大数据思维下的安科瑞Acrelcloud-6000智慧用电云管理系统

摘 要：智慧用电系统是实时监控用电线路可能发生电气危害的在线系统。文章研究了当前智慧用电系统的不足，分析了大数据分析的关键技术，设计了基于大数据分析的智慧用电系统。该系统可以满足智慧用电系统中日益增长的海量数据分析的要求，适用于智慧城市消防、用能信息、智慧路灯市政等系统。
关键词：智慧用电系统；大数据；智慧城市；用能信息
0.引言
智慧用电系统是实时监控用电线路中可能发生漏电、电弧、过载、短路、线路温度异常等电气危险，不间断采集并分析用电线路中剩余电流、线缆温度、电压、电流等主要电气火灾引发因素数据，通过网络技术实现终端电气线路监测、异常数据报警等功能的用电安全隐患监管服务系统。智慧用电系统包括用电单元监测设备、数据传输平台、用电数据分析平台以及用电数据应用平台。该系统通过采集并分析监测数据，预测用户的用电行为，可用于电能源调配、用电隐患预测、用电系统优化、智能预报警等方面。
在用电信息采集领域，数字化、信息化以及智能化的程度日益提高，智能电表、智能插座、智慧消防监测设备等设备的大量使用，为智慧用电系统带来了海量的数据源。传统的智慧用电系统已经无法满足如此规模的数据分析、预测和管理的需求。
大数据分析技术是近年来发展迅速的分析技术，目前，已经在工业、农业等领域得到运用，并都取得了明显的应用效果，大数据分析的目的是从大量、高速、多样、低价值密度、真实性的数据中对特定的、有价值的信息进行准确提取。大数据分析技术主要涉及巨量数据的快速采集技术、高效存储技术、分析与挖掘技术、可视化呈现技术。目前，大数据分析已经有很多解决方案，Ha- doop分布式系统框架是目前应用*多的一种成熟解决方案。在Hadoop框架下，通过HDFS （Hadoopdistribu- ted file system ） 实现分布式计算中底层数据存储管理，通过 M apReduce 实现任务的分解和调度，通过 Hive 实现数据的管理。
1.大数据智慧用电分析关键技术
大数据智慧用电管理技术通过对海量数据源按一定标准格式抽取与集成，对存储数据分析、数据处理以及数据可视化，实现了对智慧用电数据的管理。
1 .1 大数据智慧用电集成管理技术
大数据智慧用电集成管理技术是将多种技术管理方案进行集中管理，合并这些技术方案数据并产生一个功能更多的数据管理系统的技术。数据的合并是将不同来源和不同格式的数据在系统逻辑上或者存储介质上进行有机的统一管理，从而为系统提供稳定、全面的数据集合。利用大数据集成管理技术可以解决原有智慧用电系统中不同方案之间的信息孤岛问题。
大数据的一个重要特点就是数据来源的多样性，这意味着数据来源极其广泛，数据类型繁杂，这种复杂的数据环境给大数据处理带来挑战。数据的抽取与集成就是将各种复杂的数据按照关系提取，本质上是对数据进行预处理，使冗余、复杂的大数据转为结构化、准确、可用的数据。
分布式文件系统能将文件分布存储在多个计算机节点的文件系统。当前大数据领域中 ，因 HDFS 分布式文件系统采用了冗余数据存储，提高了数据可靠性，以及其具有强大的跨平台特性，该系统被广泛用于超大数据集文件存储。 
1 .2 大数据智慧用电的数据分析技术
大数据技术的核心是大数据的分析。在经过预处理之后的大数据，可借助大数据分析技术分析智慧用电的海量数据，找出潜在的模态和规律，为决策人员提供决策依据。统计学和计算机科学等自然科学是大数据分析关键技术的来源。经过多年的高速发展，大数据分析技术已经囊括了关联分析、机器学习、数据挖掘、模式识别、神经网络、时间序列预测模型、遗传算法等多种分析方法。
大数据智慧用电分析技术在原有的智慧用电系统基础上进行发展，引入数据挖掘技术并结合机器学习算法，让新的智慧用电系统具备海量数据抽取、动态模型分析、快速决策等功能。大数据智慧用电分析从大数据的抽样、特征选择开始，精简数据规模；采用聚类等数据分析算法，对数据进行迭代提取出数据分析模型；开展大数据并行算法，挖掘其他分析模型并利用机器学习实现系统的智能判断。
1 .3 大数据智慧用电的数据处理技术
大数据智慧用电的数据处理需求主要集中于很大数据量的分布式处理方法、数据泛化处理以及数据实时处理等方面。
分布式处理采用 Hadoop 框架对海量数据进行批处理，可以用于智慧用电信息采集部分，实现大规模分散数据源的采集。数据泛化处理采用文本处理、多媒体处理以及图像技术对非结构化数据进行归一化。采用流式处理技术可以实现*快达到毫秒级的实时数据处理效果，可用于金融交易、传感器网络、信息网络等要求实时性高的场合。 
1 .4 大数据智慧用电的数据可视化技术
大数据智慧用电的数据可视化技术可以更直观、更迅速的方式帮助管理人员理解用电系统数据内涵，了解整个智慧用电的运行情况。虽然可视化技术早已用在智慧用电系统中，但在智慧用电系统中采用大数据技术后，可以在原有用电系统上发掘出更深层次的用电规律和联系。
可视化技术结合地理位置信息、实时用电参数信息等数据信息，采用可靠的数据分析模型，实时分析并展示智慧用电系统中危险环节的数据走势，从而实现对危险环节的实时预警功能。
2.基于大数据的智慧用电系统设计
大数据智慧用电系统从数据采集分析的过程、数据的应用等方面深度挖掘用电系统中数据之间的关系、并依托现有的各类业务层级设计系统的架构。系统架构如图 1 所示。

