趙志軍，周曉琴，鄧 菲，徐 晨

（1.嘉興恒創(chuàng)電力集團有限公司華創(chuàng)信息科技分公司，浙江嘉興 314000；2.國網(wǎng)浙江嘉興供電公司，浙江嘉興 314000；3.上海應用技術大學電氣與電子工程學院，上海 201418）

近年來，我國大力發(fā)展產(chǎn)業(yè)園區(qū)的建設，產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)模越來越龐大。我國的產(chǎn)業(yè)園區(qū)耗電量是歐美國家的2 倍，一方面，我國的產(chǎn)業(yè)園區(qū)耗電量巨大；另一方面，我國沒有設計針對于產(chǎn)業(yè)園區(qū)的電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)，無法為有關機構提供直接的數(shù)據(jù)作為指導產(chǎn)業(yè)園區(qū)用電量的基礎與參考[1-3]。

鯨魚算法是一種新的啟發(fā)式優(yōu)化算法，它模仿座頭鯨的捕獵行為，具有操作簡單、調整參數(shù)少、容易跳出局部最優(yōu)的特點，主要包括3 個階段：隨機覓食、收縮包圍、螺旋捕食。因此，該文設計了基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)。通過此系統(tǒng)來完成產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗的監(jiān)測與記錄，利用能耗統(tǒng)計以及能源的審計、能效的公示，促使國家機關能夠參照此系統(tǒng)提高產(chǎn)業(yè)園區(qū)的節(jié)能水平，為政府有關政策的制定提供參考[2-4]。

1 系統(tǒng)架構設計

該文研究基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構以計算機、通信設備、測控單元為基本工具，通過實時數(shù)據(jù)采集、開關狀態(tài)監(jiān)測及遠程管理與控制提供基礎平臺，該系統(tǒng)主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡結構?；邛L魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1 所示[5]。

圖1 產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構

觀察圖1 可知，基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構由站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層組成。

1）站控管理層。站控管理是人機交互的直接窗口ISI，也是上層系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括工業(yè)級計算機、打印機、UPS 電源等系統(tǒng)軟件及必要的硬件設備，內部的人機交互界面不僅能夠采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時可以分析處理數(shù)據(jù)，以波形圖反饋現(xiàn)場的運行狀況。

監(jiān)視主機具有很好的數(shù)據(jù)處理能力，而且可以管理數(shù)據(jù)，為維護和分析系統(tǒng)提供內外數(shù)據(jù)接口，可調用打印或自動打印圖表和報告。系統(tǒng)通過通信和智能模擬圖像進行數(shù)據(jù)交換，生動地展示了系統(tǒng)的整體運行狀況，確保電腦監(jiān)控系統(tǒng)正常供電，保證站控管理設備在發(fā)生供電故障時可以正常運行。

2）網(wǎng)絡通信層。網(wǎng)絡通信層內部的通信管理機、以太網(wǎng)和網(wǎng)絡總線不僅可以完成數(shù)據(jù)信息交互，同時可以上傳控制指令。

3）現(xiàn)場設備層?，F(xiàn)場設備層是數(shù)據(jù)采集終端，利用I/O 控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制[6]。

2 系統(tǒng)硬件設計

該文設計的基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸器和數(shù)據(jù)庫組成。系統(tǒng)硬件結構如圖2 所示。

圖2 產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)硬件

2.1 數(shù)據(jù)采集器

該文設計的基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器型號為MS3590，其結構如圖3所示。

圖3 采集器結構

根據(jù)圖3 可知，MS3590 是一個基于C 語言的輕量級數(shù)據(jù)采集器。利用MINDEO 自主研發(fā)的圖像處理技術，可以方便、快速地識讀國內、國際通用的1D/2D 條碼，配置藍牙或WiFi 無線通信模塊。采集器的終端和交換機具有很強的信息分析能力，不僅可以分析數(shù)據(jù)，同時可以完成數(shù)據(jù)的交互。除此之外，MS3590 輕便小巧，便于攜帶，采用人機工程學設計，握感舒適，配有智能化輔助照明調節(jié)算法，能適應不同照明強度環(huán)境，具有任意角度的可讀條碼，糾錯能力強、閱讀速度快。

能耗數(shù)據(jù)采集分為人工采集和自動采集兩種方式。園區(qū)建筑物基本情況的數(shù)據(jù)采集指標全部為人工采集，能耗數(shù)據(jù)不能自動采集。該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)為園區(qū)建筑用電分項數(shù)，并采用自動計量裝置。收集中心采用自動傳輸方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸[7-9]。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸器

數(shù)據(jù)傳輸器為InDTU212 系列工業(yè)無線數(shù)據(jù)終端，數(shù)據(jù)傳輸器如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸器

