專利名稱：非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)的高級(jí)量測(cè)體系，具體講，涉及一種電力系統(tǒng)中居民用電監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
目前，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，由于電力系統(tǒng)在供電可靠性、電能質(zhì)量、低碳節(jié)能等方面都面臨著前所未有的嚴(yán)格約束，傳統(tǒng)電網(wǎng)正向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型，參見(jiàn)余貽鑫，欒文鵬，面向 21 世紀(jì)的智能電網(wǎng).[EB/OL]. http://news, sciencenet. cn. 2010-09-05.;其中，高級(jí)量測(cè)體系是實(shí)踐電網(wǎng)智能化的至關(guān)重要的第一步，它承擔(dān)著整個(gè)電網(wǎng)多方面電氣信息的量測(cè)、收集、儲(chǔ)存和分析的底層任務(wù)，是智能電網(wǎng)中其他(上層)功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，如電網(wǎng)故障定位與自愈恢復(fù)、需求側(cè)管理和負(fù)載實(shí)時(shí)均衡、電壓穩(wěn)定性控制、準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)與建模，實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)仿真分析等。電網(wǎng)負(fù)荷用電監(jiān)測(cè)與分析是高級(jí)量測(cè)體系中最重要的部分之一，其中，居民用電監(jiān)測(cè)的意義在于一方面，使用戶了解電能消耗細(xì)節(jié)，有助于促使其優(yōu)化用電習(xí)慣，最終削減電費(fèi)支出；另一方面，由于民用負(fù)荷的可控性較強(qiáng)，如電熱水器、空調(diào)等“儲(chǔ)能型”負(fù)荷和洗衣機(jī)、電熱水壺等“延遲性”負(fù)荷都具有與電網(wǎng)友好合作的潛力，憑借用電監(jiān)測(cè)，用戶可以有依據(jù)地響應(yīng)電網(wǎng)需求，幫助實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”等需求側(cè)管理功能，使電網(wǎng)受益。傳統(tǒng)的居民用電監(jiān)測(cè)是為每個(gè)電器配備一個(gè)傳感器來(lái)跟蹤其用電狀態(tài)(用電功率)和工作狀態(tài)(如空調(diào)有制冷和制熱兩種用電功率不同的工作狀態(tài))，屬于“侵入式”監(jiān)測(cè)。然而大量帶有數(shù)字通訊的傳感器的安裝、調(diào)試及維護(hù)開(kāi)銷較大，而且傳感器過(guò)多會(huì)降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和用電器的可靠性。George Hart在G. W. Hart. Nonintrusive applianceloadmonitoring[J]. Proceedings of IEEE, 1992, 80 (12) : 1870-1891 中最早正式提出了非侵入式的電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Non-1ntrusive Load Monitoring System),基本原理可總結(jié)如圖1。圖中虛線框內(nèi)為系統(tǒng)的主要功能模塊，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集供電電源入口處的電壓和總電流，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)電壓、電流波形濾波，去噪及為實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電氣特征提取所做的其他操作，如電壓、電流諧波分析，電流相位校正等，負(fù)荷電氣特征提取模塊負(fù)責(zé)從實(shí)測(cè)負(fù)荷端電壓和總電流中提取監(jiān)測(cè)方法所需的負(fù)荷特征，如穩(wěn)態(tài)有功和無(wú)功功率、暫態(tài)電流峰值、暫態(tài)電流有效值等，這是影響監(jiān)測(cè)性能的關(guān)鍵，最后利用有效的監(jiān)測(cè)方法完成總負(fù)荷的組成分析和內(nèi)部電器狀態(tài)的辨識(shí)，并完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)和管理等相關(guān)功能；此外，圖中還列舉了系統(tǒng)可以具有的拓展功能，如交互操作、控制命令輸入與輸出及系統(tǒng)報(bào)告等。非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)方案通過(guò)分析用戶電源入口處的電壓和總電流來(lái)確定戶內(nèi)每個(gè)電器的用電狀態(tài)。