础数据使得大部分电能损耗无法监控；由于用电终端的用电质量也基本上不予采集和监控，用电质量包含有功、无功、功率因数、谐波、综合性线损等数据，在电力系统中存在巨量的例如普遍平均功率因素仅有0.7以下、谐波电压百分比会在20%以上、有功线损会在8%以上等用电质量低下的用电终端，因没有采取相应的监测与分析，为之配套的降损节能措施也无从提议和实施，经调研并计算得出因用电质量低下还会造成综合能量损失25%以上，以及造成损坏电力系统和用电设备的事故等。
中国专利CN201911326288.0公开了一种电力监测系统及方法，该系统包括感知层、数据传输层和管控层，感知层与数据传输层信号连接，数据传输层与管控层信号连接，感知层包括数据采集器，数据采集器安装于电表上并采集电力数据，数据传输层包括协议转换器，管控层包括用于处理电力数据的服务器和用于显示用电情况的监测终端，数据采集器与协议转换器连接，协议转换器与服务器连接，服务器与监测终端连接。该专利所述的电力监测系统存在以下缺点：1、所获得的基础数据主要来自感知层，不够精准，对于配电网路的用电终端和全面布局没有完整数据库(含原始和现行数据)的支持，因此无法全面监测分析各个方面的数据以及时精准监控并发现问题，自动提出整改措施；2、配电网络涉及到社会各个领域含千家万户的大中小社区、工矿企业、商场以及大量公众场所的用电终端，其用电质量的高低和安全性经济性直接与大量的民居生活、生产设备运行以及公众服务效果切切相关，但该系统没有纳入多方含质量监督方、用电方、供电方的全面共同的监控平台；3、缺少现时代对于综合能源(含光伏发电、风力发电以及储能中心供电等等)并网电能质量的监控，缺少现时代各种节能型照明(如LED 照明灯等)、电力电子设备、整流型以及专用系统如地铁高铁轻轨等设备之用电质量指标的监控；4、没有智能配电网的构架和监控分析管理理念，缺乏大数据、物联网、云计算平台的系统。
近来年，国家正在大力发展光伏、风力、储能等非线性综合新能源发电接入配电网，而这些非线性综合新能源的一个重要特征在于其电源内阻的非线性，使其成为典型的电能质量污染源。在负荷侧，电力电子负荷逐步取代传统负荷用电，但仍然存在具有非线性的负荷特征，表现为典型的电能质量扰动源。在提高新能源利用比重，采用节能用电设备的同时，配电网供用电电磁环境也更加复杂，用电质量的新问题更加突出，主要表现在：1、丰富的高次谐波(含奇次波、偶次波、间谐波等)引起的闪变及一系列相关问题，2、高铁、单相分布式电源引起的不平衡度进一步严重问题，3、电力电子设备频繁启动引起的短时谐波问题，4、暂降相位跳变对电气设备的危害问题，5、电动汽车充电带来的电压质量问题，6、巨量的用电终端的平均功率因素普遍仅有0.75以下而导致出力较低；从而使配电网电能质量干扰引起的电网安全、电能损耗、电气设备故障、敏感用户生产工艺过程异常中断等问题变得更加普遍，对配电网建设运行提出了更高的要求。
发明内容
针对现有技术无法监控配电网的大部分电能损耗以及无法满足非线性综合新能源发电接入配电网后更加复杂的供用电电磁环境等缺点，提供一种基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，包括数据采集层、数据处理层和应用层；所述数据采集层用于收集每个用户终端的用电数据并把所述用电数据上传至所述数据处理层，所述数据处理层用于对所述用电数据进行处理并把处理后的用电数据进行存储，所述应用层用于对所述数据处理层处理后的用电数据进行分析和可视化呈现；其特征在于：所述数据采集层包括多个监控点，通过每个监控点收集用户终端的用电数据；所述数据处理层包括多个电能质量监控中心，每个电能质量监控中心通过互联网与至少一个监控点进行数据连接，每个用户终端的用电数据通过互联网上传至所述数据处理层；每个电能质量监控中心包括处理模块和存储模块，所述处理模块用于对所述数据采集层收集的用电数据进行清洗、提炼、关联、汇总和衍生，所述处理模块支持对所述数据采集层收集的用电数据进行离线计算和实时计算，所述存储模块用于对所述处理模块处理后的用电数据用分布式数据库和关系型数据库进行存储。
优选地，每个监控点通过无线通信协议与所述数据处理层进行数据连接，所述无线通信协议支持GPRS、3G-WCDMA、4G-LTE、5G-NR、蓝牙、WIFI。
优选地，所述数据采集层收集的用电数据包括智能电表数据、配电网元数据和用电客户数据，所述智能电表数据包括智能电表指标元数据和智能电表物理元数据，所述用电客户数据包括客户元数据和用电行为数据。
优选地，所述数据采集层收集的用电数据包括静态数据和动态数据，所述静态数据包括电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率、谐波电压和波形以及用电量，所述动态数据包括人为拉闸停电时间记录、故障跳闸停电时间记录、电压波动记录和负荷冲击记录。
优选地，每个监控点收集到的用电数据的数据格式支持PQDIF文件或XML文件，所述PQDIF文件为电能质量数据交换格式，所述XML文件为可扩展标记语言。
优选地，所述离线计算包括MAPREDUCE处理或SPARK处理，所述实时计算包括Strom处理。
