摘要：近年来，随着能源消费者覆盖范围的不断扩大，电力消费者的安全问题受到了相当大的关注。云计算是互联网计算的一种形式，是一种逐渐应用于生产生活各个方面的新型计算机模型。随着智能网络的发展，客户侧电力安全监控系统需要收集和处理大量数据，但是现有的数据收集和处理平台无法满足处理速度、存储和响应时间的要求。本文主要介绍了云计算技术的发展情况，并且分析了其在电气安全监控方面的优势。其次，采用了自上而下的终端与数据采集层、主站应用层和用户层三层架构，将用电数据接入客户侧用电安全监测系统，解决了技术方案不统一、通信标准不统一等问题。最后，从硬件架构和功能概述方面阐述了基于云计算技术的客户侧电气安全监测系统。

关键词：云计算；客户侧；用电安全监测

用电安全监测系统是电网公司为了保证用户安全用电的一种方式，并且还可以实现送电管理、漏电管理、防窃电、智能用电等多方面。然而，在生产过程中，偶尔会发生能源安全事件，如窃电、家庭用户违法用电、变压器火灾、变压器经济运行状态差等。有专家通过使用分段现场监控单元 FTU 分段计算线路线损的方法，创建分段支路损耗、管理损耗、配变损耗，防止窃电行为的发生。也有人采用无线采集器模式监测客户侧电流情况，与用电现场服务终端无缝连接，监测用户的用电情况，有效避免了窃电行为。这些技术成果均能够避免窃电行为的出现，但由于目前对用户体验和监测系统本身性能的要求，目前还没有完整的用电安全监测系统。

基于云计算设计客户侧用电安全监控系统，既能够解决上述问题，同时还可以实现为用户提供增值服务。因此，基于上述要求，本文对于云计算技术应用在客户侧用电监控系统设计进行分析，阐述了体系结构和功能特点。

1.云计算技术

云计算网络将“云”定义为并行计算（Parallel Computing）、分布式计算（Distributed Computing）、网格计算（Grid Computing）的发展。国外则认为云计算是网格计算与虚拟化技术相结合形成的产物，通过网格分布式计算处理能力，构建一个IT资源池，然后通过存储虚拟化技术、服务器虚拟化等，实现用户对资源的实时调配或调取监控。云计算技术应用在当前国内外的情况见下表1。

通过利用云计算设计客户侧用电安全监测系统，可以实现众多优势：（1）使用云计算技术监控，能够提高客户的数据收集、分析、处理和计算能力。（2）云计算具有优越的计算能力，可以最大程度集成当前系统数据和处理器功能，同时保持电力系统中的网络硬件不变。数据处理能力和网络交互的显著提高，避免了窃电行为的发生。（3）在客户侧的用电安全监控中心，云计算资源管理平台可以管理所有的控制和验证设备。提供了统一的虚拟数据身份验证环境，能够提高客户侧安全监测工作的效率和水平[1]。

2.基于云计算技术的客户侧用电安全监测系统

2.1物理架构

基于云计算技术和互联网，将用电安全监测系统中的各种设备连接用户，与构成如下图1所示的实体结构。该结构是以互联网为中心，包括大量计算资源、用户终端、各种服务器以及由数据采集设备、大量传感器等构成的数据采集网络。从应用的角度来看，客户侧的能源安全监控系统的组成包括数据采集层、主站应用层和用户层。

2.1.1数据采集层

通过各种前端检测设备、智能采集终端、智能电表等收集与用电安全监测相关的客服、运维、电气安全控制相关的基础数据。根据结构化数据与非结构化数据的不同分类，采用GHFS分布式存储技术实现数据存储功能；采用MapReduce海量技术实现数据处理；使用先进的引擎技术，如多Agent处理技术，来搜索和管理数据。管理层负责动态资源规划和管理，包括资源规划管理、负载平衡、通信过程管理；其中，负载均衡过程执行计算资源的动态分配；资源管理规划实现内部资源管理，响应外部需求；通信过程的管理负责阻塞通信、规划等。

2.1.2主站应用层

该层为系统的核心层，可以说主站应用层负责实现客户侧用电安全监测系统的顶层设计，而该层是由应用层、基础设施层、平台层构成的，见下图2所示为该层的系统框架。

（1）基础设施层

该层主要包括管理层和物理层。其中，管理层能够实现IrIt动态资源规划和管理，通过负载平衡过程动态分配计算机资源，利用资源规划过程响应外部请求。部署非活动计算资源和硬件设备的统一云管理。物理层是通过虚拟机技术来统一管理磁盘阵列、服务器、计算机等设备；而利用虚拟技术实现了路由器、交换机、集线器等设备的管理[2]。

