摘　要：智慧用電系統(tǒng)是實時監(jiān)控用電線路可能發(fā)生電氣危害的在線系統(tǒng)。文章研究了當(dāng)前智慧用電系統(tǒng)的不足，分析了大數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了基于大數(shù)據(jù)分析的智慧用電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以滿足智慧用電系統(tǒng)。海量數(shù)據(jù)分析的要求，適用于智慧城市消防、用能信息、智慧路燈市政等系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智慧用電系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)；智慧城市；用能信息

0  引言

智慧用電系統(tǒng)是實時監(jiān)控用電線路中可能發(fā)生漏電、電弧、過載、短路、線路溫度異常等電氣危險，不間斷采集并分析用電線路中剩余電流、線纜溫度、電壓、電流等主要電氣火災(zāi)引發(fā)因素數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)終端電氣線路監(jiān)測、異常數(shù)據(jù)報警等功能的用電安全隱患監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)。智慧用電系統(tǒng)包括用電單元監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸平臺、用電數(shù)據(jù)分析平臺以及用電數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺。該系統(tǒng)通過采集并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測用戶的用電行為，可用于電能源調(diào)配、用電隱患預(yù)測、用電系統(tǒng)優(yōu)化、智能預(yù)報警等方面。

在用電信息采集領(lǐng)域，數(shù)字化、信息化以及智能化的程度日益提高，智能電表、智能插座、智慧消防監(jiān)測設(shè)備等設(shè)備的大量使用，為智慧用電系統(tǒng)帶來了海量的數(shù)據(jù)源。傳統(tǒng)的智慧用電系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足如此規(guī)模的數(shù)據(jù)分析、預(yù)測和管理的需求。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的分析技術(shù)，目前，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到運用，并都取得了明顯的應(yīng)用效果，大數(shù)據(jù)分析的目的是從大量、高速、多樣、低價值密度、真實性的數(shù)據(jù)中對特定的、有價值的信息進(jìn)行準(zhǔn)確提取。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)主要涉及巨量數(shù)據(jù)的快速采集技術(shù)、存儲技術(shù)、分析與挖掘技術(shù)、可視化呈現(xiàn)技術(shù)[４]。目前，大數(shù)據(jù)分析已經(jīng)有很多解決方案，HaＧdoop分布式系統(tǒng)框架是目前應(yīng)用比較多的一種成熟解決方案[５]。在Hadoop框架下，通過HDFS (HadoopdistribuＧtedfilesystem)實現(xiàn)分布式計算中底層數(shù)據(jù)存儲管理，通過MapReduce實現(xiàn)任務(wù)的分解和調(diào)度，通過Hive實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理。

1  大數(shù)據(jù)智慧用電分析關(guān)鍵技術(shù)

大數(shù)據(jù)智慧用電管理技術(shù)通過對海量數(shù)據(jù)源按一定標(biāo)準(zhǔn)格式抽取與集成，對存儲數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)可視化，實現(xiàn)了對智慧用電數(shù)據(jù)的管理。

1.1 大數(shù)據(jù)智慧用電集成管理技術(shù)

大數(shù)據(jù)智慧用電集成管理技術(shù)是將多種技術(shù)管理方案進(jìn)行集中管理，合并這些技術(shù)方案數(shù)據(jù)并產(chǎn)生一個功能更多的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的技術(shù)。數(shù)據(jù)的合并是將不同來源和不同格式的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)邏輯上或者存儲介質(zhì)上進(jìn)行有機的統(tǒng)一管理，從而為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、數(shù)據(jù)集合。利用大數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)可以解決原有智慧用電系統(tǒng)中不同方案之間的信息孤島問題。大數(shù)據(jù)的一個重要特點就是數(shù)據(jù)來源的多樣性，這意味著數(shù)據(jù)來源廣泛，數(shù)據(jù)類型繁雜，這種復(fù)雜的數(shù)據(jù)環(huán)境給大數(shù)據(jù)處理帶來挑戰(zhàn)[６]。數(shù)據(jù)的抽取與集成就是將各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)按照關(guān)系提取，本質(zhì)上是對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使冗余、復(fù)雜的大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)化、準(zhǔn)確、可用的數(shù)據(jù)[７]。

分布式文件系統(tǒng)能將文件分布存儲在多個計算機節(jié)點的文件系統(tǒng)。當(dāng)前大數(shù)據(jù)領(lǐng)域中，因HDFS分布式文件系統(tǒng)采用了冗余數(shù)據(jù)存儲，提高了數(shù)據(jù)可靠性，以具有強大的跨平臺特性，該系統(tǒng)被廣泛用于超大數(shù)據(jù)集文件存儲。