這樣既可降低監(jiān)測(cè)成本和簡(jiǎn)化操作，又可提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，不僅簡(jiǎn)化了電力公司對(duì)負(fù)荷用電細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)的收集工作，而且可以簡(jiǎn)單便捷地指導(dǎo)用戶優(yōu)化用電。現(xiàn)有的一些技術(shù)中把啟動(dòng)、停機(jī)等負(fù)荷工作狀態(tài)的變動(dòng)統(tǒng)稱為負(fù)荷事件，利用與其相關(guān)的穩(wěn)態(tài)特征(如穩(wěn)態(tài)功率階躍，參見(jiàn)(I) G. W. Hart. Nonintrusiveappliance loadmonitoring[J] · Proceedings of IEEE, 1992,80 (12) :1870-1891 ；(2) H.Pihala. Non-1ntrusive appliance loadmonitoring system based on amodern kWh-meter[R]. Technical Research Center of Finland, ESPOO,1998 ； (3)Christopher E.Reegj Thomas J.Overbye. Algorithm development forNon-1ntrusiveLoad Monitoring for Verification and Diagnostics[C].North AmericanPowerSymposium(NAPS), 2010, :1 - 5 ； (4) Bergesj et al. Enhancing electricity auditsin residentialbuildings with nonintrusive load monitoring[J] · Journal ofIndustrial Ecology，2010，14 (5):844-858 ; (5) Ming Dong,et al.An Event WindowBased Load Monitoring Techniquefor Smart Meters [J].1EEE Transactions onSmart Grid, 2012,3(2) :787-796)或暫態(tài)特征(如暫態(tài)功率波譜模式，參見(jiàn)(I) StevenB. Leebj James. L. Kirtley. A Multiscale Transient EventDetector for NonintrusiveLoad Monitoring[J].1nternational Conference on IndustrialElectronicsj Control，and Instrumentation, 1993，1:354-359 ； (2) Steven B. Leebj Steven R. Shaw,James L.Kirtley. Transient event detection in spectral envelope estimatesfor nonintrusive loadmonitoring[J].1EEE Transactions on Power Delivery,1995，10 (3):1200-1210· ； (3)S. R. Shaw, et al. Nonintrusive Load Monitoring andDiagnostics in Power Systems[J].1EEE Transactions onlnstrumentation and Measurement, 2008，57 (7) : 1445-1454)來(lái)判斷檢測(cè)到的負(fù)荷事件是源自總負(fù)荷內(nèi)部的哪個(gè)電器，據(jù)此實(shí)現(xiàn)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)。其中，Christopher E. Reegj Thomas J. Overbye.Algorithm development for Non-1ntrusive Load Monitoring for VerificationandDiagnostics[C].North American Power Symposium (NAPS),2010, :1 - 5在 G.W.Hart. Nonintrusive appliance loadmonitoring[J]. Proceedings ofIEEE, 1992,80(12) :1870-1891的基礎(chǔ)上通過(guò)考慮電器的典型工作時(shí)段這一時(shí)間特征改善了監(jiān)測(cè)性會(huì)泛。Ming Dong, et al. An Event Window Based Load Monitoring Techniquefor Smart Meters [J].1EEE Transactionson Smart Grid, 2012，3(2) : 787-796 提出了負(fù)荷事件窗的概念，在負(fù)荷特征參數(shù)化的基礎(chǔ)上，以參數(shù)方程式給出了一個(gè)線性的負(fù)荷辨識(shí)分類器，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較高；但是分類器方程中的常值系數(shù)需要在大量實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到，若數(shù)值不適當(dāng)，對(duì)辨識(shí)準(zhǔn)確率影響較大。