摘 要：針對現(xiàn)有用電態(tài)勢感知數(shù)據(jù)采集頻次低、采集信息少等問題，設(shè)計(jì)了基于多區(qū)域多點(diǎn)的用電態(tài)勢感知系統(tǒng)。首先，終端設(shè)備采集用電態(tài)勢數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到各點(diǎn)本地?cái)?shù)據(jù)庫。此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用分布式思想，保證各點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集和存儲過程中互不干擾，具有良好的可伸縮性。其次，基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)，保證了各點(diǎn)集中管理，可隨時(shí)隨地監(jiān)測用電態(tài)勢和設(shè)備遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域多點(diǎn)用電態(tài)勢數(shù)據(jù)的分布式實(shí)時(shí)采集和存儲，也可以通過Web應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)測各區(qū)域各點(diǎn)的用電態(tài)勢數(shù)據(jù)變化及各點(diǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制，且已部署在某實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的可擴(kuò)展性和可移植性，在用電態(tài)勢感知領(lǐng)域具有多方面的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：用電態(tài)勢感知；用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集；B/S架構(gòu)；數(shù)據(jù)可視化；分布式；實(shí)時(shí)監(jiān)測

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-00-04

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，以及電器和自動化服務(wù)的應(yīng)用，電力成為我國基礎(chǔ)能源中的重要組成部分[1]，人們對電能的需求在過去10年穩(wěn)步增長。在電力需求側(cè)建立完善的智能用電體系，有助于促進(jìn)優(yōu)化能源管理和提高用電安全性[2-5]，同時(shí)有利于發(fā)現(xiàn)潛在的節(jié)能空間和機(jī)會[6]，促進(jìn)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

在用電態(tài)勢感知方面，研究人員提出了一些用電數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(tǒng)方案。文獻(xiàn)[7]基于無線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)了機(jī)械式電能表用電數(shù)據(jù)自動采集方法，以提高用電數(shù)據(jù)采集的工作效率。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種面向設(shè)備用電管理的智能插座系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用電設(shè)備的遠(yuǎn)程供電開關(guān)，并對設(shè)備用電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過對數(shù)據(jù)的分析，獲取設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測曲線和能耗統(tǒng)計(jì)曲線，為管理人員在安全用電管理方面提供參考。文獻(xiàn)[9]針對用戶不能及時(shí)獲得用電數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法立即處理異常用電行為的問題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)，能夠采集電流、電壓和功率電氣量的實(shí)時(shí)異常用電行為監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]針對國家電網(wǎng)用戶側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集需求，提出了一種用戶側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將水、氣、熱表數(shù)據(jù)引入用電信息，實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)多能源數(shù)據(jù)的有效獲取。文

獻(xiàn)[11]概述了傳感系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)在有效監(jiān)測電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間能量流動方面的潛力，詳細(xì)介紹了智能電表的設(shè)計(jì)和開發(fā)，旨在支持智能電網(wǎng)以高效的方式監(jiān)測不同節(jié)點(diǎn)之間的電量。文獻(xiàn)[12]探討了基于智能家居系統(tǒng)的家庭用電監(jiān)測系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，針對單一電器和電表數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了能耗監(jiān)測模塊，支持獨(dú)立數(shù)據(jù)的采集和負(fù)荷分解算法，為全屋家電能耗監(jiān)測管理提供精細(xì)化數(shù)據(jù)支持。上述研究完成了某些場景下用電數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，但仍存在一些問題，如只采集用電過程數(shù)據(jù)且采集頻率低[9]、未考慮多區(qū)域多點(diǎn)的實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測[8]等。為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于多區(qū)域多點(diǎn)的用電態(tài)勢感知系統(tǒng)。

