CN114564683A - 园区智慧用电监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了园区智慧用电监测系统,该系统包括厂房电力监测终端、系统后台监管服务器、网页界面管理端、手机应用程序端，厂房电力监测终端安装在每个厂房的总空气开关旁边，一个厂房电力监测终端监测一个厂房的用电情况，系统后台监管服务器是前端加后端的云服务平台，将厂房用电数据通过物联网传输协议传输至云服务平台，云服务平台利用利用整周期傅里叶变换算法和电量变化斜率算法对电量异常进行判断，网页界面管理端和手机应用程序端为用户管理界面，管理员利用两个平台与系统后台监管服务器网络连接实现远程对整个园区进行电量的监控与管理，该系统是一个集监控、控制、节能为一体的系统，系统运行可靠、通信稳定。

Description

园区智慧用电监测系统

技术领域

发明涉及用电监测的领域,尤其涉及园区智慧用电监测系统。

背景技术

园区是指由政府统一规划的特定区域,一般能够分为工业园区、物流园区、科技园区、文化产业园区、自贸园区和农业园区等多余区域,随着经济的发展及园区投资的不断深化,大型园区建设运营企业寻求园区发展新途径的意愿日趋强烈,国内优秀的园区建设运营企业愈来愈重视对行业市场的研究,园区在随着经济开发迅速增长的同时,用电量也随着日益增长, 为避免多个分区之间存在用电高峰,为了让园区秩序用电,避免形成用电冲突,一般都会对电力进行管制,避免电力供应不足对园区内的作业带来影响。

随着能耗问题日益突显,如何实现能耗管理和能源成本最小化成为中国的首要任务。为此,国家相关部门门将节能减排指标落实到地区,由各个省、市、地区政府承担相应的节能任务。“政府出面帮助和督促用能单位节能降耗,以行政命令结合扶持政策,鼓励用能单位进行节能改造”；建立高效的能耗监测计量管理计量系统,对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量,对采集数据进行统计和分析,发现能源使用规律和能源浪费情况，确定建筑能耗经济指标及绩效考核指标,对于提高人员主动节能意识及配合国家完成节能减排目标是非常必要的。

现有园区内的多个分区一般都是各自具备总电控制中心，而各个分区也会存在用电量大小不一的情况，如果随着个别分区突然用电量增大导致电力供应不足,则会对多个分区都造成影响,因此统计用电量和合理分配电力都是需要改进的问题,且园区内线路较多并错综复杂，可能会出现个别盗用电力的情况发生,盗用电力不仅损害了园区的利益，且为园区的用电带来不稳定的因素。我国园区异常用电管理方面缺乏统一的统计方法和严格的统计制度,各地方的统计方法也各异,从而导致基础能耗数据资源残缺, 共享度低,这极不利于我们对园区的能耗做出正确客观的把握,也不利于合理的节能规范的制定,同时在某种程度上阻碍了节能技术的应用和客观的评价,同时也无法通过具体的数值体现节能技术所能够带来的经济价值,制约了园区对节能技术的价值认知以及资金投入。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供园区智慧用电监测系统。

本发明所采用的技术方案是，该系统包括四部分组成：厂房电力监测终端、系统后台监管服务器、网页界面管理端、手机应用程序端；

所述厂房电力监测终端安装在每个厂房的总空气开关旁边，一个厂房电力监测终端监测一个厂房的用电情况，所述系统后台监管服务器是前端加后端的云服务平台，将厂房用电数据通过物联网传输协议传输至云服务平台，云服务平台利用利用整周期傅里叶变换算法和电量变化斜率算法对电量异常进行判断，网页界面管理端和手机应用程序端为用户管理界面，管理员利用两个平台与系统后台监管服务器网络连接实现远程对整个园区进行电量的监控与管理。

进一步地，所述厂房电力监测终端利用分立模块的方式包括：移动通信模块、数据采集器模块、人体红外感应模块、视频监控模块、电量供应模块；

所述移动通信模块通过通用无线分组业务利用232总线与数据采集器模块进行数据通信，实现远程数据交互；数据采集器模块对各个线路进行用电量监控、电量采集、能耗把控；人体红外感应模块，根据厂房的大小安装、识别出厂房是人员情况，并将人员信息通过网络发送到系统后台监管服务器中；视频监控模块，协助人体红外感应模块判断厂房人数，电量供应模块对数据采集器模块进行低压直流供电。

进一步地，所述系统后台监管服务器是前端加后端的云服务平台，云服务平台通信网关节点利用互联网HTTP传输协议，同时利用SpringBoot +Vue2+Webpack2架构技术，构建系统软件管理云服务平台，系统后台监管服务器包括：通信数据监控模块、数据处理模块；