S. R. Shaw，et al. NonintrusiveLoad Monitoring and Diagnostics in PowerSystems[J].1EEE Transactions onInstrumentation and Measurement, 2008，57 (7) : 1445-1454 實(shí)現(xiàn)了 暫態(tài)功率波譜模式的參數(shù)化，可用于辨識(shí)那些同屬于一類、但暫態(tài)波形參數(shù)不同的不同負(fù)荷個(gè)體?？傮w上，對(duì)于這類基于負(fù)荷事件的監(jiān)測(cè)方法，由于不同電器的工作狀態(tài)變換過(guò)程之間通常不是分立的，時(shí)常會(huì)同時(shí)或順序地發(fā)生不同的負(fù)荷事件，致使電器的唯一性特征被掩藏或消失，從而造成辨識(shí)錯(cuò)誤；對(duì)于短工作周期的負(fù)荷，也可能因兩個(gè)連續(xù)的量測(cè)點(diǎn)間的負(fù)荷事件丟失產(chǎn)生辨識(shí)錯(cuò)誤。此外，這類方法不能辨識(shí)恒功率電器，對(duì)多狀態(tài)的和功率連續(xù)可變的電器的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率低。文獻(xiàn)黎鵬，余貽鑫.非侵入式電力負(fù)荷在線分解[J]天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，42(4) :303-308.中拋開(kāi)負(fù)荷事件的概念，基于任一穩(wěn)態(tài)負(fù)荷總電流可由其內(nèi)部各類主要用電設(shè)備電流的線性疊加近似估計(jì)的事實(shí)，通過(guò)最優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷總電流模式(電流諧波特征)最優(yōu)匹配，來(lái)求得各類用電設(shè)備的電流權(quán)重系數(shù)，實(shí)現(xiàn)總功率在線分解，有效地解決了以負(fù)荷事件為基礎(chǔ)的方法共同存在的上述問(wèn)題。但如果不同電器監(jiān)測(cè)的電流波形相似程度較大，總功率分解精度就會(huì)下降，因而需要事先對(duì)電器做恰當(dāng)?shù)姆诸?，未能完滿地解決電器工作狀態(tài)辨識(shí)的問(wèn)題。文獻(xiàn)(I) Y1-Sheng Lai, Yung-ChiChen,Shiao-Li TsaojTzung-Cheng Tsa1. A novel search scheme for nonintrusiveload monitoringsystems[C]. 2012 IEEE International Conference on IndustrialTechnology (ICIT)，2012，:102-107 和文獻(xiàn)(2) Jian Liang, Ngj S. , Kendall, G. , Cheng, J.Load Signature Study—Part II_Disaggregation Framework, Simulation, andApplications [J] · IEEE Transactions on PowerDelivery，2010，25 (2) : 561-569 是集成暫態(tài)過(guò)程和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中多種負(fù)荷特征的綜合型非侵入式監(jiān)測(cè)方法，這類方法的辨識(shí)與監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較高，但是，若監(jiān)測(cè)方法對(duì)數(shù)據(jù)釆集模塊的釆樣頻率(比如涉及暫態(tài)特征)和微處理器性能要求高,則會(huì)提高整體成本,降低監(jiān)測(cè)方法的實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種基于諧波特性的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)的電流模式匹配法，建立了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的、新穎的電器用電狀態(tài)(用電功率)與工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的查表法，由于本方法僅依靠電器負(fù)荷正常工作時(shí)固有的穩(wěn)態(tài)電流模式統(tǒng)計(jì)特性和穩(wěn)態(tài)有功功率、無(wú)功功率，從而具有很強(qiáng)的通用性；并提出了 “負(fù)荷狀態(tài)字向量”的新概念，使本方法易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明是基于負(fù)荷總電流模式(電流諧波特征)最優(yōu)匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷總功率分解的，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的如果不同電器監(jiān)測(cè)的電流波形相似程度較大，總功率分解精度就會(huì)下降的技術(shù)問(wèn)題，在不同電器監(jiān)測(cè)的電流波形相似程度較大時(shí)，總功率分解精度也不會(huì)下降，提高了分解精度，而且可以準(zhǔn)確辨識(shí)電器的不同工作狀態(tài)；而且，由于本方法利用查表法而不是優(yōu)化算法完成監(jiān)測(cè)，降低了對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中微處理器計(jì)算性能的要求，可有效降低成本。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明基于諧波特性的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是建立一負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)有以下負(fù)荷特征信息(I)在基波參考電壓Uref下不同電器的用電狀態(tài)和工作狀態(tài)；(2)不同電器的每種工作狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)電流諧波參數(shù)。并包括下述步驟用電器登記與負(fù)荷狀態(tài)字空間初始化步驟I)確定總負(fù)荷內(nèi)的所含電器設(shè)備，并從負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取負(fù)荷內(nèi)每個(gè)電器的負(fù)荷特征信息，從而完成用電器登記；2)統(tǒng)計(jì)負(fù)荷所有可能的工作狀態(tài)，并存儲(chǔ)在一有序線性表[state]中，從而完成狀態(tài)字空間Qsw的初始化。數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理步驟包括采集負(fù)荷端電壓和穩(wěn)態(tài)用電總電流，以及對(duì)采集到的電壓和總電流信號(hào)進(jìn)行信號(hào)去噪和諧波分析，從而得出實(shí)測(cè)基波有功總功率Ρ/( ):Ρ；( ) = UJ1 cos(^；i)(6)
實(shí)測(cè)基波無(wú)功總功率仏 1U):Q){t) = f/,/, sin( θη)(7) 實(shí)測(cè)單元總電流模式1(坪(0，漢(0):I,(PlUXQ)(O) = (I·Ζθη,-,α , · Ζθ ,,-,α!Η ·ΖΘ,Η)Τ( 15 )公式(6)和公式(7)中=U1表示實(shí)測(cè)負(fù)荷端電壓u(t)的基波有效值，I1表示實(shí)測(cè)負(fù)荷總電流ii(t)的基波有效值；表不ii⑴的基波相對(duì)于負(fù)荷端電壓基波相位角的初相位角；公式(15)中α ^表示電流I1 (t)的第h次諧波幅值以該電流基波幅值為基值時(shí)的標(biāo)幺值，故a u=l ; Θ ^表示電流I1 (t)的第h次諧波相對(duì)于負(fù)荷端電壓基波相位角的初相位角。基于查表的可行狀態(tài)字空間搜索步驟
對(duì)有序線性表[state]進(jìn)行搜索，在狀態(tài)字空間Ω sw中，根據(jù)實(shí)測(cè)負(fù)荷基波有功總功率片⑴和實(shí)測(cè)負(fù)荷基波無(wú)功總功率WU)，對(duì)負(fù)荷工作狀態(tài)完成初選，最終得到滿足基波總功率約束的可行狀態(tài)字空間Ω,ν ,(片(O,(^1(O)C浐，其中，Z表示整型數(shù)空間。電流模式最優(yōu)匹配步驟電流模式匹配的目標(biāo)函數(shù)如下min i 1/,(^/(0,(16)
^SWi ea w <p} K r),ρ}Il公式(16)中I I · I I表示L2范數(shù)。在上述可行狀態(tài)字空間⑹內(nèi)，尋找一個(gè)使電流模式最優(yōu)匹配的目標(biāo)函數(shù)有最小值的狀態(tài)字向量SWmin(t)作為對(duì)負(fù)荷當(dāng)前工作狀態(tài)的最優(yōu)估值，實(shí)現(xiàn)電器工作狀態(tài)辨識(shí)，并將與SWmin(t) —一地對(duì)應(yīng)著的 (O做為負(fù)荷當(dāng)前用電狀態(tài)的最優(yōu)估值向量，至此實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷基波總功率分解。監(jiān)測(cè)與分解結(jié)果的顯示輸出最后，顯示輸出負(fù)荷內(nèi)部每個(gè)電器的用電狀態(tài)(即用電功率)和所處工作狀態(tài)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是與文獻(xiàn)黎鵬，余貽鑫.非侵入式電力負(fù)荷在線分解[J]天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009, 42 (4) : 303-308.