CN212060424U - 一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，属于互联网云平台监控领域，包含分布式硬件节点、路由器、云服务器和智能终端，所述分布式硬件节点包含电力供给路口模块、负荷模块、功率计量电路、光耦隔离模块、CPLD及MCU处理单元、WiFi模块、继电器模块、电源管理电路模块；本实用新型设计了电源管理电路、功率计量电路等，通过Wi‑Fi向云服务器上传负荷的实时功率信息，云服务器可以根据预先训练好的分类器识别当前负荷种类，实现负荷的分类计量；以非侵入方式采集负荷功率信息，减少安装和维护的工作量；借助云服务器识别负荷、分析运行状态，可以远程控制负荷开关，从而指导用户合理规划用电，实现节能减排。

Description

一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统

技术领域

本实用新型涉及互联网云平台监控领域，尤其涉及一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统。

背景技术

目前，电能是现代生产生活中应用最广泛、最重要的能源之一。在电能计量方面，传统的“一户一表”方式是由电力部门抄取电能表并给出当月耗电度数，其弊端在于用户无法获知具体某用电器在某时间段内的耗电情况。可以说，用户对负荷集的动态实时运行信息的掌握还相当匮乏。为解决此问题，传统的侵入式监测方式在每个待测负荷上加装功率测量硬件，“一对一”地监测负荷运行信息，缺点是需要破坏负荷原有的供电电路，在安装、维护上将耗费大量的人力物力。

非侵入式负荷监测系统(Non-intrusive Load Monitoring System，NILMS)是在电力供给入口处安装功率测量硬件，无需破坏负荷硬件结构，可以“一对多”地监控负荷运转状态。但由于缺乏当前所接入负荷的种类先验信息，故随之而来的是负荷种类识别的问题。

对于目前电力电子行业，传统开关电源不仅成本高昂，并且电源的体积和灵活性难以得到保证，尤其针对于新能源行业的储能系统，其主电路由多种拓扑电路组合而成，系统内部分布着很多个IGBT，需要多路隔离电源作为IGBT的驱动电源。在这种复杂的电力电子系统中，要实现可靠、稳定，分布式的多路隔离电源一直是一大难题。面对这些问题，以前采用集中式的多路隔离电源，而在许多电力电子系统中，需要隔离电源的点不仅多、而且分布广，如何将这些隔离电源集中控制是一大难题。以往通常采用的集中式多路隔离电源存在电源距离用电负荷太远，多路隔离电源之间的电压太高，电磁干扰严重，不利于系统走线。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，包含了电源管理电路、功率计量电路等，通过Wi-Fi向云服务器上传负荷的实时功率信息，云服务器可以根据预先训练好的分类器识别当前负荷种类，实现负荷的分类计量。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，包含分布式硬件节点、路由器、云服务器和智能终端，所述分布式硬件节点通过路由器连接云服务器，所述云服务器与智能终端连接；所述分布式硬件节点包含电力供给路口模块、负荷模块、功率计量电路、光耦隔离模块、CPLD及MCU处理单元、WiFi模块、继电器模块、电源管理电路模块；所述电力供给路口模块的输出端分别连接负荷模块的输入端、电源管理电路模块的输入端，所述负荷模块的输出端连接功率计量电路的输入端，所述功率计量电路的输出端连接光耦隔离模块的输入端，所述光耦隔离模块的输出端连接CPLD及MCU处理单元的输入端，所述CPLD及MCU处理单元的输出端分别连接WiFi模块和继电器模块的输入端，所述继电器模块的输出端连接电源管理电路模块的输入端。

作为本实用新型一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统的进一步优选方案，所述电源管理电路模块包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一二极管、第二二极管、肖特基二极管、第一三极管、第二三极管；其中，火线L端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一电容的一端、第二电阻的一端、第三电阻的一端、第一电感的一端，第一电容的另一端分别连接第一二极管的正极并接地，第一二极管的负极连接零线N端，第二电阻的另一端连接第一三极管的集电极，第三电阻的另一端分别连接的第一电感的另一端、第二三极管的集电极，第一三极管的基极分别连接第五电阻的一端、第四电阻的一端，第五电阻的另一端连接肖特基二极管的正极，肖特基二极管的负极分别连接第三电容的一端、第七电阻的一端、第二电感的一端，第三电容的另一端分别连接第七电阻的另一端、第一三极管的发射极并接地，第二电感的另一端连接第三二极管的负极、第十电阻的一端，第十电阻的另一端连接第二电容的另一端，第三二极管的正极接地，第三电感的一端分别连接第四电容的一端、第九电阻的一端、5V正极输出端，第四电容的另一端分别连接第二二极管的正极、第九电阻的另一端、5V负极输出端，第二二极管的负极连接第三电感的另一端。