所述通信数据监控模块：依据监控厂房地点的不同、时间段的不同对用电情况进行监控，同时利用曲线和表格的形式得用电数据消耗情况。

所述数据处理模块：对各个厂房的用电数据进行存储，并利用算法对用电量进行分析，对不同厂房进行数据统计。

进一步地，所述网页界面管理端和手机应用程序端包括的功能为：

用电量智能管控，管理人员利用系统后台监管服务器对用电量的预测设置不同厂房的电量配置，在晚上11点第二天7点让系统自动远程拉闸，节省电耗，同时对每个厂房设定用电阀值，超过阈值系统自动实现告警将报警信息发送到网页界面管理端和手机应用程序端。

人员判断，每个厂房根据加装红外感应装置，该装置厂房内是否有人，给管理人员提供参考。

进一步地，所述视频监控模块，利用视频监控模块辅助识别厂房区域内否还有人员存在，提供手机用电权限软件，在正常断电期间，工人需要用电，通过该软件向管理人员申请，当申请通过后系统平台进行自动恢复用电；

进一步地，云服务平台利用整周期傅里叶变换算法对用电数据进行信号变换，提供电力监测变换后的数据源，用电数据A(d)中包含有整数次谐波分量、基频分量和直流分量，计算公式为：

式中:d是时间，A₀是直流分量,η₀是基频角频率；

将A(d)利用快速傅立叶变换后，得到:

式中:I为每基频周期内的采样点数；A(t)为信号采样值；i为谐波次数，将i取为1，得到输入信号中所包含的基频分量的实部和虚部:

进而由

和

可求得基频分量的幅值和相角。

进一步地，对变换后的电力数据利用电量变化斜率作为评定衡量进行电量趋势变化指标判断，正常用户的用电曲线趋于稳定，异常用户的用电量就是大幅变化趋势，最后趋于一个很低的值；以连续7天作为计算斜率的周期，对待评估的日期，统计前后7天共14天内，用电量的斜率变化，得到第i天的用电量趋势，计算公式为：

其中，n_j是电量趋势,j是天数,t表示时间,F_t是第t天耗电量，

进一步地，系统时刻监测着采集的数据，系统计算电力数据当天时刻功率的平均值

和它加之前7天的功率的平均值

若

比

大3％，则发生用电异常行为，

当Q(j)＝1，则判断该时刻出现异常用电行为，并反馈给园区管理员。

本发明所提出的园区智慧用电监测系统该系统结构设计新颖，消化和吸收了国内外同类产品的优点。将传统的用电监测和互联网技术、数据算法技术结合，通过安装在厂房的红外感应和监控设备智能判断厂房是否有人，进而实现异常用电监测，该系统是一个集监控、控制、节能为一体的系统，系统运行可靠、通信稳定。

附图说明

图1为本发明总体步骤流程图；

图2为本发明的厂房电力监测终端模块图；

图3为本发明的云服务平台算法流程图。

具体实施方式

需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合,下面结合附图和有具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示,园区智慧用电监测系统，该系统包括四部分组成：厂房电力监测终端、系统后台监管服务器、网页界面管理端、手机应用程序端；

厂房电力监测终端安装在每个厂房的总空气开关旁边，一个厂房电力监测终端监测一个厂房的用电情况，系统后台监管服务器是前端加后端的云服务平台，将厂房用电数据通过物联网传输协议传输至云服务平台，云服务平台利用利用整周期傅里叶变换算法和电量变化斜率算法对电量异常进行判断，网页界面管理端和手机应用程序端为用户管理界面，管理员利用两个平台与系统后台监管服务器网络连接实现远程对整个园区进行电量的监控与管理。

如图2所示，厂房电力监测终端利用分立模块的方式包括：移动通信模块、数据采集器模块、人体红外感应模块、视频监控模块、电量供应模块；

移动通信模块通过通用无线分组业务利用232总线与数据采集器模块进行数据通信，实现远程数据交互；数据采集器模块对各个线路进行用电量监控、电量采集、能耗把控；人体红外感应模块，根据厂房的大小安装、识别出厂房是人员情况，并将人员信息通过网络发送到系统后台监管服务器中；视频监控模块，协助人体红外感应模块判断厂房人数，电量供应模块对数据采集器模块进行低压直流供电。

采用分立模块的方式，与集成终端相比而言，可以根据不同的安装环境，选择不同的模块(例如不适合安装网线或者没有WiFi信号覆盖时可以选择GPRS方式)进行组合安装，且可扩展性强、后续产品不需要重新设计和开发。

系统后台监管服务器是前端加后端的云服务平台，云服务平台通信网关节点利用互联网HTTP传输协议，同时利用SpringBoot+Vue+Webpack架构技术，构建系统软件管理云服务平台，系统后台监管服务器包括：通信数据监控模块、数据处理模块；

