徐晴，田正其，劉建，段梅梅，祝宇楠，周超

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京 210019；2. 國(guó)家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速化發(fā)展，越來(lái)越多大型企事業(yè)單位或者高校采用空調(diào)進(jìn)行集中供暖/制冷，而空調(diào)的使用存在許多不規(guī)范現(xiàn)象，比如：無(wú)人情況下未關(guān)閉、未達(dá)到規(guī)定溫度使用空調(diào)以及空調(diào)自身出現(xiàn)故障等，這些情況均會(huì)導(dǎo)致電能的極大浪費(fèi)。為緩解能源緊張的壓力、解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源供應(yīng)不足的矛盾，應(yīng)全面推進(jìn)使用公用空調(diào)的節(jié)能監(jiān)控平臺(tái)。

公用空調(diào)的節(jié)能和控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程[1]，需要獨(dú)立的空調(diào)計(jì)量與控制、通信網(wǎng)絡(luò)建立、用電數(shù)據(jù)智能分析等[1-2]。提出基于聚類算法思想設(shè)計(jì)出一款雙回路智能電能表，適用于空調(diào)節(jié)能監(jiān)控平臺(tái)，該空調(diào)節(jié)能監(jiān)控平臺(tái)基于智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)空調(diào)線路獨(dú)立的計(jì)量與控制、空調(diào)電量數(shù)據(jù)上報(bào)及智能分析等功能。

1 空調(diào)節(jié)能監(jiān)控平臺(tái)介紹

本系統(tǒng)對(duì)各用電點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分戶、分項(xiàng)、分類實(shí)時(shí)計(jì)量[3]。系統(tǒng)基于B/S模式開發(fā)，采用工業(yè)界普遍采用的實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)采集技術(shù)，結(jié)合后臺(tái)大型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)Web發(fā)布的形式，使用電單位各級(jí)管理人員不管身處何時(shí)何地，都可以輕松地對(duì)本單位各部門的用電情況進(jìn)行監(jiān)控與管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。采用該系統(tǒng)還可以和“用電指標(biāo)體系”充分配合，實(shí)現(xiàn)用電的管理和指標(biāo)執(zhí)行情況的監(jiān)督、費(fèi)用結(jié)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等多項(xiàng)功能，為實(shí)現(xiàn)學(xué)校各學(xué)院、部門用電的量化管理提供了必備條件。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1)電能實(shí)時(shí)監(jiān)管

根據(jù)各種分類對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)；也可手動(dòng)對(duì)表計(jì)單獨(dú)進(jìn)行抄讀；

圖1 空調(diào)節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of air conditioning energy saving supervision network

(2)建筑用電管理

以建筑類型為單位針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和查詢，有利于管理者直觀的瀏覽各建筑單位的用電使用情況；

(3)部門用電管理

按照部門分類對(duì)用電信息進(jìn)行管理和統(tǒng)計(jì)查詢，可實(shí)時(shí)了解各部門的用電情況；

(4)電能定額管理

可以按照建筑和部門分類的具體情況對(duì)電能進(jìn)行定額設(shè)置；能夠?qū)崟r(shí)查看和分析定額的使用明細(xì)；具有能源組成結(jié)構(gòu)分析統(tǒng)計(jì)功能；

(5)節(jié)能監(jiān)管模型

其包括待機(jī)功耗模型及用電匹配模型兩部分。待機(jī)功耗模型通過(guò)配置待機(jī)功耗參數(shù)監(jiān)測(cè)待機(jī)能耗情況；用電匹配模型通過(guò)單獨(dú)配置電表能耗限定，來(lái)監(jiān)測(cè)能耗情況；

(6)綜合信息管理

電能計(jì)量管理子系統(tǒng)的主界面，直觀的描述和介紹了該系統(tǒng)所管轄范圍內(nèi)建筑及部門的用電使用情況。

2 智能電能表設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)節(jié)能方式而言(即采用智能插座來(lái)控制空調(diào))，將傳統(tǒng)電能表進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出雙回路智能電能表[4]，基于現(xiàn)有智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能監(jiān)管功能，既可節(jié)約能源，同時(shí)該方案經(jīng)濟(jì)可靠。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

智能電能表硬件電路包括MCU處理器、雙回路計(jì)量電路、雙繼電器控制電路、開關(guān)電源、時(shí)鐘模塊和通信單元等，具體硬件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，該硬件設(shè)計(jì)主要在于雙回路計(jì)量電路、繼電器控制、開關(guān)電源電路和通信單元[5]。

