CN112445167B - 一种接口开放的智慧能源网关运行系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接口开放的智慧能源网关运行系统，包括漏电监测模块，用于用电侧漏电情况的监测；计量模块，用于用电侧电压和电流数据的采集和计算，并用于用电量数据的计算；温度传感器，用于接线端子温度信息的检测；负荷识别模块，用于当前用电负荷的识别；管理模块，用于对系统各模块的运行状态进行控制和信息获取；负荷开关控制模块，用于根据所述管理模块发送的控制信号对负荷开关进行控制；供电服务器，用于接收所述管理模块发送的用户用电信息。本发明能够根据情况控制现场，保证用电的安全；同时，当用户欠费时能够立即切断电源，便于用户用电管理。

Description

一种接口开放的智慧能源网关运行系统
技术领域
本发明涉及电能表的技术领域，尤其涉及一种接口开放的智慧能源网关运行系统。
背景技术
目前家庭用电主要是通过普通电能表计量，供电局依据电能表数据收费，电能表的数据收集主要是通过总线的方式，同一座或几座的楼宇、同一片或几片区域的智能电表通过总线的方式连接到一台总机，然后由总机统一将数据传送到电网供电局中心，实现集中抄表，这种方式使得智能电表网络形成比较复杂，每台智能电表都要通过有线的方式连接到楼宇等地方布置的总机，因此需要对智能电表进行专门的布线。另外，现有的智能电表功能比较单一，基本只是实现电量的计量，并将数据单向发送到供电局服务器，用于收取电费依据，没有其它功能，这是一个封闭的系统，没有对外的接口，普通家庭用户也不能从电能表本地获取用电信息，无法拓展实现其他的新功能。
当前电能表不具备用电监测和用电异常报警功能，供电局通常运维主干线路，对于单个用户供电异常，电能表也不会自动切断供电，供电局第一时间也自动获取不到，而是依靠用户打电话反馈，然后才去现场排查解决，这种方式不仅处理效率低，通常导致家庭停电时间长，同时也存在家庭用电安全隐患，大大影响了供电服务水平。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种接口开放的智慧能源网关运行系统，能够避免现有技术中电能表需要复杂布线的情况，同时解决了智能电表功能比较单一和电能表不会自动切断供电的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，漏电监测模块，用于用电侧漏电情况的监测；计量模块，用于用电侧电压和电流数据的采集和计算，并用于用电量数据的计算；温度传感器，用于接线端子温度信息的检测；负荷识别模块，与所述计量模块连接，用于当前用电负荷的识别；管理模块，与所述漏电监测模块、计量模块、温度传感器和负荷识别模块连接，用于对系统各模块的运行状态进行控制和信息获取；负荷开关控制模块，与所述管理模块连接，用于根据所述管理模块发送的控制信号对负荷开关进行控制；供电服务器，与所述管理模块连接，用于接收所述管理模块发送的用户用电信息。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述漏电监测模块还包括，用于当监测所述用电侧发生漏电时，向所述管理模块发送第一信号。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述计量模块还包括，用于根据所述用电量数据、电压和电流数据，通过计算获得电费和谐波参数。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述负荷开关控制模块还包括，用于接收所述管理模块发送的第二信号，并对所述负荷开关的状态进行控制。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述负荷识别模块内部设置有数据处理单元和主控单元；所述数据处理单元根据所述计量模块采集到的电压和电流数据计算得到用电设备在某一时刻向电力系统取用的电功率总和。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述管理模块内部设置有单片机和报警装置。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述报警装置包括，与所述单片机连接，用于根据所述单片机存储的所述用电信息判断用户用电是否存在负荷过大或负荷短路的情况，若出现所述负荷过大或负荷短路的情况，则所述报警装置启动，否则，不进行任何操作。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述管理模块与所述温度传感器无线连接，能够接收所述温度传感器发送的第三信号，并用于判定所述温度信息是否超过阈值。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述管理模块还包括，通过4G通信或5G通信与供电局服务器相连接，用于向所述供电局服务器提供用户总用电量信息、峰谷用电量信息、电费信息、用电负荷识别信息、漏电报警信息和温度超限报警信息。