1.2大數(shù)據(jù)智慧用電的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心是大數(shù)據(jù)的分析。在經(jīng)過預(yù)處理之后的大數(shù)據(jù)，可借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析智慧用電的海量數(shù)據(jù)，找出潛在的模態(tài)和規(guī)律，為決策人員提供決策依據(jù)。統(tǒng)計學(xué)和計算機科學(xué)等自然科學(xué)是大數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵技術(shù)的來源。經(jīng)過多年的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)已經(jīng)囊括了關(guān)聯(lián)分析、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列預(yù)測模型、遺傳算法等多種分析方法[８]。

大數(shù)據(jù)智慧用電分析技術(shù)在原有的智慧用電系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展，引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)并結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法，讓新的智慧用電系統(tǒng)具備海量數(shù)據(jù)抽取、動態(tài)模型分析、快速決策等功能。大數(shù)據(jù)智慧用電分析從大數(shù)據(jù)的抽樣、特征選擇開始，精簡數(shù)據(jù)規(guī)模；采用聚類等數(shù)據(jù)分析算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代提取出數(shù)據(jù)分析模型；開展大數(shù)據(jù)并行算法，挖掘其他分析模型并利用機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)系統(tǒng)的智能判斷。

1.3大數(shù)據(jù)智慧用電的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

大數(shù)據(jù)智慧用電的數(shù)據(jù)處理需求主要集中于大大數(shù)據(jù)量的分布式處理方法、數(shù)據(jù)泛化處理以及數(shù)據(jù)實時處理等方面[４]。

分布式處理采用Hadoop框架對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理，可以用于智慧用電信息采集部分，實現(xiàn)大規(guī)模分散數(shù)據(jù)源的采集。數(shù)據(jù)泛化處理采用文本處理、多媒體處理以及圖像技術(shù)對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。采用流式處理技術(shù)可以實現(xiàn)毫秒級的實時數(shù)據(jù)處理效果，可用于金融交易、傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)等要求實時性高的場合。

1.4大數(shù)據(jù)智慧用電的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

大數(shù)據(jù)智慧用電的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以更直觀、更迅速的方式幫助管理人員理解用電系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)涵，了解整個智慧用電的運行情況。雖然可視化技術(shù)早已用在智慧用電系統(tǒng)中，但在智慧用電系統(tǒng)中采用大數(shù)據(jù)技術(shù)后，可以在原有用電系統(tǒng)上發(fā)掘出更深層次的用電規(guī)律?？梢暬夹g(shù)結(jié)合地理位置信息、實時用電參數(shù)信息等數(shù)據(jù)信息，采用可靠的數(shù)據(jù)分析模型，實時分析并展示智慧用電系統(tǒng)中危險環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)走勢，從而實現(xiàn)對危險環(huán)節(jié)的實時預(yù)警功能。

2  基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)設(shè)計

大數(shù)據(jù)智慧用電系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集分析的過程、數(shù)據(jù)的應(yīng)用等方面深度挖掘用電系統(tǒng)中數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并依托現(xiàn)有的各類業(yè)務(wù)層級設(shè)計系統(tǒng)的架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖１所示。

圖１ 大數(shù)據(jù)智慧用電管理系統(tǒng)技術(shù)框架

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲、服務(wù)模塊、分析模型、系統(tǒng)應(yīng)用５個層級，將原有的智慧用電系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合。

數(shù)據(jù)接入將系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)來源按照一定的數(shù)據(jù)特征，使用大數(shù)據(jù)Kafka、Flume、Chukwa等方式，完成對數(shù)據(jù)的抽取、清洗、標(biāo)準(zhǔn)化。該方式可以保證接入數(shù)據(jù)、高質(zhì)，為上層分析奠定基礎(chǔ)。

智慧用電系統(tǒng)采用Hadoop 框架，利用Habase 和HDFS大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫并結(jié)合傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的存儲，從而提升系統(tǒng)對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫的調(diào)度水平。

服務(wù)模塊將系統(tǒng)管理、信息展示、信息安全控制、數(shù)據(jù)分析、計算結(jié)合到一起。系統(tǒng)管理是管理系統(tǒng)產(chǎn)生的信息、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置等資源；信息展示是將系統(tǒng)中產(chǎn)生各類數(shù)據(jù)來源的儀表、傳感器及終端設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行展示；信息安全控制是控制系統(tǒng)的安全權(quán)限、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)的加密傳輸；數(shù)據(jù)分析是采用大數(shù)據(jù)智能算法，將系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；采用ApacheSpark快速通用的計算引擎，提升數(shù)據(jù)計算的效率。

系統(tǒng)將數(shù)據(jù)源的各類數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗和標(biāo)準(zhǔn)化之后，采用聚類等算法建立數(shù)據(jù)分析的模型。該模型可用于智慧用電異常監(jiān)測、用電風(fēng)險預(yù)測。