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2 Block diagram of hardware design principle

2.1.1 計(jì)量電路

計(jì)量電路是本項(xiàng)目一個(gè)很關(guān)鍵的模塊，它決定了電能表的精度，以及為節(jié)能監(jiān)控平臺(tái)提供基礎(chǔ)的空調(diào)用電數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)空調(diào)的獨(dú)立計(jì)量，采用兩片高精度單相計(jì)量芯片ATT7053BU，組成雙回路計(jì)量電路。計(jì)量電路主要由電壓采樣、電流采樣、高精度計(jì)量芯片和SPI通信接口等組成。該計(jì)量芯片ATT7053BU，具有高集成度，集ADC轉(zhuǎn)換器、乘法器、低通濾波器、P-f轉(zhuǎn)換器于一體，相較于高精度ADC+軟件DSP處理方式來(lái)說(shuō)，集成芯片極大地簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，提高了電表運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。兩個(gè)獨(dú)立回路(包括空調(diào)供電回路和其余用電回路)分別經(jīng)由單相計(jì)量芯片ATT7053BU采集電壓電流信號(hào)后，經(jīng)由SPI通信接口傳輸至單片機(jī)MCU控制中心，兩個(gè)獨(dú)立回路的計(jì)量采用同樣的電路，其中一個(gè)回路計(jì)量電路如圖3所示。

圖3 計(jì)量電路Fig.3 Measurement circuit

電阻網(wǎng)絡(luò)jR1～jR4組成電壓采樣電路，jJ1為電流互感器接入處，jR20和jR21組成電流采樣電路，電阻選用了國(guó)巨最好的電阻，具有10 ppm的溫漂特性，電阻精度達(dá)到了0.5%；計(jì)量芯片jU1利用SPI接口與單片機(jī)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)信息交互功能。

計(jì)量芯片內(nèi)部的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，會(huì)引人混疊干擾信號(hào)，為消除混疊干擾信號(hào)的影響，最簡(jiǎn)單的方法是在采樣端串入一級(jí)RC低通濾波器[6]，對(duì)于電流互感器方式，RC低通濾波器截止頻率設(shè)計(jì)為5 kHz。電壓和電流采樣回路均需在計(jì)量芯片AD采樣輸入端設(shè)計(jì)抗混疊濾波器：

假定R=1 kΩ，則:

C=f/2πR≈33 nF

(1)

即:jR19=jR22取1 kΩ，jC14=jC15取33 nF。

2.1.2 電源電路實(shí)現(xiàn)

為降低電能表自身功耗，選用開關(guān)電源為系統(tǒng)供電。開關(guān)電源主要由電磁兼容處理模塊、輸入整流濾波模塊、控制芯片VIPER22A、開關(guān)變壓器、RCD模塊、輸出整流濾波模塊、輸出反饋調(diào)節(jié)模塊、穩(wěn)壓電路組成，結(jié)構(gòu)框圖[5]如圖4所示。

圖4 開關(guān)電源原理框圖Fig.4 Block diagram of switching power

由于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的磁場(chǎng)不可能全部耦合到次級(jí)線圈，導(dǎo)致開關(guān)變壓器的初級(jí)存在一定的漏感，漏感在工作中會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰脈沖，當(dāng)尖峰電壓到達(dá)一定程度時(shí)，會(huì)損壞控制芯片VIPER22A中的MOSFET，導(dǎo)致整個(gè)電源無(wú)法工作。為保護(hù)控制芯片，加入RCD電路，抑制這種尖峰電壓。RCD原理圖如圖5所示。

電路由二極管、電阻、電容組成。二極管的作用是避免整流后的高壓流入控制芯片，主要的參數(shù)是：反向耐壓和正向電流。反向耐壓越高，擊穿的可能性越小，根據(jù)最高輸入電壓和通用性，反向耐壓選擇1 000 V較為合適；由于漏感產(chǎn)生的尖峰電流一般小于0.5 A，正向電流取1 A較為合適，選用RS1M符合以上的要求。電阻和電容是吸收尖峰電壓的主要器件，根據(jù)漏感和控制芯片的頻率，電阻取100 kΩ，電容取1 nF。

圖5 RCD吸收電路Fig.5 RCD absorption circuit

2.1.3 通信網(wǎng)絡(luò)

