CN116150195A - 一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统及方法 - Google Patents

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CN116150195A CN202111340736.XA CN202111340736A CN116150195A CN 116150195 A CN116150195 A CN 116150195A CN 202111340736 A CN202111340736 A CN 202111340736A CN 116150195 A CN116150195 A CN 116150195A
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Abstract

本发明提供了一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统及方法，包括：监测设备、监测服务器和监测数据库；监测设备安装在每个用户的总线路上，用于监测各用户的用电信息，并将监测到的用电信息传输至监测服务器；监测服务器，用于基于监测设备传输的用电信息制定向监测数据库发送的调用指令，同时接收监测数据库反馈的历史数据，并基于用电信息和调用的历史数据确定各用户用电是否存在故障；监测数据库，用于基于监测服务器的调用指令调用历史数据，并将历史数据反馈至监测服务器，本发明通过与监测设备连接的监测服务器对数据进行分析判断，无需将数据提交上层决策，缩短了响应时间，且无需提高算力，故对算力没有太高的要求。

Description

一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统及方法
技术领域
本发明涉及自动化远程监测技术领域，具体涉及一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统及方法。
背景技术
随越来越多的园区面临碳排放额度受限的困境，与光伏发电、风力发电、储能等新能源结合形成碳减排可有效解决该类问题。但光伏、风电等能源存在波动性，需要对园区进行用电监测。通过分析用户用电曲线，获得设备组成和设备状态等用户模式，可进一步深入挖掘抗风险、节能的潜力，从而减少用电费用的同时实现削峰填谷，促进区域电网的安全稳定运行。
目前国内外已经研发出一些非侵入式负荷监测的产品，例如家庭场景下基于高频采样的Sense Home和基于低频采样的Chai Energy，楼宇场景下的Energy Wise。工厂场景下可将NILM用于设备故障预报，在学校场景则可利用NILM检测大功率用电设备，解决大功率用电器引发火灾的痛点。以Sense Home为例，在初安装时需要几个月的时间搜集数据，且它的进化对人工输入具有一定的依赖性，当识别到未知设备时，Sense将其显示为“未知加热设备1”、“电机3”等名称，此时需要用户重新命名，或者当Sense的识别出现错误时，需要人工纠正。
对负荷辨识智能电表也展开了试点研究，用户通过手机APP和微信公众号可查询各用电器的使用详情，如开启时间、用电量和功率大小等，帮助用户了解用电模式。但上述设备和试点研究仍然存在下述问题：
未关注多种类型场景的园区低成本要求，基于深度学习的负荷识别方法虽然识别准确率达到了95％以上，但是在训练神经网络时每完成一次前向传播需要数亿次的运算，这一过程通常在集中式或基于云的服务器上完成，不适用于算力较低的嵌入式设备。
发明内容
为了解决现有的识别方法不适用于算力较低的嵌入式设备的问题，本发明提出了一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统，包括：监测设备、监测服务器和监测数据库；
所述监测设备安装在每个用户的总线路上，用于监测各用户的用电信息，并将监测到的用电信息传输至所述监测服务器；
所述监测服务器，用于基于所述监测设备传输的用电信息制定向所述监测数据库发送的调用指令，同时接收所述监测数据库反馈的历史数据，并基于所述用电信息和调用的历史数据确定各用户用电是否存在故障；
所述监测数据库，用于基于所述监测服务器的调用指令调用历史数据，并将历史数据反馈至所述监测服务器。
优选的，所述监测设备包括：终端设备和协调器；
所述终端设备和协调器通过无线网络通信；
所述终端设备，用于监测用户的用电信息，并发送至所述协调器；
所述协调器，用于将所述用户信息传输至所述监测服务器。
优选的，所述终端设备包括：温湿度传感器、自动拓扑识别设备和非侵入式负荷监测设备；