大數(shù)據(jù)智慧用電系統(tǒng)繼承了智慧用電的應(yīng)用功能，能夠為智慧消防、智慧城市、智慧建筑等新的應(yīng)用場景提供更可靠的管理平臺。

3  安科瑞安全用電平臺

3.1安科瑞智慧安全用電平臺平臺介紹

安科瑞Acrelcloud-6000智慧安全用電平臺是針對我國當(dāng)前電氣火災(zāi)事故頻發(fā)而創(chuàng)新的一套電氣火災(zāi)預(yù)警和預(yù)防管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)、通過物聯(lián)網(wǎng)傳感終端，將辦公建筑、學(xué)校、醫(yī)院、賓館、體育場館、生產(chǎn)企業(yè)等人員密集場所的電氣安全數(shù)據(jù)，實時傳輸至安全用電管理云服務(wù)器，為用戶提供不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤、統(tǒng)計分析和安全監(jiān)管，將平臺發(fā)現(xiàn)各種安全隱患信息及時告警信號，并推送給企業(yè)有關(guān)人員，以便其及早檢查和消除隱患，做到防患于未然。

3.2安科瑞安全用電平臺結(jié)構(gòu)

3.3智慧安全用電平臺主要功能

1)實時監(jiān)控

24小時監(jiān)視各探測點的剩余電流、溫度、電壓、電流、諧波、功率、電能及其他設(shè)備狀態(tài)等信息。

2)歷史記錄

所有告警信息及遠(yuǎn)程控制均被記錄入日志，并可供用戶方便查詢。

3)數(shù)據(jù)分析

針對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種模型分析和報告，為客戶消除安全隱患；提供能耗分析功能。

4)報警提醒

當(dāng)平臺收到報警或故障信息時，平臺將以短信或APP推送等方式通知管理人員，提醒關(guān)注故障狀況，并采取相應(yīng)的措施消除隱患。

5)權(quán)限管理

平臺通過對用戶類型實施分級管理以實現(xiàn)更高的信息安全，擁有相應(yīng)*的用戶可以對*范圍內(nèi)的項目、設(shè)備、探測器等監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行情況進(jìn)行查看、配置修改。

6)遠(yuǎn)程控制

具備權(quán)限的管理人員可以遠(yuǎn)程設(shè)定探測器的各種參數(shù)值，或者對監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行分閘、復(fù)位、消音、自檢和遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)等操作，方便管理，同時提高工作效率。

3.4安科瑞智慧安全用電平臺配置

注：以上配置為針對1個回路選型，其中剩余電流互感器應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場回路電流大小選擇，根據(jù)實際三選一。

4  安科瑞環(huán)保用電平臺

4.1安科瑞環(huán)保用電云平臺介紹

AcrelCloud-3000環(huán)保設(shè)施用電監(jiān)管云平臺，依托快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力參數(shù)傳感技術(shù)，實時采集企業(yè)總用電、工藝生產(chǎn)設(shè)備用電、污染治理設(shè)施設(shè)備用電等數(shù)據(jù)，通過設(shè)施運行停車分析、越限分析、停/限產(chǎn)分析、工藝關(guān)聯(lián)分析等，及時發(fā)現(xiàn)環(huán)保治理設(shè)施、設(shè)備等未開啟、空轉(zhuǎn)、減速、降頻以及異常關(guān)閉等未正常工作的情況；同時，通過數(shù)據(jù)分析，還可以實時監(jiān)控限產(chǎn)和停產(chǎn)整治企業(yè)運行狀態(tài)。

4.2平臺結(jié)構(gòu)

4.3環(huán)保用電平臺主要功能

實時監(jiān)控

采集現(xiàn)場信號，包括企業(yè)總用電、生產(chǎn)/污染治理設(shè)備用電信息。

治污設(shè)備異常運行實時報警

通過關(guān)聯(lián)分析、超限分析、啟停時間分析，及時發(fā)現(xiàn)治污設(shè)備未開啟、異常關(guān)閉及減速、空轉(zhuǎn)、降頻等異常情況。

應(yīng)急減排分析

系統(tǒng)能夠根據(jù)*發(fā)布的錯峰生產(chǎn)和應(yīng)急預(yù)案自動判斷分析，對企業(yè)拒執(zhí)行指令、違規(guī)生產(chǎn)等狀況及時向環(huán)保部門預(yù)警。

企業(yè)運行分析

環(huán)保監(jiān)管平臺自動生成企業(yè)運行診斷報告，配合環(huán)保*門分析設(shè)備環(huán)保設(shè)備運行情況。

異常數(shù)據(jù)申報

提供企業(yè)主動上報異常，支持審核駁回之后重新申報提交審核。

數(shù)據(jù)挖掘

對企業(yè)用電情況進(jìn)行預(yù)測，預(yù)判設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)異常提前預(yù)警。統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，有效解決數(shù)據(jù)真實有效的問題，排除數(shù)據(jù)弄虛作假的可能性。

