用电态势感知系统设计与实现

摘 要：针对现有用电态势感知数据采集频次低、采集信息少等问题，设计了基于多区域多点的用电态势感知系统。首先，终端设备采集用电态势数据，并将数据实时上传到各点本地数据库。此数据采集系统利用分布式思想，保证各点在数据采集和存储过程中互不干扰，具有良好的可伸缩性。其次，基于B/S架构设计并实现了用电态势感知Web应用系统，保证了各点集中管理，可随时随地监测用电态势和设备远程控制。该系统既可以实现多区域多点用电态势数据的分布式实时采集和存储，也可以通过Web应用实时监测各区域各点的用电态势数据变化及各点设备远程控制，且已部署在某实验室。经验证，该系统运行稳定，具有较好的可扩展性和可移植性，在用电态势感知领域具有多方面的现实意义。

关键词：用电态势感知；用电态势数据采集；B/S架构；数据可视化；分布式；实时监测

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）04-00-04

0 引 言

随着社会经济和科技的发展，以及电器和自动化服务的应用，电力成为我国基础能源中的重要组成部分[1]，人们对电能的需求在过去10年稳步增长。在电力需求侧建立完善的智能用电体系，有助于促进优化能源管理和提高用电安全性[2-5]，同时有利于发现潜在的节能空间和机会[6]，促进双碳目标的实现。

在用电态势感知方面，研究人员提出了一些用电数据采集和监测系统方案。文献[7]基于无线传感网设计了机械式电能表用电数据自动采集方法，以提高用电数据采集的工作效率。文献[8]设计了一种面向设备用电管理的智能插座系统，实现了用电设备的远程供电开关，并对设备用电数据进行采集，通过对数据的分析，获取设备的运行监测曲线和能耗统计曲线，为管理人员在安全用电管理方面提供参考。文献[9]针对用户不能及时获得用电数据，导致无法立即处理异常用电行为的问题，设计了一种基于物联网，能够采集电流、电压和功率电气量的实时异常用电行为监测系统。文献[10]针对国家电网用户侧多能源数据采集需求，提出了一种用户侧多能源数据采集系统设计方案，将水、气、热表数据引入用电信息，实现了用户侧多能源数据的有效获取。文

献[11]概述了传感系统和物联网在有效监测电网节点之间能量流动方面的潜力，详细介绍了智能电表的设计和开发，旨在支持智能电网以高效的方式监测不同节点之间的电量。文献[12]探讨了基于智能家居系统的家庭用电监测系统方案的设计，针对单一电器和电表数据，设计了能耗监测模块，支持独立数据的采集和负荷分解算法，为全屋家电能耗监测管理提供精细化数据支持。上述研究完成了某些场景下用电数据的采集和监测，但仍存在一些问题，如只采集用电过程数据且采集频率低[9]、未考虑多区域多点的实时用电数据采集和监测[8]等。为了解决上述问题，本文设计了一种基于多区域多点的用电态势感知系统。

1 用电态势感知系统总体设计

1.1 用电态势感知系统需求分析

本文以某实验室用电态势感知系统为研究对象。系统由建筑内多个处理单元（Building Processing Unit，"BPU）[13]组成。系统依托智能化边缘设备和通信技术，对各BPU进行分布式实时信息采集，并将数据上传到BPU本地数据库进行分布式存储。用电态势感知应用系统能够对建筑内BPU的用电态势数据进行可视化处理，以及对BPU节点设备进行远程控制，从而实现用电态势感知单元的集中实时监控和远程管理。

BPU由断路器、边缘设备、本地数据库组成。其中，断路器为用电态势数据采集设备。以局域网为基础，所有BPU互联互通。使用树莓派作为边缘设备，将本地数据库部署在树莓派上，断路器与树莓派进行串口通信。建筑内BPU基础结构如图1所示。

1.2 用电态势感知系统框架设计

基于用电态势感知系统的需求分析，系统架构分为信息感知层、数据层和应用层，分别用来进行信息感知、数据存储和数据可视化及远程控制。具体来说，信息感知层由多个建筑环境的BPU组成。每个BPU负责实时采集用电态势数据，包括有功功率、无功功率、电压、电流等用电过程数据，断路器开关分合闸状态等用电行为数据，漏电电流等用电安全数据。同时，每个BPU将采集的信息保存到本地数据库中，实现了数据的分布式存储，提高了BPU的可扩展性和容错性。数据层包括各公共数据库和BPU本地数据库。公共数据库存储应用平台的基本配置信息，包括应用平台用户信息、项目信息（如建筑空间）、设备信息（如建筑空间内的BPU）及其关联信息。应用层采用B/S架构，通过HTTP协议实现前后端的数据交互，以及用电态势可视化和节点远程控制。用户在B/S模式下通过Web网页登录到应用平台。本文设计的用电态势感知系统架构如图2所示。

2 用电态势感知系统软件设计

根据用电态势感知系统架构，本文采用分布式采集与集中管理模式，对BPU进行实时监测和管理。用电态势感知系统由用电态势数据采集系统与用电态势感知Web应用系统组成。其中，用电态势数据采集系统分布在各BPU中，将采集的用电态势数据实时存储到BPU本地数据库，实现感知数据的分布式采集与存储；用电态势感知Web应用系统负责各BPU的集中管理和数据可视化。