优选地，所述存储模块对清洗后的用电数据用分布式数据库进行存储，所述分布式数据库为Hbase数据库，所述存储模块对汇总后的用电数据用关系型数据库进行存储，所述关系型数据库为SQL server、Oracle或Mysql。
优选地，所述应用层包括配电网电能质量管理中心，配电网电能质量管理中心通过局域网与至少一个电能质量监控中心进行数据连接。
优选地，所述可视化呈现包括配电网结构、配电网络状态、质量排行榜、网络故障诊断、智能电表状态、GIS地图模块、报表模块、历史数据回看、用电客户管理、系统管理和知识经验库。
优选地，每个监控点包括采集硬件和采集软件，所述采集硬件包括用电终端、智能电表和智能数据采集器，所述采集软件包括软件模块和接口模块，每个电能质量监控中心包括监控硬件和监控软件，所述监控硬件包括计算机系统，所述监控软件可以包括数据处理算法、web服务器、数据库。
本发明能够把数据监控延伸到用电终端，实现对电能质量的有效监测和评估，为电能质量整改治理和降损节能措施的实施提供依据，还能够实现供电部门、电能质量监管部门和电力用户三方互动以及进行电力质量责任划分，建立了终端兼容接入、信息共享透明、集成标准规范、支持电能质量信息管理业务协同化和互操作的统一信息平台，具有可靠性高、数据处理量巨大、灵活可扩展以及设备利用率高等优势；节省电费开支20%以上，同时能够确保供电可靠性达到99.99%，预报预警事故隐患达到99%，产生明显的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为所述基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统的软件架构图；
图2为所述基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统的系统原理图；
图3为所述数据处理层的一个实施例的数据处理和数据存储示意图；
图4为所述MapReduce处理示意图；
图5为供电部门、电能质量监管部门和电力用户三方电力质量责任划分示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的内容作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统包括数据采集层、数据处理层和应用层；所述数据采集层用于收集每个用户终端的用电数据并把所述用电数据上传至所述数据处理层，所述数据处理层用于对所述用电数据进行处理并把处理后的用电数据进行存储，所述应用层用于对所述数据处理层处理后的用电数据进行分析和可视化呈现；从而实现对电能质量的有效监测和评估，为电能质量整改治理和降损节能措施的实施提供依据，还能够实现供电部门、电能质量监管部门和电力用户三方互动以及进行电力质量责任划分，建立了终端兼容接入、信息共享透明、集成标准规范、支持电能质量信息管理业务协同化和互操作的统一信息平台，具有可靠性高、数据处理量巨大、灵活可扩展以及设备利用率高等优势。
如图2所示，所述数据采集层包括多个监控点，即监控点1、监控点2、…、监控点n，通过多个监控点收集到海量用户终端的用电数据，每个监控点通过互联网与所述数据处理层进行数据连接，每个用户终端的用电数据通过互联网上传至所述数据处理层。所述用电数据按数据源分类可以包括智能电表数据、配电网元数据和用电客户数据，所述智能电表数据包括智能电表指标元数据和智能电表物理元数据，所述用电客户数据包括客户元数据和用电行为数据；所述用电数据按数据类型分类可以包括静态数据和动态数据，每个监控点可以通过在用户终端上安装智能数据采集器以采集静态数据和动态数据，所述静态数据包括电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率、谐波电压和波形以及用电量等，所述动态数据包括人为拉闸停电时间记录、故障跳闸停电时间记录、电压波动记录和负荷冲击记录等数据。
在本发明中，所述数据采集层能够收集千家万户的数据，本发明优选每个监控点通过无线通信协议与所述数据处理层进行数据连接，所述无线通信协议支持GPRS、3G-WCDMA、4G-LTE、5G-NR、蓝牙、WIFI等，从而使本系统能够发挥出方便简易、性价比高、维护量小等优点，还可以与有线网络接口混合使用以发挥重要作用。具体地，每个监控点可以包括采集硬件和采集软件，所述采集硬件可以包括用电终端、智能电表、智能数据采集器等，所述采集软件可以包括软件模块和接口模块等。
由于监控点增多，本发明优选每个监控点收集到的用电数据的数据格式支持PQDIF文件或XML文件等多种标准化格式，以实现数据格式的一致性；所述PQDIF文件为电能质量数据交换格式，能够完全独立于终端软硬件，被普遍作为监测数据交换的标准格式，具有通用性好、扩展性强和压缩性好等优点，所述PQDIF文件能够直接传输至所述数据处理层，有利于减轻监测中心的负担并提高系统可靠性；所述XML文件为可扩展标记语言，由于XML文件的结构、标记、可扩展性都和 PQDIF非常相似，可将PQDIF 文件重写为XML文件，可用于分布式网络环境中不同系统应用间少量的数据交互，结合Web Service等技术可实现跨平台的数据共享。