（2）平台层

该层包括；跨平台开发环境、SDK开发环境、共享编辑工具等众多工具，能够快速进行平台开发与平台建设；跨平台开发环境支Windows、持Linux、Mac等；SDK开发环境支持Java、C、C++、C#等多种开发语言。

（3）应用层

这一层负责客户侧用电安全监测系统中客户用电安全的相关业务程序。包括通信管理、安全认证、密钥帐户管理、用户访问管理、窃电管理和其他相关应用。

2.1.3用户端层

该层为客户和管理者提供了灵活的访问接入，并将其作为系统联系外部的链接。用户端层涵盖用户层、Web层、Internet层。其中，Web 层负责监测系统的 Web 站点，即用户访问云计算系统的唯一接口[3]。Internet层、用户层等均是由用户基于自身实际状态来选择访问方式，而移动终端、万维网、客户端等均是常见的访问形式。

2.2系统硬件设计

2.2.1用电信息采集模块

采集用电信息是系统的重点工作内容，下图3所示为用电信息采集模块，该模块采用计量芯片 HLW8112构建。通道A是设备的检测通道，检测内容包括功耗、电压、电流和用电量等；通道B是检测负载设备漏电的通道。根据漏电电流检测值计算设备漏电率，并利用引脚15发送警告信号。

2.2.2通信接口转换器设计

采用Lora或M-Bus等无线通信方式，对于通信接口转换器和智能表之间实现数据交换，并将其转换为DL/T 645多功能电能表采集协议[4]。通过无线LORA、RS485、电力载波等方式，将数据上传上层集中器，如图4所示。

2.3软件设计

客户侧用电安全监测系统中，设置了安装调试、用电数据深化应用、统计查询、档案管理、数据采集、多功能数据显示等多个功能。其中，文件管理模块实现了不同业务系统中客户的文件、设备和参数等自动同步；统计查询模块具有数据查询、工单生成和查询、设备运行统计等多种功能；安装调试模块则负责安装和维护终端、采集器等；数据采集模块自动生成实时数据采集、日采集、月采集、历史数据冻结、测试任务，分析采集质量；显示模块实现异常信息汇总展示、用能阶梯展示等；多能源数据深化应用模块具有泄漏预警、疑似串户分析、泄漏预警和风险预警、异常用电和用户统计分析等众多功能[5]。

2.4系统功能

基于云计算技术设计客户侧用电安全监控系统时，将用电安全监测工作分为窃电管理、大客户管理、通信管理等多个部分。利用互联网开展精细化检查，并且对系统进行数据信息的实时共享。其主要功能如下：

（1）通信管理

一方面，实时监测网络层的交换机/路由器、智能通信机等设备状态；另一方面，重复验证系统中是否正确传输指令数据等进行验证，实现通信阻塞的调度管理。

（2）窃电管理

其一，数据库中记载了用户实时用电信息以及窃电历史等，方便操作人员可以搜索数据并提取；其二，在创建设备模型时，基于设备拓扑的基本原理，选择搜索算法进行计算，并基于计算结果将智能设备、智能电表、前端设备的数据和其他数据进行对比，根据比对结果识别用户异常用户，为监测用户安全用电、规范用电提供证据。

（3）安全认证

首先，在系统平台中，登录用户名、密码和验证码，验证登录人员的身份信息。其次，进入系统平台的网络人员可以分为三个身份，包括管理员、操作员和普通员工，而不同的员工设置不同等级的操作权限，这代表不同级别的人员拥有不同的系统操作权限。例如，管理员可以在系统中查询历史数据库中的所有数据；操作员能够实时查看、编辑、删除和插入历史数据库；普通员工只能查看历史数据库和实时数据库[6]。

（4）大客户管理

大客户管理主要侧重于监控领域的定期用户安全检查，如定义控制周期、确定兼容数据、与电气安全检查交互以获得实时在线服务。

（5）用户进网管理

负责监测客户侧用电设备的安装、运维以及其他工作，包括新用户的变压器报装、老客户的业扩报装、客户的设备维修等。

3.系统模块组成

3.1网络通讯模块

利用丰富的以太网资源，创建一个具有高级以太网功能的分布式以太网测控系统。这是一个可靠、价格合理且快速的技术解决方案。分布式以太网测控系统的设计要求使用以太网测控网关作为关键设备。微控制器用于驱动以太网接口芯片并创建以太网测量和控制门。可以分为两种情况，一种是微控制器直接控制以太网接口芯片，还有一种是用单片机实现以太网卡的驱动。这两种方法实际上是一种，其非常灵活、成本较低，但是需要较长的开发时间，并且开发人员要熟练掌握网络接口、TCP/IP和其他相关通信协议。低成本和灵活使用是在基于云计算技术的客户侧电能质量监测系统中推广的前提条件。因此，考虑到系统的特点，本文选择以太网网关组成方式来设计网络通信模块[7]。