1 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)需求分析

本文以某實(shí)驗(yàn)室用電態(tài)勢感知系統(tǒng)為研究對象。系統(tǒng)由建筑內(nèi)多個(gè)處理單元（Building Processing Unit，"BPU）[13]組成。系統(tǒng)依托智能化邊緣設(shè)備和通信技術(shù)，對各BPU進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)信息采集，并將數(shù)據(jù)上傳到BPU本地?cái)?shù)據(jù)庫進(jìn)行分布式存儲。用電態(tài)勢感知應(yīng)用系統(tǒng)能夠?qū)ㄖ?nèi)BPU的用電態(tài)勢數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，以及對BPU節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)用電態(tài)勢感知單元的集中實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理。

BPU由斷路器、邊緣設(shè)備、本地?cái)?shù)據(jù)庫組成。其中，斷路器為用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集設(shè)備。以局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，所有BPU互聯(lián)互通。使用樹莓派作為邊緣設(shè)備，將本地?cái)?shù)據(jù)庫部署在樹莓派上，斷路器與樹莓派進(jìn)行串口通信。建筑內(nèi)BPU基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于用電態(tài)勢感知系統(tǒng)的需求分析，系統(tǒng)架構(gòu)分為信息感知層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，分別用來進(jìn)行信息感知、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)可視化及遠(yuǎn)程控制。具體來說，信息感知層由多個(gè)建筑環(huán)境的BPU組成。每個(gè)BPU負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集用電態(tài)勢數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、電壓、電流等用電過程數(shù)據(jù)，斷路器開關(guān)分合閘狀態(tài)等用電行為數(shù)據(jù)，漏電電流等用電安全數(shù)據(jù)。同時(shí)，每個(gè)BPU將采集的信息保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式存儲，提高了BPU的可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性。數(shù)據(jù)層包括各公共數(shù)據(jù)庫和BPU本地?cái)?shù)據(jù)庫。公共數(shù)據(jù)庫存儲應(yīng)用平臺的基本配置信息，包括應(yīng)用平臺用戶信息、項(xiàng)目信息（如建筑空間）、設(shè)備信息（如建筑空間內(nèi)的BPU）及其關(guān)聯(lián)信息。應(yīng)用層采用B/S架構(gòu)，通過HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)前后端的數(shù)據(jù)交互，以及用電態(tài)勢可視化和節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程控制。用戶在B/S模式下通過Web網(wǎng)頁登錄到應(yīng)用平臺。本文設(shè)計(jì)的用電態(tài)勢感知系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)用電態(tài)勢感知系統(tǒng)架構(gòu)，本文采用分布式采集與集中管理模式，對BPU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。用電態(tài)勢感知系統(tǒng)由用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)組成。其中，用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布在各BPU中，將采集的用電態(tài)勢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲到BPU本地?cái)?shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的分布式采集與存儲；用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)各BPU的集中管理和數(shù)據(jù)可視化。

2.1 用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了分析不同建筑空間單元、不同位置的用電態(tài)勢，用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集和存儲方案，有效地提高了數(shù)據(jù)采集的效率和處理能力。數(shù)據(jù)采集流程如下：

（1）用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過串口方式連接BPU中的斷路器設(shè)備，串口連接成功后向斷路器發(fā)送請求數(shù)據(jù)指令；

（2）斷路器返回?cái)?shù)據(jù)包；

（3）數(shù)據(jù)包經(jīng)系統(tǒng)解析處理后上傳到BPU本地?cái)?shù)據(jù)庫。

用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊如圖3所示。

2.2 用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)

用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶登錄注冊、修改個(gè)人信息、用電數(shù)據(jù)可視化、用電事件通知等功能。用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