相同，本發(fā)明也是基于負(fù)荷總電流模式(電流諧波特征)最優(yōu)匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷總功率分解的，但本發(fā)明并未采用優(yōu)化算法，而是建立了一種新穎的查表法，本發(fā)明所提出的電流模式匹配方法不但解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的如果不同電器監(jiān)測(cè)的電流波形相似程度較大，總功率分解精度就會(huì)下降，因而需要事先對(duì)電器做恰當(dāng)?shù)姆诸悾茨芡隄M地解決電器工作狀態(tài)辨識(shí)的問(wèn)題。即使在不同電器監(jiān)測(cè)的電流波形相似程度較大時(shí)，總功率分解精度也不會(huì)下降，提高了分解精度，而且可以準(zhǔn)確辨識(shí)電器的不同工作狀態(tài)。并且還具有以下特點(diǎn)(I)以電器個(gè)體為監(jiān)測(cè)對(duì)象，不需要電器歸類；(2)僅依靠電器負(fù)荷正常工作時(shí)所固有的穩(wěn)態(tài)電流模式統(tǒng)計(jì)特性和穩(wěn)態(tài)有功功率、無(wú)功功率，從而具有很強(qiáng)的通用性；(3)對(duì)合理的負(fù)荷功率波動(dòng)不敏感，能夠區(qū)分功率水平接近的負(fù)荷工作狀態(tài)；(4)能夠準(zhǔn)確辨識(shí)單一狀態(tài)或“多狀態(tài)”電器的工作狀態(tài)；(5)總功率分解精度高，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。此外，本發(fā)明中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的微處理器主要負(fù)責(zé)
(I)負(fù)荷端電壓和總電流的諧波分析，僅需每周波32點(diǎn)的傅里葉變換，計(jì)算量?。?2)遍歷有序線性表[state]，查找有序線性表的耗時(shí)量度可以是對(duì)數(shù)階ο (log2n)，性能優(yōu)越；(3)在線計(jì)算估計(jì)總電流模式，由于集合Ω, .|(打(O,^W)的元素?cái)?shù)量?jī)H為可行狀態(tài)字空間Qsw的5 10%，因而需要的浮點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算量小。綜合上述三點(diǎn)，本發(fā)明方法對(duì)微處理器運(yùn)算性能的要求低，能容易地應(yīng)用于智能電表。現(xiàn)有智能電表中微處理器(CPU)芯片的性能即可滿足需要，在為有序線性表[state]拓展必要的外部存儲(chǔ)空間的基礎(chǔ)上，可使智能電表具備“非侵入式”負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的功能，足見(jiàn)本發(fā)明的工程效益。


圖1是非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解系統(tǒng)基本原理圖； 圖2是本發(fā)明所述的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解系統(tǒng)的功能流程圖；圖3是本發(fā)明所述的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；圖4是空調(diào)制熱的實(shí)測(cè)波形；圖5是微波爐高火加熱的實(shí)測(cè)波形；圖6是洗衣機(jī)洗滌的實(shí)測(cè)波形；圖7是電磁爐煮飯的實(shí)測(cè)波形。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作做進(jìn)一步詳細(xì)地描述。本發(fā)明以家用電器為監(jiān)測(cè)對(duì)象，把總負(fù)荷內(nèi)部每個(gè)電器的用電狀態(tài)(用電功率)及工作狀態(tài)(如空調(diào)有制冷和制熱兩種用電功率不同的工作狀態(tài))作為監(jiān)測(cè)目標(biāo)。同時(shí)做出如下兩點(diǎn)基本假設(shè)假設(shè)1:正常情況下，負(fù)荷電器在既定的工作狀態(tài)下所消耗的基波有功功率(和與之對(duì)應(yīng)的基波無(wú)功功率)與其端電壓有確定性關(guān)系，且可僅用有功功率來(lái)表征(參見(jiàn)H.Pihala. Non-1ntrusive appliance load monitoring system based on a modernkWh-meter[R]. Technical Research Center of Finland，ESP00，1998.)；假設(shè)2 :在既定電壓下，電器的工作狀態(tài)與穩(wěn)態(tài)電流諧波特征間有--
