【摘要】：
【关键词】：物联网、城市照明、能效管理
引言
常州市近年来道路照明建设发展迅速，在取得巨大发展的同时，也逐渐暴露出能效管理方面存在的信息反馈不及时、无异常提示、缺少设备超限提示、实际节电数据及电力消耗数据掌握不准确等诸多不足。主要体现在以下问题：
1.无法详细掌握城市照明电费的准确情况。由于供电公司每月的抄表时间也固定等原因，月度数据对比波动较大，无法计算节电率；因此，仅能供电公司每月的电费单来了解用电量。
2.配电存在设施量变化及多种节电手段共同作用时，难以分析总节电量是由哪种节电手段产生的。不能够统计出每种节电手段的节约电量，量化评估每种节电手段的效果。
针对以上情况，就要对城市照明能源使用情况进行有效的监测，以期达到城市照明节约电能、降低维修成本、降低运行成本、减少电费支出、安全运行等目的，实现城市照明系统的精确化管理。
一、项目概述
常州市城市照明管理处研发了一款比较完善的城市照明能效监管系统——基于物联网的能效管理服务系统。将物联网技术创造性地引入到传统的能效管理中，底层运用无线传感网络连接现场传感器及设备，上层使用互联网技术服务，实现基于WEB服务的远程管理。
系统的采集设备安装在箱变中，通过数据智能采集模块，在支路中使用多回路电表对箱变的电能信息进行动态采集。将采集得到的电能数据进行预处理，通过数据传输模块上传到数据中心，数据中心采用基于数据挖掘技术智能分析引擎对所采集的数据进行分析。通过智能分析技术对节电设备的运行情况进行有效的监控，保障节电设备的正常运行，为节能设备的种类的选择提供决策支持。
二、系统组成
城市照明能效管理系统由数据采集系统、数据分析系统、信息展现系统三部分组成，通过系统的分级，使各模块分工协作，使系统的运行更加快速与稳定。
（一）数据采集系统
在数据采集系统中，数据采集器每分钟自动读取智能采集电表、多路采集电表、电压采集电表的电能信息，在数据采集器中进行负荷变动率、电量、异常等信息的处理，然后通过数据采集器中的通讯模块上传到数据中心。
（二）数据分析系统
数据分析系统通过对数据采集系统传输进行解析处理，通过数据挖掘算法对电能数据进行智能分析处理，完成对负荷变动率、节电率、亮灯率等信息的计算，并将分析的结果保存到数据库中。
（三）信息展示系统
信息展示系统使用Silverlight技术完成对界面的设计，通过GIS技术标记箱变的位置信息以及电能参数进行实时展示。
三、系统方案设计
系统的方案设计如下图：
图1 方案设计图
数据采集器采集箱变的电能数据经过初步的处理通过无线GPRS或者以太网传输到数据库服务器，数据库服务器解析采集器采集的电能数据将采集的数据保存到数据库中。用户通过系统所在的网络地址根据登录信息登录，进入系统，选择需要的功能进行操作。
（一） GIS模块设计
GIS模块需要在地图标识出箱变在地图中所在的位置，并且实时显示箱变的电能参数信息。主要是通过使用Google在线地图与BingMap For Silverlight技术实现。通过互联网加载在线地图，速度快，无需担心地图的更新问题；且地理位置准确，可以非常清晰的显示箱变的位置信息以及箱变的运行情况及电能参数信息。
（二）UI界面设计
UI界面提供用户需要的信息以及界面的操作。
使用Silerlight进行界面设计，提供丰富的用户交际界面。根据需要进行控件定制化开发与设计，数据加载快速稳定，可以兼容所有浏览器。
界面展示1：
图2 首页信息
界面展示2：
图3 电量预警
界面展示3：
图4 电量对比分析
界面展示4：
图5 能耗评估
（三）数据采集与处理设计
为了能使数据分析更加清晰、准确，数据采集模块需要进行24小时不间断的分钟级别的数据采集，为用户提供的数据需要进行预处理，需要对多种设备（智能电表、电压表等）进行数据采集，对采集的数据进行负荷变动率、电量等参数进行计算，对上传失败的数据进行存储与再上传，需要支持远程自动更新。
自主研发Essa1210数据采集模块，实现了数据智能采集、数据智能存储、多种组网的数据传输、远程自动更新、自定义数据的计算等。Essa1210由采集装置和存储传输装置组合而成，采集装置用于对各种类型的智能仪表进行数据采集，存储传输装置则将采集到数据进行存储、管理，并通过数据上传功能进行数据的上传操作。