4.4安科瑞環(huán)保用電平臺配置方案

5安科瑞物業(yè)預(yù)付費平臺

5.1安科瑞物業(yè)預(yù)付費平臺介紹

安科瑞物業(yè)預(yù)付費管理系統(tǒng)是安科瑞公司研制的與DDSY-1352單相電子式預(yù)付費電能表及DTSY-1352三相電子式預(yù)付費電能表配套的售電管理系統(tǒng)。

另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費系統(tǒng)，達(dá)到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關(guān)閥。

主要完成電能表/水表參數(shù)設(shè)置，商戶售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡便，實現(xiàn)物業(yè)公司遠(yuǎn)程實時操作實時監(jiān)控，具有良好的人機界面，能夠有效的統(tǒng)計和管理數(shù)據(jù)。安裝方便，是用電管理部門、商業(yè)廣場和物業(yè)小區(qū)，提高用電用水管理水平，解決收費難問題的理想產(chǎn)品。

5.2安科瑞遠(yuǎn)程預(yù)付費平臺結(jié)構(gòu)

5.3安科瑞物業(yè)預(yù)付費平臺功能

電表開戶

系統(tǒng)針對商鋪開戶不僅支持一戶一表，也支持一戶掛多表的需要；同時解決了項目改造后新老表切換時，老表金額轉(zhuǎn)入的問題；支持峰谷電價；可對單表設(shè)置功率過載的閾值，也支持設(shè)置單表金額報警的兩級閾值。

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遠(yuǎn)程售電

可以對已開戶的電表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電，電費實時下發(fā)到電表，電表會根據(jù)電度走字實時扣除電費。

電表批量操作

批量遠(yuǎn)程操作場景中，系統(tǒng)提供了多項功能，針對開戶、報警1、報警2、欠費、未開戶、失聯(lián)狀態(tài)都有不同的顏色顯示：

1.電價下發(fā)；2.設(shè)置下發(fā)；3.保電（強制合閘）；4.恢復(fù)預(yù)付費（欠費自動跳閘）；5.拉閘（強制斷電）；6.抄表導(dǎo)出（導(dǎo)出當(dāng)前所有表狀態(tài)為XLS）

報表統(tǒng)計

系統(tǒng)還提供了多個報表以供查詢，分別是日/月/年財務(wù)銷售統(tǒng)計報表、失聯(lián)表/網(wǎng)關(guān)查詢報表、能耗查詢報表、實時報警/歷史報警查詢報表。

水表預(yù)付費

系統(tǒng)同樣支持水表的預(yù)付費功能，不僅支持普通188和ModBus協(xié)議的水表，也支持NB水表。

遠(yuǎn)程售水

水表余額區(qū)別于電表，是保存與系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)每天的抄表計算扣除剩余水量。

報表統(tǒng)計

水表也提供多種報表供用戶查詢統(tǒng)計，包括銷售報表，綜合用水報表、水表失聯(lián)報表、水表告警記錄歷史報表等。

物業(yè)管理的功能

1.房租代扣

可以給每個房間添加房租協(xié)議，系統(tǒng)會自動根據(jù)設(shè)置的時間按期扣房租，房租采用預(yù)付費模式，如果余額不足則系統(tǒng)會強制拉閘，方便物業(yè)催繳房租。

2.公共區(qū)域用電分?jǐn)?/span>

某塊表為主表，然后分配關(guān)聯(lián)子表，系統(tǒng)每個月自動將主表的用電按比例換算成電費從子表中扣除，這樣可以剩余人工統(tǒng)計的麻煩。

后付費模式

按日期生成后付費用戶周期用電費用，對數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)后生成繳費賬單方便追蹤客戶繳費情況，可導(dǎo)出繳費賬單以及欠費賬單通知客戶。

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5.4安科瑞物業(yè)預(yù)付費平臺配置

6  結(jié)語

大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)蘊藏著巨大的潛力，如何將這種潛力發(fā)掘出來已經(jīng)是當(dāng)前各行各業(yè)研究的熱點。本文針對當(dāng)前智慧用電系統(tǒng)無法滿足海量數(shù)據(jù)增長的需求，采用大數(shù)據(jù)分析框架，設(shè)計了基于大數(shù)據(jù)的智慧用電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析并完成對用電情況的預(yù)測，可以用于用電安全、智慧消防、智慧城市等系統(tǒng)中。

【參考文獻(xiàn)】

[1]謝小軍 柳星 馬亮 胡萍萍.基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)設(shè)計.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院.湖南長沙.2014

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11