作为本发明所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的一种优选方案，其中：所述供电局服务器还包括，用于判断用户是否欠费，若发生欠费，则通过所述管理模块切断用户的供电。
本发明的有益效果：本发明不仅可以将测量到的用电量数据等直接传送到电网中心，还能够根据情况控制现场即用电侧通断电，保证用电的安全；另外，能够提醒用户用电负荷是否存在异常情况；当用户欠费时能够立即切断电源，便于用户用电管理，有效避免用户长期拖欠电费的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述漏电监测模块结构示意图；
图2为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的电流检测采样电路示意图；
图3为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述计量模块结构示意图；
图4为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述温度传感器结构示意图；
图5为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述负荷识别模块结构示意图；
图6为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述管理模块结构示意图；
图7为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述负荷开关控制模块结构示意图；
图8为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述供电服务器结构示意图；
图9为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的漏电保护示意图；
图10为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的用电欠费管理示意图；
图11为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的温度异常管理示意图；
图12为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述负荷识别模块与计量模块连接的结构示意图；
图13为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述负荷识别模块与管理模块连接的结构示意图；
图14为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述管理模块与负荷开关控制模块连接的结构示意图；
图15为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的所述管理模块与所述供电服务器连接的结构示意图。
图16为本发明第一个实施例所述的接口开放的智慧能源网关运行系统的整体结构示意图；
图17为本发明第二个实施例所述的一种负荷识别方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～图16，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种接口开放的智慧能源网关运行系统，包括漏电监测模块100，计量模块200，温度传感器300，负荷识别模块400，管理模块500，负荷开关控制模块600和供电服务器700。
具体的，漏电监测模块100用于监测用电侧的漏电情况；本实施例中，如图1所示，漏电监测模块100包括电流互感器和电流检测采样电路，电流互感器设置在用电侧输电线路中，电流互感器可以采用如型号SE-CS30系列，用于在电网故障状态下，向电流检测采样电路提供电网故障电流信息；电流检测采样电路如图2所示，其与电流互感器和管理模块500相连接；在正常用电情况下，进入用户侧的火线L上的电流和零线N上的电流大小相等，方向相反，相互抵消，电流互感器上就不会有电流，因此管理模块500检测不到漏电流，当发生漏电时，火线对地之间形成漏电电流，那么火线上的电流就比零线电流大，因此电流互感器上会产生电流，然后通过电流检测采样电路进行模数转换，将异常情况作为第一信号发送给管理模块500。
