摘 要：智慧用電系統是實(shí)時(shí)監控用電線(xiàn)路可能發(fā)生電氣危害的在線(xiàn)系統。文章研究了當前智慧用電系統的不足，分析了大數據分析的關(guān)鍵技術(shù)，設計了基于大數據分析的智慧用電系統。該系統可以滿(mǎn)足智慧用電系統。海量數據分析的要求，適用于智慧城市消防、用能信息、智慧路燈市政等系統。
關(guān)鍵詞：智慧用電系統；大數據；智慧城市；用能信息
0 引言
智慧用電系統是實(shí)時(shí)監控用電線(xiàn)路中可能發(fā)生漏電、電弧、過(guò)載、短路、線(xiàn)路溫度異常等電氣危險，不間斷采集并分析用電線(xiàn)路中剩余電流、線(xiàn)纜溫度、電壓、電流等主要電氣火災引發(fā)因素數據，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現終端電氣線(xiàn)路監測、異常數據報警等功能的用電安全隱患監管服務(wù)系統。智慧用電系統包括用電單元監測設備、數據傳輸平臺、用電數據分析平臺以及用電數據應用平臺。該系統通過(guò)采集并分析監測數據，預測用戶(hù)的用電行為，可用于電能源調配、用電隱患預測、用電系統優(yōu)化、智能預報警等方面。
在用電信息采集領(lǐng)域，數字化、信息化以及智能化的程度日益提高，智能電表、智能插座、智慧消防監測設備等設備的大量使用，為智慧用電系統帶來(lái)了海量的數據源。傳統的智慧用電系統已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足如此規模的數據分析、預測和管理的需求。
大數據分析技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的分析技術(shù)，目前，已經(jīng)在工業(yè)、農業(yè)等領(lǐng)域得到運用，并都取得了明顯的應用效果，大數據分析的目的是從大量、高速、多樣、低價(jià)值密度、真實(shí)性的數據中對特定的、有價(jià)值的信息進(jìn)行準確提取。大數據分析技術(shù)主要涉及巨量數據的快速采集技術(shù)、存儲技術(shù)、分析與挖掘技術(shù)、可視化呈現技術(shù)[４]。目前，大數據分析已經(jīng)有很多解決方案，HaＧdoop分布式系統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(guò)HDFS (HadoopdistribuＧtedfilesystem)實(shí)現分布式計算中底層數據存儲管理，通過(guò)MapReduce實(shí)現任務(wù)的分解和調度，通過(guò)Hive實(shí)現數據的管理。
1 大數據智慧用電分析關(guān)鍵技術(shù)
大數據智慧用電管理技術(shù)通過(guò)對海量數據源按一定標準格式抽取與集成，對存儲數據分析、數據處理以及數據可視化，實(shí)現了對智慧用電數據的管理。
1.1 大數據智慧用電集成管理技術(shù)
大數據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)方案數據并產(chǎn)生一個(gè)功能更多的數據管理系統的技術(shù)。數據的合并是將不同來(lái)源和不同格式的數據在系統邏輯上或者存儲介質(zhì)上進(jìn)行有機的統一管理，從而為系統提供穩定、數據集合。利用大數據集成管理技術(shù)可以解決原有智慧用電系統中不同方案之間的信息孤島問(wèn)題。大數據的一個(gè)重要特點(diǎn)就是數據來(lái)源的多樣性，這意味著(zhù)數據來(lái)源廣泛，數據類(lèi)型繁雜，這種復雜的數據環(huán)境給大數據處理帶來(lái)挑戰[６]。數據的抽取與集成就是將各種復雜的數據按照關(guān)系提取，本質(zhì)上是對數據進(jìn)行預處理，使冗余、復雜的大數據轉為結構化、準確、可用的數據[７]。
分布式文件系統能將文件分布存儲在多個(gè)計算機節點(diǎn)的文件系統。當前大數據領(lǐng)域中，因HDFS分布式文件系統采用了冗余數據存儲，提高了數據可靠性，以具有強大的跨平臺特性，該系統被廣泛用于超大數據集文件存儲。
1.2大數據智慧用電的數據分析技術(shù)
大數據技術(shù)的核心是大數據的分析。在經(jīng)過(guò)預處理之后的大數據，可借助大數據分析技術(shù)分析智慧用電的海量數據，找出潛在的模態(tài)和規律，為決策人員提供決策依據。統計學(xué)和計算機科學(xué)等自然科學(xué)是大數據分析關(guān)鍵技術(shù)的來(lái)源。經(jīng)過(guò)多年的高速發(fā)展，大數據分析技術(shù)已經(jīng)囊括了關(guān)聯(lián)分析、機器學(xué)習、數據挖掘、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、時(shí)間序列預測模型、遺傳算法等多種分析方法[８]。
大數據智慧用電分析技術(shù)在原有的智慧用電系統基礎上進(jìn)行發(fā)展，引入數據挖掘技術(shù)并結合機器學(xué)習算法，讓新的智慧用電系統具備海量數據抽取、動(dòng)態(tài)模型分析、快速決策等功能。大數據智慧用電分析從大數據的抽樣、特征選擇開(kāi)始，精簡(jiǎn)數據規模；采用聚類(lèi)等數據分析算法，對數據進(jìn)行迭代提取出數據分析模型；開(kāi)展大數據并行算法，挖掘其他分析模型并利用機器學(xué)習實(shí)現系統的智能判斷。
1.3大數據智慧用電的數據處理技術(shù)
大數據智慧用電的數據處理需求主要集中于大大數據量的分布式處理方法、數據泛化處理以及數據實(shí)時(shí)處理等方面[４]。