InDTU212 系列是一款高性價比的工業(yè)級無線數(shù)據(jù)終端產(chǎn)品，以LTE 4G 無線網(wǎng)絡為承載網(wǎng)，在TCP/IP 之上為工業(yè)和商業(yè)用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸通道，功能完善，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控站的串口設備與中央監(jiān)控系統(tǒng)之間的無線數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)了對遠程設備的監(jiān)控。

該系統(tǒng)通過R28917 數(shù)據(jù)傳輸接口，實現(xiàn)園區(qū)用電量自動監(jiān)控，并利用IJNSD/SAD 通信協(xié)議實現(xiàn)自動上傳，保證了數(shù)據(jù)的高效管理和查詢服務。與此同時，數(shù)據(jù)的傳輸采取了編碼jancne 來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲一致性以及交換一致性[10-11]。

2.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是該文設計的基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的核心部分，也可以稱之為數(shù)據(jù)中心，其主要作用就是接收監(jiān)測的產(chǎn)業(yè)園區(qū)的能耗數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)儲存到其管理的固定區(qū)域。在接收數(shù)據(jù)后對其進行處理，分析數(shù)據(jù)并展示數(shù)據(jù)結果。數(shù)據(jù)庫如圖5 所示。

數(shù)據(jù)庫有設定數(shù)據(jù)更新時間間隔的功能，可以用來存取歷史數(shù)據(jù)、記錄報警、打印相關數(shù)據(jù)報表、制作歷史對比圖、繪制數(shù)據(jù)圖表等，并且可以不斷擴展增加更多功能。MSP430F149 主控制器與Neuron3150 之間完成信息交互。

3 系統(tǒng)軟件設計

該文提出的基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要由隨機覓食、收縮包圍、螺旋捕食完成軟件工作。

1）隨機覓食

隨機覓食指的是采用鯨魚隨機搜索食物，設定目標個體Xi,G(i=1,2,…,N)，尋找與食物相近的鯨魚，根據(jù)鯨魚位置得到數(shù)據(jù)更新結果，定義的數(shù)學模型如下所示：

其中，Xrand表示鯨魚個體的位置；G表示數(shù)據(jù)更新迭代的次數(shù)；D表示個體與隨機個體之間的距離；A為隨機參數(shù)，隨機參數(shù)的區(qū)間為[-2，2]。

2）收縮包圍

在完成食物搜索后，鯨魚對位置進行再次更新，建立新的數(shù)學模型，如式（2）所示。

其中，Xi,G+1表示鯨魚尋找的食物所在的位置種群，Xbest表示種群最優(yōu)的位置。

3）螺旋捕食

在尋找到最優(yōu)的數(shù)據(jù)個體后，采用螺旋運動的方式接近食物，得到的數(shù)學模型如式（3）所示。

其中，Dbest表示個體與最優(yōu)個體之間的距離；b表示鯨魚運行過程軌跡的常數(shù)；l表示區(qū)域的隨機數(shù)。

通過多次變異、交叉增加種群的多樣性，增大搜索空間，從而增強了全局搜索能力，便于跳出局部最優(yōu)，提高了算法的收斂速度[12-14]。

4 實驗研究

為了檢測該文提出的基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)進行實驗對比，選用的傳統(tǒng)系統(tǒng)分別是基于數(shù)據(jù)分析的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)挖掘的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)。設定實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，選用該文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)進行對比實驗?；邛L魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程

得到的監(jiān)測結果穩(wěn)定性如圖7 所示。

根據(jù)圖7 可知，該文提出的基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程穩(wěn)定性高于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測能力更強。

圖7 監(jiān)測結果穩(wěn)定性

根據(jù)表2 可知，該文提出的監(jiān)測系統(tǒng)對電力能耗的監(jiān)測能力優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠確定最優(yōu)的儲能容量配置，縮短復合儲能的成本，防止風光功率波動，從而增強能耗的利用率[15-18]。

表2 利用率實驗結果

5 結束語

文中提出了一種基于鯨魚算法的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的硬件和軟件進行設計。對儲能進行優(yōu)化，提高了微網(wǎng)聯(lián)絡線的利用效率，確保監(jiān)測過程數(shù)據(jù)的準確性，為電力調度提供更多的數(shù)據(jù)參考。由于鯨魚算法在運行中需要經(jīng)過多次迭代，因此產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)需要消耗的預測時間較長，這也是下一個階段需要改進的工作目標。我國產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測還在不斷發(fā)展中，各種類型市場逐步開放，需不斷根據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗的發(fā)展對方法優(yōu)化，從而真正準確地為產(chǎn)業(yè)園區(qū)電力能耗監(jiān)測提供依據(jù)。