作为本实用新型一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统的进一步优选方案，所述功率计量电路的芯片型号为HLW8012。

作为本实用新型一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统的进一步优选方案，所述光耦隔离模块采用双通道光耦芯片HCPL-0630。

作为本实用新型一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统的进一步优选方案，所述智能终端包含手机、电脑和平板。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型设计了电源管理电路、功率计量电路等，通过Wi-Fi向云服务器上传负荷的实时功率信息，云服务器可以根据预先训练好的分类器识别当前负荷种类，实现负荷的分类计量；

2、本实用新型能够以非侵入方式采集负荷功率信息，减少安装和维护的工作量；借助云服务器识别负荷、分析运行状态，可以远程控制负荷开关，从而指导用户合理规划用电，实现节能减排；及时排除故障，保障人身安全，减少财产损失，是智能电网发展的必然趋势；

3、本实用新型设计并研制出非侵入式负荷功率采集装置，全天候地向云服务器上传负荷功率信息，并对强电区域和弱电区域进行电气隔离，增加硬件节点的可靠性；借助云服务器平台实现负荷种类识别功能，预先通过PCA对常用负荷的功率值序列进行训练，达到特征提取与降维的目的，再利用kNN对待识别样本进行归类，经多次实验，显示负荷识别率可以达到98%以上。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现

有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发

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他的附图。

图1是本实用新型整体系统结构原理图；

图2是本实用新型分布式硬件节点的结构原理图；

图3是本实用新型电源管理电路模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术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，都属于本实用新型保护的范围。

一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，如图1所示，包含分布式硬件节点、路由器、云服务器和智能终端，所述分布式硬件节点通过路由器连接云服务器，所述云服务器与智能终端连接；其中，分布式硬件节点布设在各电力供给入口处采集负荷的功率信息，每个节点上都带有Wi-Fi芯片用于连接路由器；路由器将各节点的功率信息通过因特网转发至云服务器；云服务器上保存有各个节点上不同负荷的历史耗电记录，并根据训练好的分类器识别当前运转的负载，同时向用户提供访问接口；用户可以通过智能终端联网查看各电力供给入口的负荷运行状态，发送电路控制指令。

如图2所示，所述分布式硬件节点包含电力供给路口模块、负荷模块、功率计量电路、光耦隔离模块、CPLD及MCU处理单元、WiFi模块、继电器模块、电源管理电路模块；所述电力供给路口模块的输出端分别连接负荷模块的输入端、电源管理电路模块的输入端，所述负荷模块的输出端连接功率计量电路的输入端，所述功率计量电路的输出端连接光耦隔离模块的输入端，所述光耦隔离模块的输出端连接CPLD及MCU处理单元的输入端，所述CPLD及MCU处理单元的输出端分别连接WiFi模块和继电器模块的输入端，所述继电器模块的输出端连接电源管理电路模块的输入端。

当负荷接入电力供给入口时，功率计量电路采集负荷的电压、电流有效值并转换为随交流电浮动的高频脉冲信号；通过光电耦合器将高频脉冲信号与交流电隔离后，CPLD用“等精度测量”的方法对高频脉冲计数；MCU获得脉冲频率后，解算出功率值并通过Wi-Fi发送到云服务器。另外，当硬件节点收到由云服务器传来的控制指令时，由MCU控制继电器通断。

本实用新型设计了电源管理电路、功率计量电路等，通过Wi-Fi向云服务器上传负荷的实时功率信息，云服务器可以根据预先训练好的分类器识别当前负荷种类，实现负荷的分类计量；

本实用新型能够以非侵入方式采集负荷功率信息，减少安装和维护的工作量；借助云服务器识别负荷、分析运行状态，可以远程控制负荷开关，从而指导用户合理规划用电，实现节能减排；及时排除故障，保障人身安全，减少财产损失，是智能电网发展的必然趋势；

本实用新型设计并研制出非侵入式负荷功率采集装置，全天候地向云服务器上传负荷功率信息，并对强电区域和弱电区域进行电气隔离，增加硬件节点的可靠性；借助云服务器平台实现负荷种类识别功能，预先通过PCA对常用负荷的功率值序列进行训练，达到特征提取与降维的目的，再利用kNN对待识别样本进行归类，经多次实验，显示负荷识别率可以达到98%以上。