通信数据监控模块：依据监控厂房地点的不同、时间段的不同对用电情况进行监控，同时利用曲线和表格的形式得用电数据消耗情况。

数据处理模块：对各个厂房的用电数据进行存储，并利用算法对用电量进行分析，对不同厂房进行数据统计，给管理人员提供用电数据的考量标准和能耗预测。

系统后台监管服务器通信协议采用HTTP协议，HTTP协议的优势是可以支持所有平台，它几乎可以把所有的联网物品和互联网连接起来。特别适合于网络代价昂贵、带宽低、不可靠的环境。能在处理器和内存资源有限的嵌入式设备中运行。

由于厂房比较集中，同时数量较多，所需要铺设的终端数量相应会更多，因此厂房环境设备需具备访问量大、功耗低、带宽低、数据实时传输性较高、可扩展性强等特点。

网页界面管理端和手机应用程序端包括的功能为：

用电量智能管控，管理人员利用系统后台监管服务器对用电量的预测设置不同厂房的电量配置，在晚上11点第二天7点让系统自动远程拉闸，节省电耗，同时对每个厂房设定用电阀值，超过阈值系统自动实现告警将报警信息发送到网页界面管理端和手机应用程序端。

人员判断，每个厂房根据加装红外感应装置，该装置厂房内是否有人，给管理人员提供参考。

视频监控模块，利用视频监控模块辅助识别厂房区域内否还有人员存在，提供手机用电权限软件，在正常断电期间，工人需要用电，通过该软件向管理人员申请，当申请通过后系统平台进行自动恢复用电。

系统可以通过以下方式进行节能：监测每个厂房的用电情况，并可以通过网页界面管理端和手机应用程序端提供详细的图形化数据分析。每个厂房、每个时间段的用电情况一目了然，用电异常可通过系统进行声音、图形、手机短信等告警，通知管理人员对用电异常的区间进行有效排查。通过红外人体传感器以及视频监控模块可判断室内是否还有人员，在正常 8小时上班期间长时间室内无人员存在，被监控的厂房存在灯、风扇、空调等耗电情况，系统会自动切断电源，避免电力浪费。

该系统可以通过对用电时间或者用电量的设定来限定自动断电，从而达到节能的目的。例如中午12点至14点、晚上21:30至第二天早上 7:30间断电、周末全天处于断电状态，以此来保证合理的用电，避免浪费。

该系统及时启动主要取决于系统能否对采样数据进行正确的处理并从中提取出启动信息，而所有这一切的关键在于是否采用了合适的算法及其软件实现的正确性。

如图3所示，云服务平台利用整周期傅里叶变换算法对用电数据进行信号变换，提供电力监测变换后的数据源，用电数据A(d)中包含有整数次谐波分量、基频分量和直流分量，计算公式为：

整周期傅里叶变换算法，这种算法是将输入序列(或输出序列)在时域(或频域)上的次序列按偶数和奇数来抽取，对于任意一个N＝2M点长序列的离散傅里叶运算，可以采用M次分解，最后分解成2点的离散傅里叶运算的组合，从而降低了运算量。

电力输入信号A(d)中包含有整数次谐波分量、基频分量和直流分量，计算公式为：

式中:d是时间，A₀是直流分量；η₀是基频角频率.

将A(d)利用快速傅立叶变换后，得到:

式中:I为每基频周期内的采样点数；A(t)为信号采样值；i为谐波次数，将i取为1，则得到输入信号中所包含的基频分量的实部和虚部:

进而由

和

可求得基频分量的幅值和相角。

整周期傅立叶变换算法的主要优点是当输入信号中除基频分量外只包含恒定直流分量和整数次谐波分量时，计算精度高，并且对其他分数谐波，算法也具有良好的抑制效果。

正常用电量特征电量表现曲线比较缓平，波动不是很大。异常用电用户的负荷曲线就经常出现大幅度下降的行为，规律比较杂乱无章，这是异常用电特征行为。

对变换后的电力数据利用电量变化斜率作为评定衡量进行电量趋势变化指标判断，正常用户的用电曲线趋于稳定，异常用户的用电量就是大幅变化趋势，最后趋于一个很低的值；以连续7天作为计算斜率的周期，对待评估的日期，统计前后7天共14天内，用电量的斜率变化，得到第i 天的用电量趋势，计算公式为：

其中，n_j是电量趋势,j是天数,t表示时间,F_t是第t天耗电量，

异常电量变化会导致这14天内的电能消耗趋势出现变化，统计趋势为下降的天数，计算公式为：

则在监测期内，电量趋势的变化指标计算公式为：

系统时刻监测着采集的数据，系统计算电力数据当天时刻功率的平均值

和它加之前7天的功率的平均值

若

比

大3％，则发生用电异常行为，

当Q(j)＝1，则判断该时刻出现异常用电行为，并反馈给园区管理员。

本发明所提出的园区智慧用电监测系统该系统结构设计新颖，消化和吸收了国内外同类产品的优点，将传统的用电监测和互联网技术、数据算法技术结合，同时通过安装在厂房的红外感应和监控设备智能判断厂房是否有人，进而实现异常用电监测，该系统是一个集监控、控制、节能为一体的系统，系统运行可靠、通信稳定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解的是,在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (8)