所述温湿度传感器、自动拓扑识别设备和非侵入式负荷监测设备均安装在每个用户的总线路上；
所述温湿度传感器，用于采集每个用户总线所处的温湿度；
所述自动拓扑识别设备，用于根据用户负荷特征进行负荷类型判断；
所述非侵入式负荷监测设备，用于监测用户总线路上的电压、电流信号。
优选的，所述监测设备还包括：路由器；
所述路由器与所述协调器、其他路由器或者终端设备连接，用于将采集到的用电数据进行转发。
优选的，所述监测服务器包括用户类型分解模块、故障研判模块、NILM负荷监测模块和故障响应模块；
所述用户类型分解模块，用于基于所述自动拓扑识别设备判断出的负荷类型，结合获取的供用电资产清单，确定用户分类，并发送至所述负荷监测模块；
所述负荷监测模块，用于基于所述监测数据库反馈的历史数据和用户分类形成用户数据集，并发送至所述故障研判模块；
所述故障研判模块，用于通过终端设备传输的用户数据和所述用户数据集进行对比，判断用户用电是否存在故障，并在用户存在故障时向所述故障响应模块发送响应指令；
所述故障响应模块，用于基于响应指令发出告警信号。
优选的，还包括用户显示器；
所述用户显示器与所述监测服务器连接，用显示所述监测服务器判断的结果。
优选的，所述监测服务器通过数据线与所述监测数据库连接。
优选的，还包括与所述监测服务器通过数据线连接的物联网网关；
所述物联网网关，用于将监测的用户信息从无线通信协议转换为TCP/IP协议，再传输给监测服务器。
基于同一发明构思，本发明提供了一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测方法，包括：
基于安装在每个用户的总线路上的监测设备，监测各用户的用电信息；
基于监测到的各用户的用电信息由监测服务器制定调用监测数据库中历史数据的调用指令，并基于调用指令调用的历史数据和所述用户信息确定各用户用电是否存在故障。
优选的，所述基于监测到的各用户的用电信息由监测服务器制定调用监测数据库中历史数据的调用指令，包括：
所述监测服务器基于监测到的各用户的用电信息以及获取的供用电资产清单，确定用户分类；
所述监测服务器基于所述监测数据库反馈的历史数据和用户分类形成用户数据集，并与用户数据进行对比，判断用户用电是否存在故障，并在用户存在故障时发出告警信号。
优选的，还包括：将所述监测服务器判断的结果通过与所述监测服务器连接的用户显示器进行显示。
优选的，还包括：通过与所述监测服务器连接的物联网网关将监测的用户信息从无线通信协议转换为TCP/IP协议。
优选的，还包括：所述监测服务器与监测数据库和物联网网关通过数据线的方式进行数据传输。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统，包括：监测设备、监测服务器和监测数据库；所述监测设备安装在每个用户的总线路上，用于监测各用户的用电信息，并将监测到的用电信息传输至所述监测服务器；所述监测服务器，用于基于所述监测设备传输的用电信息制定向所述监测数据库发送的调用指令，同时接收所述监测数据库反馈的历史数据，并基于所述用电信息和调用的历史数据确定各用户用电是否存在故障；所述监测数据库，用于基于所述监测服务器的调用指令调用历史数据，并将历史数据反馈至所述监测服务器，本发明通过与监测设备连接的监测服务器对数据进行分析判断，无需将数据提交上层决策，缩短了响应时间，且该系统中的监测服务器只对相连的监测设备传输的数据进行处理，故对算力没有太高的要求。
附图说明
图1为本发明的一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统示意图；
图2为本发明的无线通信节点网络的系统结构图；
图3为本发明的无线终端加入无线网络系统工作流程图；
图4为本发明的多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统中监测服务器内部结构示意图；
图5为本发明的一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测方法流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统，该系统利用Zigbee无线通信技术建立无线网络，并搭建完整监测系统。该监测系统在每个用户的总线路上安装监测设备，并通过与监测设备连接的监测服务器对数据进行分析判断，无需将监测的数据上传至上层进行决策，缩短了响应时间，而且该监测系统通过自动拓扑识别、温湿度监测和非侵入式负荷监测，能够观测用能情况和变化规律，弥补了传统园区系统仅关注关键设备，对用户用能监测的缺失，可长期在线监测，获得不同用户的长期用能指标曲线，起到防范用户侧未知风险的作用。