對(duì)應(yīng)的關(guān)系，(參見(jiàn)黎鵬，余貽鑫.非侵入式電力負(fù)荷在線分解[J]天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，42(4) :303-308.)。本發(fā)明，即基于諧波特性的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，在上述兩點(diǎn)假設(shè)成立的基礎(chǔ)上，需建立包括下述兩項(xiàng)內(nèi)容的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)在基波參考電壓Uref下不同電器的用電狀態(tài)和工作狀態(tài)在基波參考電壓UMf下，對(duì)不同電器進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定電器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中用電功率不同的所有情況，不同的用電功率即被定義為不同的用電狀態(tài)，參考功率被記為PMf，不同的用電狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的工作狀態(tài)，若電器不同物理狀態(tài)下的用電功率相同，則將這些不同的物理狀態(tài)統(tǒng)一定義為一種工作狀態(tài)；如下表I中的微波爐，微波爐高火、中火、低火等不同狀態(tài)只是功率通斷的占空比不同，通態(tài)功率是相同的，故只以高火加熱這一種工作狀態(tài)作為代表。不同電器的每種工作狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)電流諧波參數(shù)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)所得的不同電器端電壓和穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行諧波分析得到其穩(wěn)態(tài)電流諧波參數(shù)，如公式(4)所示，為電器ai的電流諧波參數(shù)矩陣Hai。
權(quán)利要求
1.一種非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，其特征在于建立一負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)有以下負(fù)荷特征信息(1)在基波參考電壓UMf下不同電器的用電狀態(tài)和工作狀態(tài)，(2)不同電器的每種工作狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)電流諧波參數(shù)；并包括下述步驟用電器登記與負(fù)荷狀態(tài)字空間初始化步驟1)確定總負(fù)荷內(nèi)的所含電器設(shè)備，并從負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取負(fù)荷內(nèi)每個(gè)電器的負(fù)荷特征信息，從而完成用電器登記；2)統(tǒng)計(jì)負(fù)荷所有可能的工作狀態(tài)，并存儲(chǔ)在一有序線性表[state]中，從而完成狀態(tài)字空間Qsw的初始化；數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包括采集負(fù)荷端電壓和穩(wěn)態(tài)用電總電流，以及對(duì)采集到的電壓和總電流進(jìn)行信號(hào)去噪和諧波分析，從而得出實(shí)測(cè)基波有功總功率打(O P；{t) = UJ, cos( θη )(6)實(shí)測(cè)基波無(wú)功總功率0丨(O QUO = UJ, Sin(^1)(7)實(shí)測(cè)單元總電流模式A (p/(O,ft1 (O) ··Ι (/>1(4 |(0) = (1·Ζ^,···,α Α·Ζ^,···,^·Ζ^/)Γ(15)公式(6)和公式(7)中=U1表示實(shí)測(cè)負(fù)荷端電壓u(t)的基波有效值，I1表示實(shí)測(cè)負(fù)荷總電流ii(t)的基波有效值，Qil表不ii⑴的基波相對(duì)于負(fù)荷端電壓基波相位角的初相位角，公式(15)中Cilh表示電流^(0的第h次諧波幅值以該電流基波幅值為基值時(shí)的標(biāo)幺值，故au=l，0lh表示電流^⑴的第h次諧波相對(duì)于負(fù)荷端電壓基波相位角的初相位角；基于查表的可行狀態(tài)字空間搜索步驟對(duì)有序線性表[state]進(jìn)行搜索，在狀態(tài)字空間Qsw中，根據(jù)實(shí)測(cè)負(fù)荷基波有功總功率 P,1 (O和實(shí)測(cè)負(fù)荷基波無(wú)功總功率β,1 (O，對(duì)負(fù)荷工作狀態(tài)完成初選，最終得到滿足基波總功率約束的可行狀態(tài)字空間其中，Z表示整型數(shù)空間；電流模式最優(yōu)匹配步驟確定電流模式最優(yōu)匹配的目標(biāo)函數(shù)如下min i(16)VSff1-^Qsw11公式(16)中I I · I