智能電能表具備RS 485遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)接口和紅外通信接口，紅外可用于手持抄表設(shè)備、通過(guò)RS485與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)連接，上行以GPRS通信方式，完成與上層服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)是節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集、管理、傳輸及維護(hù)功能，中間數(shù)據(jù)傳輸通道依托智能電網(wǎng)硬件平臺(tái)作為傳輸通道，保證了各區(qū)域電表接入網(wǎng)絡(luò)的方便性，同時(shí)也可以最大程度地節(jié)約建設(shè)成本。其中RS 485通信電路中在485芯片使能端加入R1和C1組成的阻容電壓保持電路，可提高電路驅(qū)動(dòng)能力，如圖6所示。

圖6 RS485驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 RS485 drive circuit

2.1.4 繼電器電路

為了實(shí)現(xiàn)空調(diào)的獨(dú)立控制，設(shè)計(jì)雙回路繼電器控制電路，智能電能表內(nèi)置兩個(gè)磁保持繼電器，分別控制兩個(gè)回路的用電情況。磁保持繼電器僅在需要轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)時(shí)給予一個(gè)短時(shí)間的脈沖，開關(guān)觸點(diǎn)動(dòng)作后依靠?jī)?nèi)部的永磁鐵即可保持狀態(tài)，需要的驅(qū)動(dòng)功耗較小，滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要求，其中磁保持電路原理圖如圖7所示，繼電器+和繼電器-為磁保持繼電器控制線，ON和OFF接入MCU的I/O控制口。

圖7 磁保持繼電器電路Fig.7 Magnetic latching relay circuit

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能電能表，可以實(shí)時(shí)采集用戶空調(diào)線路上的電壓、電流、功率等信息，這些大量基礎(chǔ)信息被上傳到后臺(tái)調(diào)度控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)并用于負(fù)荷分析和控制[7]。為實(shí)現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能監(jiān)控，智能電能表軟件算法上的實(shí)現(xiàn)尤為重要，軟件算法模型建立基本流程如圖8所示。

圖8 軟件算法模型建立基本流程Fig.8 Basic flow chart of software algorithm model establishment

(1)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)可獲取用戶用電數(shù)據(jù)。其中采集間隔可進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)為30 min；

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。在建立典型負(fù)荷曲線前必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理?；诰嚯x的方法，常見的規(guī)范化方法包括最大最小值規(guī)范化、平均數(shù)方差法、總和規(guī)范化、極大值規(guī)范化等；

(3)擬合負(fù)荷曲線，即對(duì)規(guī)范化負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。負(fù)荷曲線聚類首先要確定負(fù)荷特性指標(biāo)、選擇合適的聚類算法和確定其相應(yīng)的參數(shù)；

(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)應(yīng)用，包括對(duì)負(fù)荷曲線的分析和評(píng)價(jià)，并利用聚類有效性指標(biāo)評(píng)價(jià)聚類結(jié)果的質(zhì)量；

(5)典型負(fù)荷曲線的建立。最終為用戶電力系統(tǒng)提供決策依據(jù)、優(yōu)化運(yùn)行、降低損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

典型負(fù)荷曲線的建立關(guān)鍵在于選取合適的聚類算法以及對(duì)聚類算法有效性的評(píng)價(jià)。目前實(shí)際應(yīng)用中比較常見的聚類算法包括：k-means和FCM方法。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)用戶電力數(shù)據(jù)特點(diǎn)結(jié)合有效的聚類算法評(píng)價(jià)，來(lái)選取合適的聚類算法以達(dá)到最優(yōu)效果。

2.2.1 空調(diào)自身故障的判定

當(dāng)空調(diào)自身出現(xiàn)故障導(dǎo)致用電量劇增時(shí)，會(huì)改變電壓與電流之間的相角，使其產(chǎn)生斬波。本識(shí)別算法是基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載數(shù)據(jù)波形，并對(duì)其波形進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析擬合得出的算法?？照{(diào)發(fā)生故障前后的電流波形如圖9所示。

圖9 空調(diào)發(fā)生故障前后的電流波形Fig.9 Current waveform diagram of an air conditioner before and after a failure

通過(guò)計(jì)量芯片每個(gè)周期采樣20個(gè)電流數(shù)據(jù)，在20個(gè)數(shù)據(jù)中求得最大值Imax，以此點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，取前6個(gè)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)此6個(gè)數(shù)據(jù)依次做差，并求其相鄰兩點(diǎn)的斜率值Rate，在5次判定過(guò)程中，當(dāng)Rate大于設(shè)定閾值時(shí)，電表跳閘報(bào)警寄存器Cnt數(shù)值加1，直至Cnt≥3，判定為空調(diào)發(fā)生故障，電能表內(nèi)磁保持繼電器跳閘，同時(shí)對(duì)故障進(jìn)行上報(bào)，直至故障解除后，恢復(fù)正常運(yùn)行。如圖10所示為故障判定的流程圖。