分布式處理采用Hadoop框架對海量數據進(jìn)行批處理，可以用于智慧用電信息采集部分，實(shí)現大規模分散數據源的采集。數據泛化處理采用文本處理、多媒體處理以及圖像技術(shù)對非結構化數據進(jìn)行歸一化。采用流式處理技術(shù)可以實(shí)現毫秒級的實(shí)時(shí)數據處理效果，可用于金融交易、傳感器網(wǎng)絡(luò )、信息網(wǎng)絡(luò )等要求實(shí)時(shí)性高的場(chǎng)合。
1.4大數據智慧用電的數據可視化技術(shù)
大數據智慧用電的數據可視化技術(shù)可以更直觀(guān)、更迅速的方式幫助管理人員理解用電系統數據內涵，了解整個(gè)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中，但在智慧用電系統中采用大數據技術(shù)后，可以在原有用電系統上發(fā)掘出更深層次的用電規律?？梢暬夹g(shù)結合地理位置信息、實(shí)時(shí)用電參數信息等數據信息，采用可靠的數據分析模型，實(shí)時(shí)分析并展示智慧用電系統中危險環(huán)節的數據走勢，從而實(shí)現對危險環(huán)節的實(shí)時(shí)預警功能。
2 基于大數據的智慧用電系統設計
大數據智慧用電系統從數據采集分析的過(guò)程、數據的應用等方面深度挖掘用電系統中數據之間的關(guān)系，并依托現有的各類(lèi)業(yè)務(wù)層級設計系統的架構。系統架構如圖１所示。
圖１ 大數據智慧用電管理系統技術(shù)框架
系統采用數據接入、數據存儲、服務(wù)模塊、分析模型、系統應用５個(gè)層級，將原有的智慧用電系統與大數據技術(shù)相結合。
數據接入將系統各種數據來(lái)源按照一定的數據特征，使用大數據Kafka、Flume、Chukwa等方式，完成對數據的抽取、清洗、標準化。該方式可以保證接入數據、高質(zhì)，為上層分析奠定基礎。
智慧用電系統采用Hadoop 框架，利用Habase 和HDFS大數據數據庫并結合傳統關(guān)系型數據庫，實(shí)現非結構數據庫的存儲，從而提升系統對非結構化數據庫的調度水平。
服務(wù)模塊將系統管理、信息展示、信息安全控制、數據分析、計算結合到一起。系統管理是管理系統產(chǎn)生的信息、數據、系統配置等資源；信息展示是將系統中產(chǎn)生各類(lèi)數據來(lái)源的儀表、傳感器及終端設備的運行狀態(tài)進(jìn)行展示；信息安全控制是控制系統的安全權限、數據備份、數據的加密傳輸；數據分析是采用大數據智能算法，將系統產(chǎn)生的數據進(jìn)行分析；采用ApacheSpark快速通用的計算引擎，提升數據計算的效率。
系統將數據源的各類(lèi)數據經(jīng)過(guò)清洗和標準化之后，采用聚類(lèi)等算法建立數據分析的模型。該模型可用于智慧用電異常監測、用電風(fēng)險預測。
大數據智慧用電系統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(chǎng)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，該系統是基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)、通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感終端，將辦公建筑、學(xué)校、醫院、賓館、體育場(chǎng)館、生產(chǎn)企業(yè)等人員密集場(chǎng)所的電氣安全數據，實(shí)時(shí)傳輸至安全用電管理云服務(wù)器，為用戶(hù)提供不間斷的數據跟蹤、統計分析和安全監管，將平臺發(fā)現各種安全隱患信息及時(shí)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構
3.3智慧安全用電平臺主要功能
1)實(shí)時(shí)監控
24小時(shí)監視各探測點(diǎn)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(hù)方便查詢(xún)。
3)數據分析
針對采集的數據進(jìn)行各種模型分析和報告，為客戶(hù)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(shí)，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，并采取相應的措施消除隱患。
5)權限管理
平臺通過(guò)對用戶(hù)類(lèi)型實(shí)施分級管理以實(shí)現更高的信息安全，擁有相應*的用戶(hù)可以對*范圍內的項目、設備、探測器等監測數據和運行情況進(jìn)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值，或者對監控設備進(jìn)行分閘、復位、消音、自檢和遠程設置參數等操作，方便管理，同時(shí)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(gè)回路選型，其中剩余電流互感器應根據現場(chǎng)回路電流大小選擇，根據實(shí)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)保設施用電監管云平臺，依托快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力參數傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)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據，通過(guò)設施運行停車(chē)分析、越限分析、停/限產(chǎn)分析、工藝關(guān)聯(lián)分析等，及時(shí)發(fā)現環(huán)保治理設施、設備等未開(kāi)啟、空轉、減速、降頻以及異常關(guān)閉等未正常工作的情況；同時(shí)，通過(guò)數據分析，還可以實(shí)時(shí)監控限產(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(shí)時(shí)監控
