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)。文章研究了當前智慧用電系統(tǒng)的不足，分析了大數(shù)據(jù)分析的關鍵技術，設計了基于大數(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引發(fā)因素數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡技術實現(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)管服務系統(tǒng)。智慧用電系統(tǒng)包括用電單元監(jiān)測設備、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)應用平臺。該系統(tǒng)通過采集并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，預測用戶的用電行為，可用于電能源調(diào)配、用電隱患預測、用電系統(tǒng)優(yōu)化、智能預報警等方面。
在用電信息采集領域，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)測設備等設備的大量使用，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、預測和管理的需求。
大數(shù)據(jù)分析技術是近年來發(fā)展迅速的分析技術，目前，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域得到運用，并都取得了明顯的應用效果，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、有價值的信息進行準確提取。大數(shù)據(jù)分析技術主要涉及巨量數(shù)據(jù)的快速采集技術、存儲技術、分析與挖掘技術、可視化呈現(xiàn)技術[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)智慧用電分析關鍵技術
大數(shù)據(jù)智慧用電管理技術通過對海量數(shù)據(jù)源按一定標準格式抽取與集成，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
大數(shù)據(jù)智慧用電集成管理技術是將多種技術管理方案進行集中管理，合并這些技術方案數(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。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雜的數(shù)據(jù)按照關系提取，本質(zhì)上是對數(shù)據(jù)進行預處理，使冗余、復雜的大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為結構化、準確、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)。當前大數(shù)據(jù)領域中，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
大數(shù)據(jù)技術的核心是大數(shù)據(jù)的分析。在經(jīng)過預處理之后的大數(shù)據(jù)，可借助大數(shù)據(jù)分析技術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)計學和計算機科學等自然科學是大數(shù)據(jù)分析關鍵技術的來源。經(jīng)過多年的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析技術已經(jīng)囊括了關聯(lián)分析、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡、時間序列預測模型、遺傳算法等多種分析方法[８]。
大數(shù)據(jù)智慧用電分析技術在原有的智慧用電系統(tǒng)基礎上進行發(fā)展，引入數(shù)據(jù)挖掘技術并結合機器學習算法，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習實現(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
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對非結構化數(shù)據(jù)進行歸一化。采用流式處理技術可以實現(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、信息網(wǎng)絡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
大數(shù)據(jù)智慧用電的數(shù)據(jù)可視化技術可以更直觀、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。可視化技術結合地理位置信息、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)的實時預警功能。
2 基于大數(shù)據(jù)的智慧用電系統(tǒng)設計
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)的應用等方面深度挖掘用電系統(tǒng)中數(shù)據(jù)之間的關系，并依托現(xiàn)有的各類業(yè)務層級設計系統(tǒng)的架構。系統(tǒng)架構如圖１所示。
圖１ 大數(shù)據(jù)智慧用電管理系統(tǒng)技術框架
系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲、服務模塊、分析模型、系統(tǒng)應用５個層級，將原有的智慧用電系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)技術相結合。
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、標準化。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。
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)庫并結合傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)非結構數(shù)據(jù)庫的存儲，從而提升系統(tǒng)對非結構化數(shù)據(jù)庫的調(diào)度水平。
服務模塊將系統(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、傳感器及終端設備的運行狀態(tài)進行展示；信息安全控制是控制系統(tǒng)的安全權限、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)過清洗和標準化之后，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、用電風險預測。
大數(shù)據(jù)智慧用電系統(tǒng)繼承了智慧用電的應用功能，能夠為智慧消防、智慧城市、智慧建筑等新的應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前電氣火災事故頻發(fā)而創(chuàng)新的一套電氣火災預警和預防管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算技術、通過物聯(lián)網(wǎng)傳感終端，將辦公建筑、學校、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構
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、電能及其他設備狀態(tài)等信息。
2)歷史記錄
所有告警信息及遠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，提醒關注故障狀況，并采取相應的措施消除隱患。
5)權限管理
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*的用戶可以對*范圍內(nèi)的項目、設備、探測器等監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行情況進行查看、配置修改。
6)遠程控制
具備權限的管理人員可以遠程設定探測器的各種參數(shù)值，或者對監(jiān)控設備進行分閘、復位、消音、自檢和遠程設置參數(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)保設施用電監(jiān)管云平臺，依托快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術、電力參數(shù)傳感技術，實時采集企業(yè)總用電、工藝生產(chǎn)設備用電、污染治理設施設備用電等數(shù)據(jù)，通過設施運行停車分析、越限分析、停/限產(chǎn)分析、工藝關聯(lián)分析等，及時發(fā)現(xiàn)環(huán)保治理設施、設備等未開啟、空轉(zhuǎn)、減速、降頻以及異常關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平臺結構
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)/污染治理設備用電信息。
治污設備異常運行實時報警
通過關聯(lián)分析、超限分析、啟停時間分析，及時發(fā)現(xiàn)治污設備未開啟、異常關閉及減速、空轉(zhuǎn)、降頻等異常情況。
應急減排分析
系統(tǒng)能夠根據(jù)*發(fā)布的錯峰生產(chǎn)和應急預案自動判斷分析，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*門分析設備環(huán)保設備運行情況。
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)用電情況進行預測，預判設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)異常提前預警。統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準確率，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)預付費平臺
5.1安科瑞物業(yè)預付費平臺介紹
安科瑞物業(yè)預付費管理系統(tǒng)是安科瑞公司研制的與DDSY-1352單相電子式預付費電能表及DTSY-1352三相電子式預付費電能表配套的售電管理系統(tǒng)。
另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統(tǒng)，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。
主要完成電能表/水表參數(shù)設置，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安科瑞遠程預付費平臺結構
5.3安科瑞物業(yè)預付費平臺功能
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；可對單表設置功率過載的閾值，也支持設置單表金額報警的兩級閾值。
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遠程售電
可以對已開戶的電表進行遠程售電，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.設置下發(fā)；3.保電（強制合閘）；4.恢復預付費（欠費自動跳閘）；5.拉閘（強制斷電）；6.抄表導出（導出當前所有表狀態(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/年財務銷售統(tǒng)計報表、失聯(lián)表/網(wǎng)關查詢報表、能耗查詢報表、實時報警/歷史報警查詢報表。
水表預付費
系統(tǒng)同樣支持水表的預付費功能，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)設置的時間按期扣房租，房租采用預付費模式，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)域用電分攤
某塊表為主表，然后分配關聯(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)進行確認后生成繳費賬單方便追蹤客戶繳費情況，可導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)預付費平臺配置
6 結語
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)是當前各行各業(yè)研究的熱點。本文針對當前智慧用電系統(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)進行提取、分析并完成對用電情況的預測，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】
[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)設計.湖南大學電氣與信息工程學院.湖南長沙.2014
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