如图3所示，所述电源管理电路模块包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一二极管、第二二极管、肖特基二极管、第一三极管、第二三极管；其中，火线L端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一电容的一端、第二电阻的一端、第三电阻的一端、第一电感的一端，第一电容的另一端分别连接第一二极管的正极并接地，第一二极管的负极连接零线N端，第二电阻的另一端连接第一三极管的集电极，第三电阻的另一端分别连接的第一电感的另一端、第二三极管的集电极，第一三极管的基极分别连接第五电阻的一端、第四电阻的一端，第五电阻的另一端连接肖特基二极管的正极，肖特基二极管的负极分别连接第三电容的一端、第七电阻的一端、第二电感的一端，第三电容的另一端分别连接第七电阻的另一端、第一三极管的发射极并接地，第二电感的另一端连接第三二极管的负极、第十电阻的一端，第十电阻的另一端连接第二电容的另一端，第三二极管的正极接地，第三电感的一端分别连接第四电容的一端、第九电阻的一端、5V正极输出端，第四电容的另一端分别连接第二二极管的正极、第九电阻的另一端、5V负极输出端，第二二极管的负极连接第三电感的另一端。

本实用新型自激隔离式开关电源用于给光耦、CPLD、MCU、继电器和Wi-Fi芯片供电，单相工频市电经半波整流后加到第二三极管Q2上，第二三极管Q2起到开关的作用，当第二三极管Q2微导通时，变压器初级绕组L1和L2将产生相反方向的感应电动势；当第二三极管Q2处于饱和状态时，第一电感L1中电流近似线性增加，第二电感L2中产生的稳定电动势给第二电容C2充电；当第二三极管Q2处于截止状态时，第一电感L1和第二电感L2中的感应电动势极性反转，最终形成自激振荡，在副级电路中，通过第二二极管D2和电解电容C4进行稳压滤波。

负荷的实时用功功率计量电路，HLW8012是一款单相功率计量芯片，满足50/60 HzIEC 687/1036准确度要求标准。L_Relay为经过继电器的火线，N为零线。通过在负荷回路中串联2 mΩ的康铜电阻RS采样工作电流，通过电阻网络R5~R9采集工作电压。将采样电压经压频转换后，输出表征电压、电流有效值和有功功率的高频脉冲信号CF和CF1。

光耦隔离电路的作用是将功率计量电路输出的高频脉冲转换为3.3 V电平标准的数字脉冲并与强电区域隔离，隔离后的脉冲由CPLD计数。HCPL-0630是双通道光耦芯片，开关速度可达到10 Mb/s。

Wi-Fi电路与云服务器实现TCP/IP通信。云服务器收到终端发出的控制指令后，将指令按硬件编号转发到各节点上。节点通过Wi-Fi电路接收到开关指令，通过继电器电路控制负荷与电力入口连通或断开。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进 行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，其特征在于：包含分布式硬件节点、路由器、云服务器和智能终端，所述分布式硬件节点通过路由器连接云服务器，所述云服务器与智能终端连接；所述分布式硬件节点包含电力供给路口模块、负荷模块、功率计量电路、光耦隔离模块、CPLD及MCU处理单元、WiFi模块、继电器模块、电源管理电路模块；所述电力供给路口模块的输出端分别连接负荷模块的输入端、电源管理电路模块的输入端，所述负荷模块的输出端连接功率计量电路的输入端，所述功率计量电路的输出端连接光耦隔离模块的输入端，所述光耦隔离模块的输出端连接CPLD及MCU处理单元的输入端，所述CPLD及MCU处理单元的输出端分别连接WiFi模块和继电器模块的输入端，所述继电器模块的输出端连接电源管理电路模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，其特征在于：所述电源管理电路包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一二极管、第二二极管、肖特基二极管、第一三极管、第二三极管；其中，火线L端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一电容的一端、第二电阻的一端、第三电阻的一端、第一电感的一端，第一电容的另一端分别连接第一二极管的正极并接地，第一二极管的负极连接零线N端，第二电阻的另一端连接第一三极管的集电极，第三电阻的另一端分别连接的第一电感的另一端、第二三极管的集电极，第一三极管的基极分别连接第五电阻的一端、第四电阻的一端，第五电阻的另一端连接肖特基二极管的正极，肖特基二极管的负极分别连接第三电容的一端、第七电阻的一端、第二电感的一端，第三电容的另一端分别连接第七电阻的另一端、第一三极管的发射极并接地，第二电感的另一端连接第三二极管的负极、第十电阻的一端，第十电阻的另一端连接第二电容的另一端，第三二极管的正极接地，第三电感的一端分别连接第四电容的一端、第九电阻的一端、5V正极输出端，第四电容的另一端分别连接第二二极管的正极、第九电阻的另一端、5V负极输出端，第二二极管的负极连接第三电感的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，其特征在于：所述功率计量电路的芯片型号为HLW8012。

4.根据权利要求1所述的一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，其特征在于：所述光耦隔离单元采用双通道光耦芯片HCPL-0630。

5.根据权利要求1所述的一种基于云平台的非侵入式负荷监测与识别系统，其特征在于：所述智能终端包含手机、电脑和平板。

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