实施例1
一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统，如图1所示：包括：监测设备、监测服务器和监测数据库；
监测设备安装在每个用户的总线路上，用于监测各用户的用电信息，并将监测到的用电信息传输至监测服务器；
监测服务器，用于基于监测设备传输的用电信息制定向监测数据库发送的调用指令，同时接收监测数据库反馈的历史数据，并基于用电信息和调用的历史数据确定各用户用电是否存在故障；
监测数据库，用于基于监测服务器的调用指令调用历史数据，并将历史数据反馈至监测服务器。
监测设备包括：终端设备和协调器；
终端设备和协调器通过无线网络通信；
终端设备，用于监测用户的用电信息，并发送至协调器；
协调器，用于将用户信息传输至监测服务器。
终端设备包括：温湿度传感器、自动拓扑识别设备和非侵入式负荷监测设备；
温湿度传感器、自动拓扑识别设备和非侵入式负荷监测设备均安装在每个用户的总线路上；
温湿度传感器，用于采集每个用户总线所处的温湿度；
自动拓扑识别设备，用于根据用户负荷特征进行负荷类型判断；
非侵入式负荷监测设备，用于监测用户总线路上的电压、电流信号。
监测设备还包括：路由器；
路由器与协调器、其他路由器或者终端设备连接，用于将采集到的用电数据进行转发。
一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统，还包括与监测服务器通过数据线连接的物联网网关；
物联网网关，用于将监测的用户信息从无线通信协议转换为TCP/IP协议，再传输给监测服务器。
监测服务器与监测数据库、物联网网关之间为加快速度，采用有线连接，监测服务器通过数据线分别与监测数据库、与物联网网关连接，主要在数据库内进行数据传输、存储和调用，物联网网关将监测采集信息从无线通信协议转换为 TCP/IP协议，再传输给监测服务器。
一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统还包括用户显示器；
用户显示器与监测服务器连接，用显示监测服务器判断的结果。
监测服务器包括用户类型分解模块、故障研判模块、NILM负荷监测模块和故障响应模块；
用户类型分解模块，用于基于自动拓扑识别设备判断出的负荷类型，结合获取的供用电资产清单，确定用户分类，并发送至负荷监测模块；
负荷监测模块，用于基于监测数据库反馈的历史数据和用户分类形成用户数据集，并发送至故障研判模块；
故障研判模块，用于通过终端设备传输的用户数据和用户数据集进行对比，判断用户用电是否存在故障，并在用户存在故障时向故障响应模块发送响应指令；
故障响应模块，用于基于响应指令发出告警信号。
本发明提供的一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统，能够防范未知风险，也能够通过能源态势图实现可视化。具体优点如下：
1)本发明简便易用，在各用户总线路上非侵入式安装，根据用户负荷特征进行负荷类型判断和主要指标监测，可简化操作环节，有利于分析。
2)相对于利用温度表、电表进行人工巡检，本发明可长期对每个用户进行在线监测，汇总后可获得不同季节、不同气候条件下的长期电能态势曲线。
3)相对于现有智慧园区中仅针对关键设备进行监测，本发明弥补了不同用户的监测缺失。
实施例2
本发明所提出的一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统如图2所示，由监测服务器、监测数据库、用户显示器、物联网网关、监测设备组成，其中，监测服务器通过GPRS或Internet向用户显示；
监测服务器，用于基于监测设备实时传输的用户的用电信息制定向监测数据库发送调用历史数据的调用指令，并基于实时数据与调用的历史数据判断用户用电是否存在故障，同时将是否存在故障的处理结果发送至用户显示器；
监测数据库，负责存储监测数据，根据监测服务器调用指令传输历史数据；
用户显示器，显示监测服务器发送的处理结果；
物联网网关，链接信息采集设备与监测服务器的中台。
一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统，还包括远程智能平台；
远程智能平台，主要是用于根据监测服务器的处理结果在线传输数据实施的各类功能应用。
监测设备由终端设备、路由器、协调器组成，包含大量无线通信模块，由它们共同构成无线通信节点网络，如图2所示的感知层。