3.2电源模块

通常基于云计算技术的客户侧用电安全监测中，监测设备将通过电源插座采集电压信号，同时输入220V AC交流电源，从而使其为整个电源模块进行供电。在突发停电后，用电安全监测系统的工作性质会开展应急供电工作。因此，在该系统中，提出以下建议：正常运行中，电源模块是从220V交流电源供电；而一旦发生停电，则转变为监测系统提供电源，而监控系统进入低功率状态仅用于监控和数据存储，不需要外部通信；同时，为了确保用电安全监测系统在电压不稳定时保持持续供电状态，所以选择在数据处理模块的电源输入端增加一个大电容器，实现暂态电支撑的功能。

4.系统操作步骤

客户侧用电安全监测系统共有A、B、C、D、E五类电力用户和第三方机构提供灵活、交互式的加入。例如，一客户需要以新用户身份报装变压器，其客户侧用电安全监测系统操作流程为：（1）用户在产生包装变压器的需求之后，在客户侧用电安全监测系统中提交独有的资料信息，然后注册自己的用户ID，并设置密码，获得认证身份信息。（2）根据在系统中注册的ID和密码，在系统中登录账号；在认证过程中，能源公司的服务人员为用户提供在线信息帮助。（3）登录后，用户根据自己的信息提交交易信息表（新用户变压器报装），并发送网络数据。（4）在云平台系统中接收到交易请求之后，对于请求进行处理。而电力公司的服务人员应参与网络申请流程，以批准重新安装用户变压器的流程。（5）系统平台自动将安装人员发送的审批信息发送给相关安装安装安装设备，检查信息，确认是否符合新的安装条件，并向系统平台提供反馈。（6）如果系统平台收到有关设备批准的信息，一方面必须要在系统平台中查找具有安装资格的单位，为客户的变压器安装推荐安装单位，另一方面应提供支持该决定的信息，立即将批准安装的相关结果通知用户。（7）如果系统平台接收到安装失败消息，则必须立即通知用户报装失败[8]。

5.结语

综上所述，云计算平台拥有强大的计算能力、存储能力，并且还具有可扩展性和易用性等特点，已经逐渐成为了能源行业的重要计算技术。利用云计技术设计客户侧用电安全监测系统，用以监测用电安全，通过大数据、高速通信、高效管理等技术，研究共享、智能、关键等用电安全监测密钥。本文提出的方案为客户侧电力数据获取提出了一种有效的技术方案，因此支持创建客户侧电气安全监控平台，提高电力公司的综合服务水平。

参考文献：

[1] 林婷婷，王靖植，朱琪，等.一二次融合客户侧能效评估平台的开发与实现[J].中国高新科技，2022（20）：15-17.

[2] 李立群，莫海平.基于新ICT技术的智慧用电安全管理服务平台简析[J].建筑电气，2022，41（11）：71-74.

[3] 钟建栩，余少锋，廖崇阳，等.基于云计算的电力设备智能监测系统[J].云南师范大学学报（自然科学版），2022，42（3）：37-41.

[4] 于群，沈志恒，孙飞飞，等.面向云计算应用的用电负荷数据差分隐私保护方法[J].电力自动化设备，2022，42（7）：68-75.

[5] 许晓萍.云计算中心EEUE能效监测系统设计[J].现代建筑电气，2022，13（10）：49-53.

[6] 甘雷，黄海鸿，李磊，et al.基于物联网的板料成形车间能效监测与节能分析方法[J].中南大学学报（英文版），2022，29（1）：239-258.

[7] 葛苏鞍，叶红，马中山.油田主要耗能设备能效在线监测信息系统建设[J].信息系统工程，2023（5）：49-51.

[8] 王韶霞.基于大数据的企业综合能效监测分析模型研究[J].安阳师范学院学报，2023（2）：28-31.

项目名称：国网安徽省电力有限公司宣城供电公司2022年度群众性创新项目（工业生产设备用能负荷特性分析与监测的研究）国网安徽省电力有限公司科技项目资助。