在图1和图2中，所述数据处理层包括多个电能质量监控中心，即电能质量监控中心1、电能质量监控中心2、…、电能质量监控中心n，每个电能质量监控中心通过互联网与至少一个监控点进行数据连接，每个电能质量监控中心包括处理模块和存储模块，所述数据采集层处于系统的底层，收集到的用电数据为海量的原始数据，甚至有些用电数据还是断续的或异常的，所述处理模块能够对这些原始的用电数据进行处理，从而为所述应用层提供分析和可视化呈现所需要的数据，例如对所述数据采集层收集的用电数据进行清洗、提炼、关联、汇总和衍生等，所述关联、汇总和衍生可以将收集的用电数据与其他数据进行结合，所述处理模块还支持离线计算和实时计算，所述离线计算包括MAPREDUCE处理或SPARK处理，可以处理数据规模比较大的HDFS数据等，所述实时计算包括Strom处理，可以处理从所述数据采集层通过FLUME或KAFKA数据同步的数据，所述FLUME和所述KAFKA是日志收集系统，所述FLUME支持在日志系统中定制各类数据发送方以用于收集数据，所述KAFKA为分布式发布订阅消息系统；所述存储模块用于对所述处理模块处理后的用电数据通过数据库进行存储，例如清洗后的海量的用电数据优选用分布式数据库进行存储，所述分布式数据库可以举例为Hadoop等，汇总后的用电数据优选用关系型数据库进行存储，所述关系型数据库可以举例为SQL server、Oracle、Mysql等。具体地，每个电能质量监控中心可以包括监控硬件和监控软件，所述监控硬件可以包括计算机系统，所述监控软件可以包括数据处理算法、web服务器、数据库等。
为了克服传统的集中式数据处理的不足，如图3所示，本发明举例将清洗后的海量的用电数据存储到Hbase数据库，Hbase数据库是Hadoop分布式数据库的文件数据库，可以实现快速存储和访问，Hadoop分布式数据库包括Hbase数据库和MAPREDUCE处理，在Hbase数据库的底层使用 HDFS完成数据的存储任务，所述MAPREDUCE处理为Hbase数据库中存储的数据提供计算作业，达到实时监控和发现电网质量异常的目的，汇总后的用电数据用关系型数据库SQL server进行存储。
如图4所示，根据Hbase数据库的分布情况，Hadoop启动多个计算Task对众多监控点收集的用电数据进行分布式计算，并且结合面向列的 HBase 与关系型数据库 SQLServer 各自的不同特点，将处理结果保存到数据库表中，从而将基于云计算的电能质量处理结果融合到现有的电能质量检测系统之中，提高系统的兼容性。在电能质量指标计算过程中，负责分析的MapReduce处理根据数据处理的阶段可以分为预处理与分析计算两类，分析计算作业是对电能质量各个指标进行分析计算处理，在该过程中不仅要检测采集数据，还要对监测点信息以及一些配置信息进行处理，在分析计算作业中输入数据为 HBase数据表 basicdata 中的数据，输出数据为分析计算的结果，并将结果存储到 SQL Server 数据库中。在图4中，HRegion为HBase中的一个分区。
所述应用层用于对所述数据处理层处理后的用电数据进行分析和可视化呈现，所述应用层包括配电网电能质量管理中心，配电网电能质量管理中心通过局域网与至少一个电能质量监控中心进行数据连接，所述可视化呈现具体包括配电网结构、配电网络状态、质量排行榜、网络故障诊断、智能电表状态、GIS地图模块、报表模块、历史数据回看、用电客户管理、系统管理和知识经验库等，从而能够给用户呈现各种数据、报表、发现的问题和解决方案等，做到分析评判有根有据，提高管理效率，对于低下电能质量指标的对象提出有力的降损节能的措施建议甚至自动报警并限量限荷供电以及采取罚款措施等，迫使有关方降损节能措施落到实处。
本发明还能够实现供电部门、电能质量监管部门和电力用户三方互动以及进行电力质量责任划分，如图5所示，供电部门可以为各个分区局范围的管理中心，独立负责用户电能质量监测数据管理、配电网接地故障定位、配电网短路故障定位等；电能质量监管部门可为政府系统所属电力交易中心或其他质量监督部门，独立负责各区域电能质量综合评估、电铁等专项电能质量评估、污染超标用户管理等；电力用户可为各个住宅片区或大中型厂矿，独立负责治理方案详细参数设计、供电电能质量投诉等；各方被授权人仅在许可范围查取有关信息，可以通过电脑，手机app查询信息，许可范围以外信息均须加密。供电部门、电能质量监管部门两方负责扰动负荷接入电网预评估、敏感负荷接入点评估等，供电部门、电力用户两方负责公共接入点电能质量评估、供电电能质协议签订，电能质量监管部门、电力用户两方负责可选治理方案及效果对比、治理方案参数设计及校验等。供电部门、电力用户、电能质量监管部门三方共同负责用户电能质量指标监测评估、治理方案实施效果校验评估、电能质量问题责任划分等。