四、关键技术
（一）数据分析建模技术
本设计使用数据挖掘技术对节电率、亮灯率、异常报警等信息进行分析处理。在进行调研和分析之后，使用基于数据挖掘技术的数据分析软件对“某路11P C4”一天的1440条数据进行分析，通过数据处理与计算，计算的最终功率为1.52kW。然后通过系统的电能分析功能查看系统当日采集的实时功率信息，如下图：
图6
通过图表放大功能，截取部分功率信息，如下图：
图7
图8
通过实时功率曲线可以查看到， 11PC4当日在未开节电设备的情况下，功率在1.52左右波动，由此可见数据挖掘技术分析计算得出的功率与实际的功率误差为2%左右，误差在可控范围内，通过大量的数据进行测试，得出结论，使用数据挖掘技术可以解决功率的计算问题。
数据挖掘是指从数据库的大量数据中揭示出隐含的、先前未知的并有潜在价值的信息的过程。它主要基于模式识别、统计学、数据库、可视化技术等，高度自动化地分析企业的数据，做出归纳性的推理，从中挖掘出潜在的模式，帮助决策者做出正确的决策。
在设计方案中，使用数据挖掘技术对每天的1440条分钟数据进行分类分析，对计算出结果进行过滤、取值，得出常规运行功率。通过一段时间的数据实验后，得出来的常规运行功率准确性高。
（二）基于传感网数据处理技术
通过传感节点的环境能量转换，使用高能量存储系统实现对物联网传感节点的能量自采集供应，利用MEMS传感器自身所具备的数据融合技术及海量数据预存储与处理技术，消除监测区域交叠所造成的采集数据冗余、剔除可信度较差的数据，从而减小无线传感网络通信量，节省节点能量，获取更精确信息，提高数据采集效率和系统能效。
（三）基于UDP的数据多重确认技术
本设计采用Socket、Tcp/IP(UDP)、数据封装等技术实现数据的传输及断点续传功能。在设计中，使用了面向流的方式进行数据的传输，这种方式下，通信的应用程序之间要建立一种连接链路，然后数据才能够被正确的传送，这种方式的特点是通信可靠，“永远在线”，对数据有重发和校验的机制，保证数据的准确性。
（四）基于GIS构建城市照明监控技术
在GIS地图的设计中，使用了Google提供的在线地图。具体如下：
利用GIS技术构建城市照明能效数据库。城市照明能效管理涉及到的数据主要有两类：一为静态的，即设施库，如线路长度、灯盏数、控制箱等。二是动态的，即工作参数：如电流、电压、亮灯率、功率因素等。静态数据也可能发生动态变化，如工程改造，发生偷盗等。GIS技术比较擅长静态数据的处理；而采集技术则主要用于对动态变化的数据进行管理。
GIS系统使用在线地图系统，无需考虑地图的更新等问题。将电能实时数据与箱变结合，使GIS不再仅仅是提供简单的位置信息，通过系统可以清晰的查看箱变的实时电能信息，以及箱变的运行情况。
图9
操作便捷：
1.通过箱变导航可以进行箱变的搜索与自动定位。
2.通过滚动鼠标滚轮可以缩放地图的层级。
3.通过电能消息窗口可以查看箱变的电压、电流、视在功率、有功功率等等电能参数。
4.通过电量预警可以查看当月的电量的使用情况。
5.通过箱变的颜色变化可以查看箱变的运行情况（绿色-正常运行，红色-箱变发生异常，灰色-箱变停电掉线）。
（五）基于Silverlight技术软件设计
本设计使用Silverlight技术对用户界面进行设计。Microsoft Silverlight是一个跨浏览器的、跨平台的插件，提供灵活的编程模型，可以很方便地集成到现有的网络应用程序中。可以对运行在Mac或Windows上的主流浏览器提供高质量视频信息的快速、低成本的传递。
用户安装了Silverlight程序，就可以在Windows和Macintosh上多种浏览器中运行相应版本的Silverlight应用程序，享受视频分享、广告动画、交互丰富的网络服务等等。
从最后的测试情况来看,Silverlight对GIS、UI的展现以及性能等方面表现卓越，使用Silverlight技术设计的UI界面为城市照明能效管理系统带来良好的用户体验。
五、小结