监测设备10一类的数据采集器例如CC2530。协调器在无线通信节点网络中是唯一的，负责启动网络；路由器连接协调器、其他路由器或者终端设备，起到拓展网络、加入设备以及数据缓存与中转的作用；终端设备是无线通信节点网络的数据采集设备，为各种传感器如温湿度传感器，自动拓扑识别设备和非侵入式负荷监测设备，传感器采集数据后直接发送至协调器或者通过路由器中转发送到协调器。
以CC2530无线通信RF收发器为例，该片上系统与温湿度传感器、自动拓扑识别设备和非侵入式负荷监测设备通讯，其中：
非侵入式负荷监测设备，数字输出，Ethernet输出信号；
自动拓扑识别设备型号DLL-IOT，数字输出，RS485协议输出信号-7～12V；
温湿度传感器型号DS18B20 Digital，供电电压3～5V，TTL输出。
传感器数据通过无线通信网络传递给唯一的协调器，由协调器经调控模块，例如CH340G USB转串口模块，传递给物联网网关。
如图3所示，本系统使用的CC2530对应Z-Stack协议的库文件已经由IC 设计商提供完整协议栈，本发明通过调用Z-stack中的API接口实现预期功能，步骤如下：
1)进行初始化设置；
2)进行组网；
3)在组网完成后，Z-Stack系统以轮询方式进行工作，针对系统各层设置不同优先级，依次轮询进行任务处理，本发明中设置的事件主要是几种设备和传感器检测的数据的发送；
4)完成事件处理，等待下次轮询。
监测服务器的内部结构组成，如图4所示：
监测服务器包括用户类型分解模块、故障研判模块、NILM负荷监测模块和故障响应模块；
用户类型分解模块，用于基于自动拓扑识别设备判断出的负荷类型，结合获取的供用电资产清单，确定用户分类，并发送至负荷监测模块；
负荷监测模块，用于基于监测数据库反馈的历史数据和用户分类形成用户数据集，并发送至故障研判模块；
故障研判模块，用于通过终端设备传输的用户数据和用户数据集进行对比，判断用户用电是否存在故障，并在用户存在故障时向故障响应模块发送响应指令；
故障响应模块，用于基于响应指令发出告警信号。
负荷监测模块在本实施例中采用NILM负荷监测模块，下面对各个模块工作原理详细介绍：
单个用户类型分解模块通过自动拓扑识别及用户提供的供用电资产清单，确定用户分类，然后反馈至NILM负荷监测模块，并结合历史数据形成的用户数据集，NILM负荷监测模块，具备负荷用电特征的分辨能力，因此能识别出有哪些用电设备，组成的整个电力曲线是否正常，不正常的特征是哪些用电设备产生的。这个NILM负荷监测模块，不在本专利里作为一个权利要求，仅作为一个功能装置使用。通过数据分析技术识别出每个用电设备的工作状态；另一方面，基于无线通信的多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统通过实时曲线与历史数据的比对，判断出状态是否正常，并进一步通过故障设备研判模块进行故障评估，故障响应模块在收到故障信息后向电网公司及园区主动告警。同时故障响应模块将故障类型与设备判定进行联合，判断某个用户出现故障，从而利用设备GIS 平台快速对故障进行定位。
这里的监测服务器在本实施例中可采用远程智能平台实现。
实施例3
基于同一发明构思的本发明还提供了一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测方法，如图5所示：包括：
步骤1：基于安装在每个用户的总线路上的监测设备，监测各用户的用电信息；
步骤2：基于监测到的各用户的用电信息由监测服务器制定调用监测数据库中历史数据的调用指令，并基于调用指令调用的历史数据和用户信息确定各用户用电是否存在故障。
步骤2中的基于监测到的各用户的用电信息由监测服务器制定调用监测数据库中历史数据的调用指令，包括：
监测服务器基于监测到的各用户的用电信息以及获取的供用电资产清单，确定用户分类；
监测服务器基于监测数据库反馈的历史数据和用户分类形成用户数据集，并与用户数据进行对比，判断用户用电是否存在故障，并在用户存在故障时向发出告警信号。
还包括：将监测服务器判断的结果通过与监测服务器连接的用户显示器进行显示。
还包括：通过与监测服务器连接的物联网网关将监测的用户信息从无线通信协议转换为TCP/IP协议。
还包括：监测服务器与监测数据库和物联网网关通过数据线的方式进行数据传输。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和 /或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在发明待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测系统，其特征在于，包括：监测设备、监测服务器和监测数据库；