计量模块200可以为三相计量单元，例如CMU09；其与管理模块500连接，能够采集用电侧的用电量数据、电压和电流数据，并能够根据用电量数据计算获得电费，根据电压和电流数据形成的负荷曲线以及计算电压和电流数据得到谐波参数，该计量模块200对电压和电流的测量精度可达到1.0％，并具防接反保护功能，接反电源不会损坏模块。
温度传感器300，在本实施例中可以采用数字温度传感器或模拟温度传感器，例如型号为TMP117、TMP61；其设置在火线和零线的接线端子上，用于检测接线端子的温度信息；当温度信息检测完毕后，将向管理模块500发送第三信号；此处的“第三信号”是指符合用户指令的，且用于传输故障信息的初始指令信号，其来源于服务器，由用户在终端上操作产生，并直接作用于管理模块500上。此处的“终端上操作”可以为按键选取(数字按键指定，回传服务器)等。
负荷识别模块400与计量模块200连接，如图12所示，其用于当前用电负荷的识别，包括识别出负荷名称、负荷类别以及负荷用电量；具体的，负荷识别模块400内部设置有数据处理单元401和主控单元402，数据处理单元401以稳态数据为特征，为家电负荷建立相应模型，根据计量模块200采集到的电压和电流数据，通过该模型计算获得用电设备在某一时刻向电力系统取用的电功率总和，每种电功率总和与用电设备为一一对应关系，因此基于电功率总和可以得到对应的用电设备名称、用电设备类别以及用电设备累计用电量，本实施例中的数据处理单元401可以为数据处理器，例如89c51。主控单元402与数据处理单元401和连接计量模块200连接，用于控制整个模块的运行，当主控单元402接受到计量模块200发送的数据后，会立即向数据处理单元401发送控制指令；此处的“控制指令”是指符合用户指令的，且命令数据处理单元401执行的指令信号；主控单元例如可以采用型号为USB3300-EZK-TR的控制芯片。在本实施例中识别出的负荷包括：空调、电热水器、其他电热设备(电水壶等)、电视、厨房电器等。
管理模块500内部设置有单片机501和报警装置502，单元机501例如可以采用STM32F101VBT6，其能够对系统的数据进行接收、处理和存储，分别与漏电监测模块100，计量模块200，温度传感器300和负荷识别模块400单向连接。具体的，当单片机501接收到漏电监测模块100发送的第一信号时，向负荷开关控制模块600发送控制指令，命令负荷开关控制模块600切断供电；单片机501能够获取到计量模块200的电费、负荷曲线以及谐波参数，并对这些数据进行存储，优选的，单片机501获取到用户的用电量和计算出电费数据后，可以判定用户是否存在欠费，在用户存在欠费或者欠费超过阈值的情况下，通过负荷开关控制模块600断开负荷开关，使得用电侧断电，具有用户用电管理更加方便的优点，能够有效避免用户长期拖欠电费的现象；单片机501连接温度传感器300，通过接收第三信号获取温度传感器所检测的温度信息，实现对接线端子温度、接线端子温度分钟变化量以及接线端子温度不平衡程度进行监测，并且判定温度信息是否超过阈值，若超过，则通过负荷开关控制模块600断开，使得用电侧断电，避免因为火线和零线接线端子由于接触不良、短路、老化等现象发生时，导致着火的严重后果，进一步保证了用电安全；单片机501连接负荷识别模块400，用于获取和存储负荷识别模块400所识别出的负荷名称、负荷类别以及负荷用电量。报警装置502与单片机501连接，用于根据单片机501存储的用电信息判断用户用电是否存在负荷过大或负荷短路的情况，若出现负荷过大或负荷短路的情况，则报警装置502启动，同时通过负荷开关控制模块600控制负荷开关断开，使得用电侧断电，更换的保证用电的安全；否则，不进行任何操作，报警装置502可以为蜂鸣器，如SMD-085030H-03627。
负荷开关控制模块600，与管理模块500双向连接，用于接收管理模块500发送的第二信号，并根据第二信号对负荷开关的状态进行控制，“第二信号”是指管理模块500根向负荷开关控制模块600发送的对应指令信号，用于命令负荷开关控制模块600控制用电侧的负荷开关状态。负荷开关控制模块600可以是控制用电侧的负荷开关(例如接触器、继电器)工作状态的控制器，例如MCU微控制器，市电的输电线在接入用户侧时，首先接入到电能表，由电能表接线端连接输电线到用户家中，其中负荷开关可以设置在用户电能表前，即市电输电线与用户电能表之间的线路上，也可以设置在用户电能表之后及用户负荷之前的线路上。