本发明所述的基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，满足包括分布式发电、电动汽车充电站等用户的电气特性及配电网安全经济运行要求，对各种已有规范标准及电能质量约束可实现电能质量诊断及预控，保证配电网电能质量及供电可靠性指标，提高配电网供电能力、实现配电网降损节能，服务经济社会发展、同时满足用户对供电服务的多样化、个性化、互动化需求、不断提高服务质量和水平；结合电能质量数据挖掘应用采取降损节能措施(无功补偿、消谐、调整布局等)，节省电费开支20%以上，同时能够确保供电可靠性达到99.99%，预报预警事故隐患达到99%，产生明显的社会效益和经济效益。
以上内容是对本发明所述的基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统作出的进一步详细说明，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域普通技术人员依据本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于云计算的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，包括数据采集层、数据处理层和应用层；所述数据采集层用于收集每个用户终端的用电数据并把所述用电数据上传至所述数据处理层，所述数据处理层用于对所述用电数据进行处理并把处理后的用电数据进行存储，所述应用层用于对所述数据处理层处理后的用电数据进行分析和可视化呈现；其特征在于：所述数据采集层包括多个监控点，通过每个监控点收集用户终端的用电数据；所述数据处理层包括多个电能质量监控中心，每个电能质量监控中心通过互联网与至少一个监控点进行数据连接，每个用户终端的用电数据通过互联网上传至所述数据处理层；每个电能质量监控中心包括处理模块和存储模块，所述处理模块用于对所述数据采集层收集的用电数据进行清洗、提炼、关联、汇总和衍生，所述处理模块支持对所述数据采集层收集的用电数据进行离线计算和实时计算，所述存储模块用于对所述处理模块处理后的用电数据用分布式数据库和关系型数据库进行存储。
2.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：每个监控点通过无线通信协议与所述数据处理层进行数据连接，所述无线通信协议支持GPRS、3G-WCDMA、4G-LTE、5G-NR、蓝牙、WIFI。
3.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：所述数据采集层收集的用电数据包括智能电表数据、配电网元数据和用电客户数据，所述智能电表数据包括智能电表指标元数据和智能电表物理元数据，所述用电客户数据包括客户元数据和用电行为数据。
4.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：所述数据采集层收集的用电数据包括静态数据和动态数据，所述静态数据包括电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率、谐波电压和波形以及用电量，所述动态数据包括人为拉闸停电时间记录、故障跳闸停电时间记录、电压波动记录和负荷冲击记录。
5.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：每个监控点收集到的用电数据的数据格式支持PQDIF文件或XML文件，所述PQDIF文件为电能质量数据交换格式，所述XML文件为可扩展标记语言。
6.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：所述离线计算包括MAPREDUCE处理或SPARK处理，所述实时计算包括Strom处理。
7.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：所述存储模块对清洗后的用电数据用分布式数据库进行存储，所述分布式数据库为Hbase数据库，所述存储模块对汇总后的用电数据用关系型数据库进行存储，所述关系型数据库为SQLserver、Oracle或Mysql。
8.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：所述应用层包括配电网电能质量管理中心，配电网电能质量管理中心通过局域网与至少一个电能质量监控中心进行数据连接。
9.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：所述可视化呈现包括配电网结构、配电网络状态、质量排行榜、网络故障诊断、智能电表状态、GIS地图模块、报表模块、历史数据回看、用电客户管理、系统管理和知识经验库。
10.根据权利要求1所述的用电终端降损节能智能化监测与分析系统，其特征在于：每个监控点包括采集硬件和采集软件，所述采集硬件包括用电终端、智能电表和智能数据采集器，所述采集软件包括软件模块和接口模块，每个电能质量监控中心包括监控硬件和监控软件，所述监控硬件包括计算机系统，所述监控软件包括数据处理算法、web服务器、数据库。
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