1.园区智慧用电监测系统，其特征在于,该系统包括四部分组成：厂房电力监测终端、系统后台监管服务器、网页界面管理端、手机应用程序端；

所述厂房电力监测终端安装在每个厂房的总空气开关旁边，一个厂房电力监测终端监测一个厂房的用电情况，所述系统后台监管服务器是前端加后端的云服务平台，将厂房用电数据通过物联网传输协议传输至云服务平台，云服务平台利用整周期傅里叶变换算法和电量变化斜率算法对电量异常进行判断，网页界面管理端和手机应用程序端为用户管理界面，管理员利用网页界面管理端、手机应用程序端与系统后台监管服务器网络连接远程对整个园区进行电量的监控与管理。

2.如权利要求1所述的园区智慧用电监测系统，其特征在于，所述厂房电力监测终端利用分立模块的方式包括：移动通信模块、数据采集器模块、人体红外感应模块、视频监控模块、电量供应模块；

所述移动通信模块通过通用无线分组业务，利用232总线与数据采集器模块进行数据通信，实现远程数据交互；数据采集器模块对各个线路进行用电量监控、电量采集、能耗把控；人体红外感应模块，根据厂房的大小安装、识别出厂房人员情况，并将人员信息通过网络发送到系统后台监管服务器中；视频监控模块，协助人体红外感应模块判断厂房人数，电量供应模块对数据采集器模块进行低压直流供电。

3.如权利要求1所述的园区智慧用电监测系统，其特征在于，所述系统后台监管服务器是前端加后端的云服务平台，云服务平台通信网关节点利用互联网HTTP传输协议，同时利用SpringBoot+Vue2+Webpack2架构技术，构建系统软件管理云服务平台，系统后台监管服务器包括：通信数据监控模块、数据处理模块；

所述通信数据监控模块：依据监控厂房地点的不同、时间段的不同对用电情况进行监控，同时利用曲线和表格的形式得用电数据消耗情况；

所述数据处理模块：对各个厂房的用电数据进行存储，并利用算法对用电量进行分析，对不同厂房进行数据统计。

4.如权利要求1所述的园区智慧用电监测系统，其特征在于，所述网页界面管理端和手机应用程序端包括的功能为：

用电量智能管控，管理人员利用系统后台监管服务器对用电量的预测设置不同厂房的电量配置，在当日晚上11点至次日7点让系统自动远程拉闸，节省电耗，同时对每个厂房设定用电阀值，超过阈值系统自动实现告警将报警信息发送到网页界面管理端和手机应用程序端；人员判断，每个厂房根据加装红外感应装置，判断该装置厂房内是否有人，给管理人员提供参考。

5.如权利要求1所述的园区智慧用电监测系统，其特征在于，所述视频监控模块，利用视频监控模块辅助识别厂房区域内是否还有人员存在，提供手机用电权限软件，在正常断电期间，工人需要用电，通过该软件向管理人员申请，当申请通过后系统平台进行自动恢复用电。

6.如权利要求1所述的园区智慧用电监测系统，其特征在于，所述云服务平台利用整周期傅里叶变换算法对用电数据进行信号变换，提供电力监测变换后的数据源，用电数据A(d)中包含有整数次谐波分量、基频分量和直流分量，计算公式为：

式中:d是时间，A₀是直流分量，η₀是基频角频率；

将A(d)利用快速傅立叶变换后，得到:

式中:I为每基频周期内的采样点数；A(t)为用电数据采样值；i为谐波次数，将i取为1，得到输入信号中所包含的基频分量的实部和虚部:

进而由

和

可求得基频分量的幅值和相角。

7.如权利要求1所述的园区智慧用电监测系统，其特征在于，对变换后的电力数据利用电量变化斜率作为评定衡量进行电量趋势变化指标判断，正常用户的用电曲线趋于稳定，异常用户的用电量就是大幅变化趋势；

以连续7天作为计算斜率的周期，对待评估的日期，统计前后7天共14天内，用电量的斜率变化，得到第j天的用电量趋势，计算公式为：

其中n_j是电量趋势,j是天数,t表示时间,F_t是第t天耗电量，

是14天耗电量的平均值，其中

8.如权利要求1所述的园区智慧用电监测系统，其特征在于，系统计算电力数据当天时刻功率的平均值

和它加之前7天的功率的平均值

若

比

大3％，则发生用电异常行为，

当Q(j)＝1，则判断该时刻出现异常用电行为，并反馈给园区管理员。

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