供电局服务器700，通过4G通信或5G通信与管理模块500双向连接，用于获取管理模块500提供的用户总用电量信息、峰谷用电量信息、电费信息、用电负荷识别信息、漏电报警信息和温度超限报警信息，使得供电局服务器700可以有效的识别用户的用电系统，从而制定更好的调控策略；在供电局服务器700感知到异常情况下，发送异常报警信息给管理模块500，管理模块500通过负荷开关控制模块600控制负荷开关断开，使得用电侧断电；供电局服务器700还能够将当前电价和用户帐户余额发送到管理模块500，管理模块500根据当前用电量计算预缴电费，判断用户是否欠费，发生欠费后通过负荷开关控制模块600控制符合开关切断用户的供电，同时通过无线通信推送欠费信息到外部智能终端，提醒用户。此处的“无线通信”可以是2G通信、4G通信或Wi-Fi通信，“外部智能终端”例如用户手机、平板等。
优选的，本实施例不仅可以将测量到的用电量数据等直接传送供电局服务器700，避免现有技术中电能表需要复杂布线的情况，还能够根据情况控制现场即用电侧通断电，保证用电的安全，并且通过无线通信实现开放接口，从而其他多种附属监测功能。
实施例2
参照图17，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种负荷识别方法，包括：
S1：采集电力负荷数据。
使用MR8847型记录仪实地采集现场数据，其采样频率设置为50kHz，每次采集时间设置为5min，每个负荷点采集10次，电压电流同步采集，基波频率为50Hz(周期为0.02s)，此时一个周波内采样1000点，5min采样15000周波，每个负荷点50min共计采样150000周波。
采样的负荷类型包括：空调、电热水器、电水壶、微波炉、电磁炉、电视、洗衣机。
进一步的，将采集的同种负荷数据划分为训练集和测试集，划分比例为4:1。
S2：预处理电力负荷数据。
(1)分解采样数据，进而获得时间、电流、电压等信息的数据；
(2)将其在仿真平台下转化为每行10周波，15000行的数据，后提取单相电流信号进行负荷识别分析，其中，每种负荷的样本数据一行为10周波，共计10000点，大小为15000*10000的矩阵，选择其中12000个信号作为训练集，剩余3000个信号作为测试集，实验分组进行。
按下式对负荷数据进行归一化处理：
Figure BDA0002788872300000091
其中，Y为归一化后的信号，x为原信号，xmax为负荷样本信号的最大值，xmin为负荷样本信号的最小值。
(3)使用深度置信网络对负荷数据进行训练以及测试。
本实施例使用的深度置信网络模型由三层受限玻尔兹曼机和一层后向传播神经网络构成，三层受限玻尔兹曼机进行无监督的特征学习，最后连接上后向传播神经网络并利用类别标签数据和后向传播算法对深度置信网络进行微调。
具体的，首先使用对比散度算法对第一层受限玻尔兹曼机进行预训练得到该层参数，将此层参数固定；将其输出作为第二层的输入，继续训练第二层的受限玻尔兹曼机并且得到该层的网络参数，将此层参数固定；将其输出作为第三层的输入，继续训练第三层的受限玻尔兹曼机并且得到该层的网络参数，然后输出参数，完成所有受限玻尔兹曼机层的训练。
进一步的，将受限玻尔兹曼机的隐藏层单元数均设置为100，逐层训练时各层的迭代次数设置为500，学习速率设置为0.01，采用后向传播神经网络对深度置信网络模型进行微调并分类，微调次数设置为400，学习速率设置为0.01，权值惩罚项设置为0.00001，惩罚目标0.045。
最后，将测试集输入至深度置信网络模型对其性能进行负荷识别。
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择后向传播神经网络和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
后向传播神经网络训练时间较长，由于容易受环境影响，其识别精度较低。
为验证本方法相对后向传播神经网络具有较高识别效果，本实施例中将采用后向传播神经网络和本方法分别对7种电力负荷进行分类识别对比。
实验环境：Inter Core i7-6500U，12G内存，CPU主频为2.5GHz；
分别利用后向传播神经网络和本方法同时识别3500份负荷数据样本，每种类别的数据样本共500份，识别结果如表1所示。
表1：后向传播神经网络和本方法的负荷识别率对比表。
Figure BDA0002788872300000092
Figure BDA0002788872300000101