所述监测设备安装在每个用户的总线路上，用于监测各用户的用电信息，并将监测到的用电信息传输至所述监测服务器；
所述监测服务器，用于基于所述监测设备传输的用电信息制定向所述监测数据库发送的调用指令，同时接收所述监测数据库反馈的历史数据，并基于所述用电信息和调用的历史数据确定各用户用电是否存在故障；
所述监测数据库，用于基于所述监测服务器的调用指令调用历史数据，并将历史数据反馈至所述监测服务器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监测设备包括：终端设备和协调器；
所述终端设备和协调器通过无线网络通信；
所述终端设备，用于监测用户的用电信息，并发送至所述协调器；
所述协调器，用于将所述用户信息传输至所述监测服务器。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述终端设备包括：温湿度传感器、自动拓扑识别设备和非侵入式负荷监测设备；
所述温湿度传感器、自动拓扑识别设备和非侵入式负荷监测设备均安装在每个用户的总线路上；
所述温湿度传感器，用于采集每个用户总线所处的温湿度；
所述自动拓扑识别设备，用于根据用户负荷特征进行负荷类型判断；
所述非侵入式负荷监测设备，用于监测用户总线路上的电压、电流信号。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述监测设备还包括：路由器；
所述路由器与所述协调器、其他路由器或者终端设备连接，用于将采集到的用电数据进行转发。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监测服务器包括用户类型分解模块、故障研判模块、NILM负荷监测模块和故障响应模块；
所述用户类型分解模块，用于基于所述自动拓扑识别设备判断出的负荷类型，结合获取的供用电资产清单，确定用户分类，并发送至所述负荷监测模块；
所述负荷监测模块，用于基于所述监测数据库反馈的历史数据和用户分类形成用户数据集，并发送至所述故障研判模块；
所述故障研判模块，用于通过终端设备传输的用户数据和所述用户数据集进行对比，判断用户用电是否存在故障，并在用户存在故障时向所述故障响应模块发送响应指令；
所述故障响应模块，用于基于响应指令发出告警信号。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用户显示器；
所述用户显示器与所述监测服务器连接，用显示所述监测服务器判断的结果。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监测服务器通过数据线与所述监测数据库连接。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括与所述监测服务器通过数据线连接的物联网网关；
所述物联网网关，用于将监测的用户信息从无线通信协议转换为TCP/IP协议，再传输给监测服务器。
9.一种多类型园区用户安全低碳用电在线监测方法，其特征在于，包括：
基于安装在每个用户的总线路上的监测设备，监测各用户的用电信息；
基于监测到的各用户的用电信息由监测服务器制定调用监测数据库中历史数据的调用指令，并基于调用指令调用的历史数据和所述用户信息确定各用户用电是否存在故障。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于监测到的各用户的用电信息由监测服务器制定调用监测数据库中历史数据的调用指令，包括：
所述监测服务器基于监测到的各用户的用电信息以及获取的供用电资产清单，确定用户分类；
所述监测服务器基于所述监测数据库反馈的历史数据和用户分类形成用户数据集，并与用户数据进行对比，判断用户用电是否存在故障，并在用户存在故障时发出告警信号。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：将所述监测服务器判断的结果通过与所述监测服务器连接的用户显示器进行显示。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：通过与所述监测服务器连接的物联网网关将监测的用户信息从无线通信协议转换为TCP/IP协议。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：所述监测服务器与监测数据库和物联网网关通过数据线的方式进行数据传输。
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