2.1 用电态势数据采集系统

为了分析不同建筑空间单元、不同位置的用电态势，用电态势数据采集系统采用分布式数据采集和存储方案，有效地提高了数据采集的效率和处理能力。数据采集流程如下：

（1）用电态势数据采集系统通过串口方式连接BPU中的断路器设备，串口连接成功后向断路器发送请求数据指令；

（2）断路器返回数据包；

（3）数据包经系统解析处理后上传到BPU本地数据库。

用电态势数据采集系统模块如图3所示。

2.2 用电态势感知Web应用系统

用电态势感知Web应用系统采用B/S架构，实现用户登录注册、修改个人信息、用电数据可视化、用电事件通知等功能。用电态势感知Web应用系统功能结构如图4所示。

用户在浏览器中输入网址跳转到登录界面，如果尚未注册，可以通过登录界面提供的“注册”链接跳转到注册界面完成注册，在注册过程中，用户需要提供用户名、密码、邮箱等信息。点击“立即注册”按钮后，系统对注册信息进行格式校验。待校验通过，便完成了用户注册，直接跳转到用户登录界面；否则，系统在当前注册界面提示“错误信息”。用户通过用户名和密码登录，当用户名和密码校验错误时，当前登录界面提示“错误信息”；否则，直接跳转到系统首页。用户通过左侧导航栏进行界面切换。左侧导航栏展示首页和当前用户负责的所有项目及管理的设备。用户可以通过界面提供的导航栏收缩功能，隐藏导航栏。系统首页显示当前用户负责的项目总数、管理的设备总数、在用设备数量、当前累积用电量、当前漏电设备数量等信息。同时，首页能够向用户提供用电事件的通知。当用户选择某个项目下某个设备进入项目设备用电数据监控界面，界面默认展示最近1 h

的电流、板载温度、电压、累积电量变化曲线并设置每分钟刷新1次。用户也可以通过查询功能，查询当前节点的电流、电压、电量、板载温度、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率等在某时间段内的变化曲线。同时，用户通过“一键合闸”按钮和“一键分闸”按钮远程控制BPU设备开关。除此之外，此应用系统还提供个人信息修改和帮助等功能。用户可以修改登录密码和邮箱，对系统存在的任何问题可以通过“帮助”链接及时联系系统的技术管理员。

3 系统运行效果

3.1 用电态势感知系统运行情况

用电态势数据采集系统基于Java语言开发，使用集成开发环境进行打包，生成Jar包作为应用程序的部署文件。在应用程序部署时，用电态势数据采集系统通过scp命令将Jar包上传到各BPU节点，然后通过远程管理工具（如MobaXterm）连接到BPU，进行Jar包的运行和部署。应用程序每秒钟采集1次用电态势数据，将采集的数据传输到BPU本地数据库。

用电态势感知Web应用系统基于B/S架构开发，在Linux服务器上搭建系统并已在某实验室稳定运行。Web终端使用浏览器访问。用电态势感知Web应用系统运行部署环境见表1。

3.2 用电态势感知Web应用界面展示

用电态势感知Web应用系统采用B/S架构，基于MVC（Model View Control）设计思想，通过Bootstrap、JQuery、HTML5、JavaScript、CSS进行页面布局，使用ECharts插件完成用电态势数据可视化。其中，Web前端使用JSP技术实现，利用Ajax异步通信技术与服务器通信，发送数据请求；后端采用Java语言实现，使用Servlet技术接收和请求客户端用户的响应，使得JSP页面能够动态获取数据。用电态势感知Web系统实现了用电态势数据实时可视化、BPU节点监控、统计信息展示等功能。此外，该系统应用部署简单，具有很强的扩展性，能轻松实现多区域多节点的实时监控。

图5为用电态势感知Web应用系统登录界面。用户可以通过用户名和密码登录系统。图6为用电态势感知Web应用系统注册界面。图7为用电态势感知Web应用系统主界面，展示当前用户所管理项目的部分统计信息，如项目总数、设备总数、当前累积用电量，还包括消息通知。此处用电事件分析系统暂未接入系统，因此暂无实际消息。

图8为项目设备用电数据监控界面。用电态势感知Web系统在运行过程中每分钟刷新1次最近1 h的用电数据，使用户能快速直观地了解当前设备节点用电数据的变化趋势。同时，该系统还提供查询功能。用户可以查询某数据在某段时间内的变化情况。

4 结 语

本文基于多区域多点BPU设计了一种用电态势感知系统，从系统总体设计、系统软件设计和系统运行等方面对该系统进行了全方位的介绍。用电态势数据采集系统使用了分布式数据采集和存储，降低了对建筑信息处理单元的计算能力和数据存储能力的要求。同时，这种分布式的设计使得数据采集系统具有较强的可扩展性和灵活性。用电态势感知Web应用系统实现了多区域多节点的集中监控，使用户可以实时查看用电态势数据的变化趋势。实验结果表明，该系统运行稳定，操作简单，可扩展性和可移植性强，在用电态势感知领域具有多方面的现实意义。在此系统基础上，未来将进一步分析用户用电行为活动，检测其异常行为，从而优化能源管理和提高用电安全性，为智能建筑管理提供支持。

注：本文通讯作者为张振亚。

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