采集現場(chǎng)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(shí)時(shí)報警
通過(guò)關(guān)聯(lián)分析、超限分析、啟停時(shí)間分析，及時(shí)發(fā)現治污設備未開(kāi)啟、異常關(guān)閉及減速、空轉、降頻等異常情況。
應急減排分析
系統能夠根據*發(fā)布的錯峰生產(chǎn)和應急預案自動(dòng)判斷分析，對企業(yè)拒執行指令、違規生產(chǎn)等狀況及時(shí)向環(huán)保部門(mén)預警。
企業(yè)運行分析
環(huán)保監管平臺自動(dòng)生成企業(yè)運行診斷報告，配合環(huán)保*門(mén)分析設備環(huán)保設備運行情況。
異常數據申報
提供企業(yè)主動(dòng)上報異常，支持審核駁回之后重新申報提交審核。
數據挖掘
對企業(yè)用電情況進(jìn)行預測，預判設備運行狀態(tài)，實(shí)現異常提前預警。統計數據的準確率，有效解決數據真實(shí)有效的問(wèn)題，排除數據弄虛作假的可能性。
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。
另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。
主要完成電能表/水表參數設置，商戶(hù)售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現物業(yè)公司遠程實(shí)時(shí)操作實(shí)時(shí)監控，具有良好的人機界面，能夠有效的統計和管理數據。安裝方便，是用電管理部門(mén)、商業(yè)廣場(chǎng)和物業(yè)小區，提高用電用水管理水平，解決收費難問(wèn)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(kāi)戶(hù)
系統針對商鋪開(kāi)戶(hù)不僅支持一戶(hù)一表，也支持一戶(hù)掛多表的需要；同時(shí)解決了項目改造后新老表切換時(shí)，老表金額轉入的問(wèn)題；支持峰谷電價(jià)；可對單表設置功率過(guò)載的閾值，也支持設置單表金額報警的兩級閾值。
?
遠程售電
可以對已開(kāi)戶(hù)的電表進(jìn)行遠程售電，電費實(shí)時(shí)下發(fā)到電表，電表會(huì )根據電度走字實(shí)時(shí)扣除電費。
電表批量操作
批量遠程操作場(chǎng)景中，系統提供了多項功能，針對開(kāi)戶(hù)、報警1、報警2、欠費、未開(kāi)戶(hù)、失聯(lián)狀態(tài)都有不同的顏色顯示：
1.電價(jià)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(dòng)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）
報表統計
系統還提供了多個(gè)報表以供查詢(xún)，分別是日/月/年財務(wù)銷(xiāo)售統計報表、失聯(lián)表/網(wǎng)關(guān)查詢(xún)報表、能耗查詢(xún)報表、實(shí)時(shí)報警/歷史報警查詢(xún)報表。
水表預付費
系統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
水表余額區別于電表，是保存與系統中，系統根據每天的抄表計算扣除剩余水量。
報表統計
水表也提供多種報表供用戶(hù)查詢(xún)統計，包括銷(xiāo)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(gè)房間添加房租協(xié)議，系統會(huì )自動(dòng)根據設置的時(shí)間按期扣房租，房租采用預付費模式，如果余額不足則系統會(huì )強制拉閘，方便物業(yè)催繳房租。
2.公共區域用電分攤
某塊表為主表，然后分配關(guān)聯(lián)子表，系統每個(gè)月自動(dòng)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計的麻煩。
后付費模式
按日期生成后付費用戶(hù)周期用電費用，對數據進(jìn)行確認后生成繳費賬單方便追蹤客戶(hù)繳費情況，可導出繳費賬單以及欠費賬單通知客戶(hù)。
?
5.4安科瑞物業(yè)預付費平臺配置
6 結語(yǔ)
大數據時(shí)代，數據蘊藏著(zhù)巨大的潛力，如何將這種潛力發(fā)掘出來(lái)已經(jīng)是當前各行各業(yè)研究的熱點(diǎn)。本文針對當前智慧用電系統無(wú)法滿(mǎn)足海量數據增長(cháng)的需求，采用大數據分析框架，設計了基于大數據的智慧用電管理系統。該系統對海量數據進(jìn)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、智慧城市等系統中。
【參考文獻】
[1]謝小軍 柳星 馬亮 胡萍萍.基于大數據的智慧用電系統設計.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院.湖南長(cháng)沙.2014
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11