从上表可以看出，本方法对于电力负荷识别有较好的识别效果，对负荷的平均识别率达到98.03％，比后向传播神经网络的识别率高4.58％。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种接口开放的智慧能源网关运行系统，其特征在于：包括，
漏电监测模块(100)，用于用电侧漏电情况的监测；
计量模块(200)，用于用电侧电压和电流数据的采集和计算，并用于用电量数据的计算；
温度传感器(300)，用于接线端子温度信息的检测；
负荷识别模块(400)，与所述计量模块(200)连接，用于当前用电负荷的识别；
管理模块(500)，与所述漏电监测模块(100)、计量模块(200)、温度传感器(300)和负荷识别模块(400)连接，用于对系统各模块的运行状态进行控制和信息获取；所述管理模块(500)与所述温度传感器(300)无线连接，能够接收所述温度传感器(300)发送的第三信号，并用于判定所述温度信息是否超过阈值；
负荷开关控制模块(600)，与所述管理模块(500)连接，用于根据所述管理模块(500)发送的控制信号对负荷开关进行控制；所述负荷开关控制模块(600)还包括，用于接收所述管理模块(500)发送的第二信号，并对所述负荷开关的状态进行控制；
供电服务器(700)，与所述管理模块(500)连接，用于接收所述管理模块(500)发送的用户用电信息；
其中，所述漏电监测模块(100)包括电流互感器和电流检测采样电路，所述电流互感器设置在用电侧输电线路中，用于在电网故障状态下，向所述电流检测采样电路提供电网故障电流信息；所述电流检测采样电路与所述电流互感器和所述管理模块(500)相连接；在正常用电情况下，所述管理模块(500)检测不到漏电流；当发生漏电时，所述电流互感器上会产生电流，而后通过所述电流检测采样电路进行模数转换，将异常情况作为第一信号发送给所述管理模块(500)；
所述计量模块(200)能够根据用电量数据计算获得电费，根据电压和电流数据形成的负荷曲线以及计算电压和电流数据得到谐波参数，所述计量模块(200)对电压和电流的测量精度可达到1.0％，并具防接反保护功能，接反电源不会损坏模块；
所述计量模块(200)还包括，
用于根据所述用电量数据、电压和电流数据，通过计算获得电费和谐波参数；所述管理模块(500)通过负荷开关控制模块(600)控制负荷开关断开，使得用电侧断电；所述供电服务器(700)还能够将当前电价和用户帐户余额发送到管理模块(500)，管理模块(500)根据当前用电量计算预缴电费，判断用户是否欠费，发生欠费后通过负荷开关控制模块(600)控制负荷开关切断用户的供电；其中，用电负荷的识别步骤如下：
通过MR8847型记录仪采集电力负荷数据；
采集的电力负荷数据的负荷类型包括：空调、电热水器、电水壶、微波炉、电磁炉、电视、洗衣机；将采集的同种负荷数据划分为训练集和测试集，划分比例为4:1；
预处理所述电力负荷数据；
分解所述电力负荷数据，以获得时间、电流、电压数据；而后提取单相电流信号进行负荷识别分析，并进行归一化处理；
利用深度置信网络对归一化处理的电力负荷数据进行训练及测试；
所述深度置信网络由三层受限玻尔兹曼机和一层后向传播神经网络构成，
所述三层受限玻尔兹曼机进行无监督的特征学习，最后连接上所述一层后向传播神经网络并利用类别标签数据和后向传播算法对深度置信网络进行微调。
2.如权利要求1所述的接口开放的智慧能源网关运行系统，其特征在于：所述负荷识别模块(400)内部设置有数据处理单元(401)和主控单元(402)；
所述数据处理单元(401)根据所述计量模块(200)采集到的电压和电流数据计算得到用电设备在某一时刻向电力系统取用的电功率总和。
3.如权利要求1所述的接口开放的智慧能源网关运行系统，其特征在于：所述管理模块(500)内部设置有单片机(501)和报警装置(502)。
4.如权利要求3所述的接口开放的智慧能源网关运行系统，其特征在于：所述报警装置(502)包括，
与所述单片机(501)连接，用于根据所述单片机(501)存储的所述用电信息判断用户用电是否存在负荷过大或负荷短路的情况，若出现所述负荷过大或负荷短路的情况，则所述报警装置(502)启动，否则，不进行任何操作。
5.如权利要求4所述的接口开放的智慧能源网关运行系统，其特征在于：所述管理模块(500)还包括，
通过4G通信或5G通信与供电服务器(700)相连接，用于向所述供电服务器(700)提供用户总用电量信息、峰谷用电量信息、电费信息、用电负荷识别信息、漏电报警信息和温度超限报警信息。
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