非侵入式负荷监测终端设计与实现

王凯 耿悦桐 周宇昊 邢单玺

摘要：能源互联和泛在电力物联网对智能电网提出了更高的要求，同时也对用电信息数据深度挖掘提出了更高的要求。该文设计了非侵入式负荷监测终端，根据功能需求，进行整体方案确定、软硬件系统设计，进而判断各用电单元的种类、状态。最后，通过实验测试，验证终端的可靠性和稳定性。

关键词：泛在电力物联网;非侵入式负荷监测;终端设计

中图分类号：TP319 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）10-0050-03

近年来，电力行业随着大数据的发展得到了前所未有的发展，在监测和分析领域尤为突出，为了解决侵入式监测方法的诸多弊端，上世纪八十年代初由Hart教授最先提出利用电参数采集装置提出了非侵入负荷监测技术的相关概念。随着进入21世纪，大数据的蓬勃发展，利用大数据分析算法对电参数进行分析的非侵入式监测方法也得到了很好的发展，利用大数据分析和判断各用电单元的种类、状态，而且非侵入式监测对硬件的要求比较低。利用大数据分析进行非侵入式监测有利于建设节约型社会，实现能源的可持续性发展，并为缓解能源压力献出一份绵薄之力。

本文设计了一种非侵入式负荷监测终端，利用电能监测模块IM1281B测量电参数，利用STM32单片机对电能监测模块IM1281B的测量数据进行大数据分析，用以判断各用电单元的种类、状态，并将收到的数据和分析的结果通过GPRS模块上传到监测主站，同时将数据存储终端的存储模块上，并显示在OLED显示模块上;当主站收不到数据时，工作人员也可以在现场直接查看或调取数据;其中供电电路设有防雷电路，在配电系统受到雷击时不受损害，且该方法具有成本较低、响应时间较短、精度较高、功耗低、监测范围广等特点，可适用于大范围的用户监测。

1整体设计方案

本文的非侵入式负荷监测终端的硬件结构包括以$TM32为核心，降压电源模块、锂电池充电模块、电能监测模块IM1281B、GPRS模块、OLED显示模块、锂电池、sD卡读写模块以及Web服务器和数据服务器。STM32单片机向电能监测模块IM1281B发出监测指令，并接收电能监测模块IM1281B所发送的实时电参数信息并进行电参数的数据分析，以及将分析结果和电参数信息通过GPRS模块传递至Web服务器和数据服务器，STM32单片机同时将分析结果和电参数信息传递至sD卡模块进行存储和OLED显示模块进行显示。系统整体结构图见图1。

2硬件设计

2.1供电部分设计

供电部分主要由降压模块、锂电池充电模块、锂电池构成。降压模块将220V交流电压降到5V直流电压给锂电池充电模块供电。充电模块给锂电池供电，而锂电池给$TM32单片机供3.7～5V直流电。

2.2監测部分设计

通过用户电表，本方法将电能监测模块IMl281B安装在其后面。由电能监测模块IMl281B将测得的相关电能质量数据传给STM32单片机，再由单片机将测得的数据通过串口传给GPRS模块、SD卡读写模块、OLED屏幕显示模块。由sD卡读写模块存储，OLED屏幕显示模块显示。通过存储的电参数进行学习以及识别。而GPRS模块，则负责与监测主站通信。而单片机的供电，则由上文所述供电部分来完成。

2.3通信部分设计

STM单片机可以给GPRS模块发送初始化以及“AT”指令使之工作。GPRS模块将测得的相关电能质量数据以及识别到的对应用电器数据传递至Web服务器和数据服务器。而Web服务器和数据服务器共同构成了监测主站。在监测主站我们专门做了相关网站用以方便工作人员可以从网站上实时获取测得的相关电能质量数据以及识别到的对应用电器数据。

3程序设计

单片机先监测按键是否被按下，若按下按键，STM32单片机会重新启动并将SD卡读写模块中数据清零，若按键没按下，STM32单片机将对电能监测模块IMl281B发送监测指令，电能监测模块IM1281B收到监测指令后会将监测到的电流值实时发送给STM32单片机，单片机收到的电流值后会记录实时时间并通过串口发送给GPRS模块和通过串口将数据显示在OLED显示模块上，STM32单片机也会将数据通过USART将数据同步存储到SD卡读写模块中。程序设计框图见图2。

4学习模型的构建

主控芯片STM32F103VET6将5种用电器一共32种组合的有功功率，无功功率建立含有32项数据的功率组合表通过求取电源线上有功功率，无功功率与功率数据组合表中功率的欧氏距离，寻找最短距离的项来识别用电器的开关状态选取区分度大的有功功率与无功功率来作为用电器识别的电参数特征，把有功功率作为横轴，无功功率作为纵轴，建立笛卡尔坐标系。5种用电器对应32种开关状态，对应坐标系上32个样本点。求取电源线上测量的有功功率，无功功率与各个样本有功功率，无功功率的欧式距离，寻找其最小距离所对应的样本，从而完成匹配识别功能。

此种方案优点是识别速度快，对主控的计算要求低，对存储芯片的要求也低，代码简洁，即使再增加电参数特征，如电流有效值，功率因素，对主控的计算能力和系统的存储能力的要求也不会很高。缺点是只能识别功率可以长时间保持稳定的用电器，学习时需要存储所有开关状态的功率信息，学习时间长。工作流程如图3所示。

具体工作流程如下：首先使插座上的用电器工作在指定的开关状态，然后在HMI屏上触摸选取所要学习的用电器组合，读取电源线的有功功率，无功功率20次，对功率数据进行中值滤波和均值滤波后，将处理后的功率数据发送到存储芯片，从而完成学习。

5实验分析

实验具体步骤如下：建立功率数据组合表，并将功率数据发送到存储芯片中，完成学习功能。然后在监测模式下，通过实时求取电源上的有功功率，无功功率与功率数据组合表每一项的欧式距离，寻找欧氏距离最近的项，便可判定插座用电器的开关状态。已监测得到的数据如表1所示。具体实物图如图4所示。经测试检验，工作效果良好。在对比标准值前后百分之五的误差之后，我们测量的数据已足够精确。在监测模式下，本设计可以有效监测到用户的具体用电情况。在学习模式下，用户可以通过本设计识别出用电器的具体使用情况。同功率情况下功率因数和其他参数可以判断，因为我们对比的有五种参数组合，但每种组合都只有一种，所以不会出现同功率判断失误。

6结论

本文设计的非侵入式负荷监测终端，充分考虑负负荷侧能量流和信息流的实际需求，深度挖掘负荷分类和用户习惯，从终端系统方案论证到软硬件设计，最后对终端进行实验测试，验证了终端系统的可靠性和稳定性。本终端具有成本较低、响应时间较短、精度较高、功耗低等特点，可适用于大范围的用户监测。根据用户使用习惯和使用偏好，提高国家电网精准服务、构建节约型社会，具有积极的研究意义和应用价值。