图 1 大数据智慧用电管理系统技术框架

系统采用数据接入、数据存储、服务模块、分析模型、系统应用 5 个层级，将原有的智慧用电系统与大数据技术相结合。
数据接入将系统各种数据来源按照一定的数据特征，使用大数据 Kafka 、Flume 、Chukwa等方式，完成对数据的抽取、清洗、标准化。该方式可以保证接入数据的全面、高质，为上层分析奠定基础。
智慧用电系统采用Hadoop 框架，利用Habase 和HDFS大数据数据库并结合传统关系型数据库，实现非结构数据库的高效存储，从而提升系统对非结构化数据库的调度水平 。
服务模块将系统管理、信息展示、信息安全控制、数据分析、计算结合到一起。系统管理是管理系统产生的信息、数据、系统配置等资源；信息展示是将系统中产生各类数据来源的仪表、传感器及终端设备的运行状态进行展示；信息安全控制是控制系统的安全权限、数据备份、数据的加密传输；数据分析是采用大数据智能算法，将系统产生的数据进行分析；采用 Apache Spark 快速通用的计算引擎，提升数据计算的效率。 
系统将数据源的各类数据经过清洗和标准化之后，采用聚类等算法建立数据分析的模型。该模型可用于智慧用电异常监测、用电风险预测。
大数据智慧用电系统继承了智慧用电的应用功能，能够为智慧消防、智慧城市、智慧建筑等新的应用场景提供更可靠的管理平台。
3.安科瑞智慧用电云平台及选型
3.1安科瑞智慧用电云平台介绍
Acrelcloud-6000智慧用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并第  一时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另一方面，云平台提供超大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。

具体功能如下：
3.1.1安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。
3.1.2安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。
3.1.3手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。
3.1.4能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气安全运行分析报告。
3.1.5监控探测终端产品满足国家法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过国家消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。
3.1.6漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。
3.2漏电火灾监控探测器

3.3故障电弧探测器
安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD，共有两种电流等级，可监测回路故障电弧的发生，并及时预警，提醒用户处理，防止电弧导致的火灾的发生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，该产品不可在同一台AF-GSM400下与ARCM混接。如图：

3.4限流式保护器
安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1，有三种电流等级，可监测回路短路过载等故障信息，发生故障时预警和产生灭弧效果，防止电弧导致的火灾的发生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。
以下是ASCP200-1的主要功能：
3.4.1短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号。
3.4.2过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间（3…60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。
3.4.3表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器启动超温限流保护，并发出声光报警信号。
3.4.4过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
3.4.5配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
3.4.6漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
3.4.7保护器具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。
3.5剩余电流互感器

3.6AF-GSM400-2G/4G无线上传模块
AF-GSM400-2G/4G/CE模块是一款2G/4G有线无线模块，该无线模块为安全用电云平台专用模块。
AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月，单个模块*多可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟，如发生报警，会实时上传数据。
3.7温度传感器

温度传感器为一热敏电阻NTC，它提供0-120°的温度监控基准，可以用来监测线缆或配电箱体的温度，提供温度保护。
4.结语
大数据时代，数据蕴藏着巨大的潜力，如何将这种潜力发掘出来已经是当前各行各业研究的热点。本文针对当前智慧用电系统无法满足海量数据增长的需求，采用大数据分析框架 ，设计了基于大数据的智慧用电管理系统。该系 统对海量数据进行提取、分析并完成对用电情况的预测，可以用于用电安全、智慧消防、智慧城市等系统中。
参考文献
[1]孙忠富，杜克明，郑飞翔，等.大数据在智慧农业中研究与应用展望［J］.中国农业科技导报， 2013 ，15（6）：63-71 .
[2]谢小军，柳 星，马 亮，胡萍萍.基于大数据的智慧用电系统设计
[3]安科瑞安全用电管理云平台手册.2020.02版.