用戶在瀏覽器中輸入網(wǎng)址跳轉(zhuǎn)到登錄界面，如果尚未注冊，可以通過登錄界面提供的“注冊”鏈接跳轉(zhuǎn)到注冊界面完成注冊，在注冊過程中，用戶需要提供用戶名、密碼、郵箱等信息。點(diǎn)擊“立即注冊”按鈕后，系統(tǒng)對注冊信息進(jìn)行格式校驗(yàn)。待校驗(yàn)通過，便完成了用戶注冊，直接跳轉(zhuǎn)到用戶登錄界面；否則，系統(tǒng)在當(dāng)前注冊界面提示“錯(cuò)誤信息”。用戶通過用戶名和密碼登錄，當(dāng)用戶名和密碼校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，當(dāng)前登錄界面提示“錯(cuò)誤信息”；否則，直接跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)首頁。用戶通過左側(cè)導(dǎo)航欄進(jìn)行界面切換。左側(cè)導(dǎo)航欄展示首頁和當(dāng)前用戶負(fù)責(zé)的所有項(xiàng)目及管理的設(shè)備。用戶可以通過界面提供的導(dǎo)航欄收縮功能，隱藏導(dǎo)航欄。系統(tǒng)首頁顯示當(dāng)前用戶負(fù)責(zé)的項(xiàng)目總數(shù)、管理的設(shè)備總數(shù)、在用設(shè)備數(shù)量、當(dāng)前累積用電量、當(dāng)前漏電設(shè)備數(shù)量等信息。同時(shí)，首頁能夠向用戶提供用電事件的通知。當(dāng)用戶選擇某個(gè)項(xiàng)目下某個(gè)設(shè)備進(jìn)入項(xiàng)目設(shè)備用電數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，界面默認(rèn)展示最近1 h

的電流、板載溫度、電壓、累積電量變化曲線并設(shè)置每分鐘刷新1次。用戶也可以通過查詢功能，查詢當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的電流、電壓、電量、板載溫度、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率等在某時(shí)間段內(nèi)的變化曲線。同時(shí)，用戶通過“一鍵合閘”按鈕和“一鍵分閘”按鈕遠(yuǎn)程控制BPU設(shè)備開關(guān)。除此之外，此應(yīng)用系統(tǒng)還提供個(gè)人信息修改和幫助等功能。用戶可以修改登錄密碼和郵箱，對系統(tǒng)存在的任何問題可以通過“幫助”鏈接及時(shí)聯(lián)系系統(tǒng)的技術(shù)管理員。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

3.1 用電態(tài)勢感知系統(tǒng)運(yùn)行情況

用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于Java語言開發(fā)，使用集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行打包，生成Jar包作為應(yīng)用程序的部署文件。在應(yīng)用程序部署時(shí)，用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過scp命令將Jar包上傳到各BPU節(jié)點(diǎn)，然后通過遠(yuǎn)程管理工具（如MobaXterm）連接到BPU，進(jìn)行Jar包的運(yùn)行和部署。應(yīng)用程序每秒鐘采集1次用電態(tài)勢數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹PU本地?cái)?shù)據(jù)庫。

用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)開發(fā)，在Linux服務(wù)器上搭建系統(tǒng)并已在某實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行。Web終端使用瀏覽器訪問。用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行部署環(huán)境見表1。

3.2 用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用界面展示

用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，基于MVC（Model View Control）設(shè)計(jì)思想，通過Bootstrap、JQuery、HTML5、JavaScript、CSS進(jìn)行頁面布局，使用ECharts插件完成用電態(tài)勢數(shù)據(jù)可視化。其中，Web前端使用JSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利用Ajax異步通信技術(shù)與服務(wù)器通信，發(fā)送數(shù)據(jù)請求；后端采用Java語言實(shí)現(xiàn)，使用Servlet技術(shù)接收和請求客戶端用戶的響應(yīng)，使得JSP頁面能夠動態(tài)獲取數(shù)據(jù)。用電態(tài)勢感知Web系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用電態(tài)勢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化、BPU節(jié)點(diǎn)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)信息展示等功能。此外，該系統(tǒng)應(yīng)用部署簡單，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，能輕松實(shí)現(xiàn)多區(qū)域多節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5為用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)登錄界面。用戶可以通過用戶名和密碼登錄系統(tǒng)。圖6為用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)注冊界面。圖7為用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)主界面，展示當(dāng)前用戶所管理項(xiàng)目的部分統(tǒng)計(jì)信息，如項(xiàng)目總數(shù)、設(shè)備總數(shù)、當(dāng)前累積用電量，還包括消息通知。此處用電事件分析系統(tǒng)暫未接入系統(tǒng)，因此暫無實(shí)際消息。