圖10 故障判定流程圖Fig.10 Flow chart of fault determination

2.2.2 空調(diào)使用不當(dāng)?shù)呐卸?/p>

由智能電能表采集分別獲取空調(diào)線路和其他用電線路上不同日、不同時(shí)間段的用電負(fù)荷曲線，對(duì)這些負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類分析提取用戶典型用電負(fù)荷曲線，有利于異常用電檢測(cè)、負(fù)荷控制、優(yōu)化空調(diào)運(yùn)行，從而有效避免空調(diào)使用不當(dāng)造成的能源浪費(fèi)[8-9]。主要判定如下：

(1)通過(guò)對(duì)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同日負(fù)荷進(jìn)行聚類，有助于發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)量用電是否異常，是否存在空調(diào)不規(guī)范使用情況，如無(wú)人情況下未關(guān)閉或者未按規(guī)定開啟空調(diào)等；

(2)通過(guò)對(duì)同一日不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類，可為客戶根據(jù)實(shí)際需求合理配置空調(diào)使用規(guī)則提供依據(jù)，分部門分時(shí)段設(shè)置空調(diào)啟用時(shí)間段；

(3)獲取典型負(fù)荷曲線，有助于減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)量。通過(guò)分析監(jiān)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)的日負(fù)荷特性，可進(jìn)一步增大采集間隔，若與典型負(fù)荷曲線誤差不大(此處設(shè)定誤差閾值)，則可不進(jìn)行保存，進(jìn)一步減少存儲(chǔ)量。

其中曲線擬合的相似性計(jì)算是擬合典型負(fù)荷曲線的關(guān)鍵工作，以便選取的聚類算法與實(shí)際更為符合[10]。目前常見的距離計(jì)算方法為歐氏距離計(jì)算法，明氏距離被看作是歐氏距離的一種推廣[11]。常用dij表示第i個(gè)樣本與第j個(gè)樣本間的距離。明氏距離：

(2)

當(dāng)q=0時(shí)，為曼哈頓距離；當(dāng)q=1時(shí)，為歐氏距離；當(dāng)q=∞時(shí)，為切比雪夫距離[12]。

為了進(jìn)一步明確出現(xiàn)異常的空調(diào)設(shè)備，對(duì)異常設(shè)備負(fù)荷曲線與典型代表曲線的距離進(jìn)行計(jì)算[13]。定義兩條曲線的距離d，其中i為時(shí)刻點(diǎn)，若采樣間隔為30分鐘，則i=48，P中心,i、P偏差,i分別為典型負(fù)荷曲線和異常設(shè)備負(fù)荷曲線該時(shí)刻點(diǎn)下的負(fù)荷值。

(3)

以上，d的值越大說(shuō)明越偏離典型負(fù)荷曲線，該設(shè)備出現(xiàn)異常的可能性越大。

3 結(jié)束語(yǔ)

從硬件設(shè)計(jì)和軟件算法兩方面介紹了基于聚類算法的雙回路智能電能表設(shè)計(jì)，主要工作如下：

(1)介紹空調(diào)節(jié)能監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)成及該系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的功能；

(2)將傳統(tǒng)電能表進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出雙回路電能表，并介紹了雙回路計(jì)量電路、開關(guān)電源電路、繼電器控制電路的相關(guān)設(shè)計(jì)；

(3)基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載數(shù)據(jù)波形，軟件算法上擬合出實(shí)際故障曲線，并給出斜率變化率算法，以識(shí)別空調(diào)自身故障問題；

(4)更重要的是，在智能電能表的軟件算法上提出基于聚類算法建立典型負(fù)荷曲線，并通過(guò)歐氏距離評(píng)估聚類算法的有效性，同時(shí)給出實(shí)際曲線與典型曲線的偏差計(jì)算公式，從而判斷是否為用電異常。

本文設(shè)計(jì)的雙回路智能電能表可基于現(xiàn)有智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能監(jiān)管功能；同時(shí)，在軟件算法上提出基于聚類算法得出兩個(gè)獨(dú)立回路的典型負(fù)荷曲線，以此評(píng)估空調(diào)是否存在異常用電情況，優(yōu)化運(yùn)行，從而避免空調(diào)使用不合理造成的能源浪費(fèi)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中前景廣泛。