圖8為項(xiàng)目設(shè)備用電數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。用電態(tài)勢感知Web系統(tǒng)在運(yùn)行過程中每分鐘刷新1次最近1 h的用電數(shù)據(jù)，使用戶能快速直觀地了解當(dāng)前設(shè)備節(jié)點(diǎn)用電數(shù)據(jù)的變化趨勢。同時(shí)，該系統(tǒng)還提供查詢功能。用戶可以查詢某數(shù)據(jù)在某段時(shí)間內(nèi)的變化情況。

4 結(jié) 語

本文基于多區(qū)域多點(diǎn)BPU設(shè)計(jì)了一種用電態(tài)勢感知系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行等方面對該系統(tǒng)進(jìn)行了全方位的介紹。用電態(tài)勢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了分布式數(shù)據(jù)采集和存儲，降低了對建筑信息處理單元的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲能力的要求。同時(shí)，這種分布式的設(shè)計(jì)使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和靈活性。用電態(tài)勢感知Web應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多區(qū)域多節(jié)點(diǎn)的集中監(jiān)控，使用戶可以實(shí)時(shí)查看用電態(tài)勢數(shù)據(jù)的變化趨勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，可擴(kuò)展性和可移植性強(qiáng)，在用電態(tài)勢感知領(lǐng)域具有多方面的現(xiàn)實(shí)意義。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上，未來將進(jìn)一步分析用戶用電行為活動，檢測其異常行為，從而優(yōu)化能源管理和提高用電安全性，為智能建筑管理提供支持。

注：本文通訊作者為張振亞。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHANG Z， FANG B， WANG P， et al. Research on the data processing method of missing current based on bp neural network [C]// International Conference on Wireless Communications， Networking and Applications. Singapore： Springer Nature Singapore， 2022： 456-462.

[2]林雅蕓，杜皓，傅少榮，等.基于用采網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算的用電異常監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)[C]//福建省電機(jī)工程學(xué)會2020年學(xué)術(shù)年會獲獎(jiǎng)?wù)撐募ㄉ蟽裕?福州：福建省電機(jī)工程學(xué)會，2021：390-398.

[3]熊德智，彭凱，廖青春.用電異常監(jiān)控技術(shù)（2）用電異常態(tài)勢感知技術(shù)應(yīng)用[J].大眾用電，2023，38（2）：32-33.

[4] RADHAKRISHNAN K K， CHINH H D， GUPTA M， et al. Context-aware plug-load identification toward enhanced energy efficiency in the built environment [J]. IEEE transactions on industry applications， 2020， 56（6）： 6781-6791.

[5]寧哲.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在博物館用電安全管理中的應(yīng)用—以西北大學(xué)博物館為例[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2024，14（2）：114-116.

[6] JIA Z， YANG L， ZHANG Z， et al. Sequence to point learning based on bidirectional dilated residual network for non-intrusive load monitoring [J]. International journal of electrical power amp; energy systems， 2021， 129： 106837.

[7]鄭陽，王旭強(qiáng)，王堃，等.基于無線傳感網(wǎng)的機(jī)械式電能表用電數(shù)據(jù)采集方法[J].機(jī)械與電子，2023，41（10）：70-74.

[8]張廣金.一種面向用電設(shè)備管理的智能插座系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2017.

[9]于多，錢承山，曹燚，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)異常用電行為監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2024，54（11）：2710-2717.

[10]馬云龍，王黎明，張法業(yè)，等.用戶側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（2）：53-58.

[11] MORELLO R， DE CAPUA C， FULCO G， et al. A smart power meter to monitor energy flow in smart grids： the role of advanced sensing and IoT in the electric grid of the future [J]. IEEE sensors journal， 2017， 17（23）： 7828-7837.

[12]龍世渚，涂來.基于智能家居的家庭用電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（4）：27-31.

[13] ZHANG Z Y， FANG B， WANG P， et al. A local area network-based insect intelligent building platform [J]. International journal of pattern recognition and artificial intelligence， 2023， 37（2）： 2359004.