I表示L2范數(shù)；在上述可行狀態(tài)字空間Di(PAzXft1W)內(nèi)，尋找一個(gè)使電流模式最優(yōu)匹配的目標(biāo)函數(shù)有最小值的狀態(tài)字向量SWmin(t)作為對(duì)負(fù)荷當(dāng)前工作狀態(tài)的最優(yōu)估值，實(shí)現(xiàn)電器工作狀態(tài)辨識(shí)，并將與swmin(t) —一地對(duì)應(yīng)著的Pi(O作為負(fù)荷當(dāng)前用電狀態(tài)的最優(yōu)估值向量，至此實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷基波總功率分解；監(jiān)測(cè)與分解結(jié)果的顯示輸出步驟最后，顯示輸出負(fù)荷內(nèi)部每個(gè)電器的用電功率和所處工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，其特征在于負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)中，確定基波參考電壓UMf下不同電器的用電狀態(tài)和工作狀態(tài)的方法是在基波參考電壓Uref下，對(duì)不同電器進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定電器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)用電功率不同的所有情況，不同的用電功率即被定義為不同的用電狀態(tài)，參考功率被記為Pm，不同的用電狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的工作狀態(tài)，若電器不同物理狀態(tài)下的用電功率相同，則將這些不同的物理狀態(tài)統(tǒng)一定義為一種工作狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，其特征在于負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)中，確定不同電器的每種工作狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)電流諧波參數(shù)的方法是 通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)所得的不同電器端電壓和穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行諧波分析得到其穩(wěn)態(tài)電流諧波參數(shù)，并定義電器ai的電流諧波參數(shù)矩陣Hai
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，其特征在于負(fù)荷狀態(tài)字空間Qsw及對(duì)應(yīng)的有序線性表[state]的獲取方法是首先，用由N個(gè)電器所消耗的基波功率組成的功率向量表示總負(fù)荷的用電狀態(tài)，如下述公式(I)和公式(2)，分別為有功向量P1U) e Rn和無(wú)功向量tf(t) eRN，R表示實(shí)數(shù)空間，其分量分別是N個(gè)電器在時(shí)刻t處于各自用電狀態(tài)的基波有功功率或無(wú)功功率；在既定的N個(gè)電器的用電狀態(tài)組合下，P1U)和QHt)是一一對(duì)應(yīng)的，所以僅用有功功率向量P1U) 表示總負(fù)荷的用電狀態(tài)，
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，其特征在于完成負(fù)荷工作狀態(tài)初選過(guò)程中，實(shí)測(cè)基波端電壓U1下，計(jì)算各電器基波有功功率和無(wú)功功率估值向量的方法是由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)荷實(shí)際工作電壓可能不是UMf，根據(jù)實(shí)測(cè)基波端電壓U1修正負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的基波參考電壓Um下的有功功率參考值，計(jì)算得到各個(gè)電器實(shí)際有功功率估值，如公式(8)，P(Ul) = Prer(UlZUref)'^C8)公式(8)中Yp表示電器的基波有功功率修正指數(shù)，可經(jīng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)得到，P(U1)表示實(shí)測(cè)基波端電壓U1下的電器實(shí)際有功功率估值，在實(shí)測(cè)基波端電壓U1下，任取有序線性表[state]中第k個(gè)狀態(tài)字向量SWk，k表示狀態(tài)字向量在[state]表中的序號(hào)，根據(jù)公式(I)和公式(8)，由狀態(tài)字SWk計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的基波有功功率估值向量，記為P1 (Sffk, U1) e Rn,據(jù)公式(3)，SWk中電器ai的狀態(tài)為s(i)，由SWk可得到與之唯一對(duì)應(yīng)的電流諧波參數(shù)矩陣Ha(SWk),如公式(5)，
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，其特征在于負(fù)荷工作狀態(tài)初選的約束條件是分別對(duì)P1 (Sffk, U1)和Q1 (Sffk, U1)中元素求和得到負(fù)荷基波有功總功率和基波無(wú)功總功率估值，并相應(yīng)地記為和組，進(jìn)而建立負(fù)荷工作狀態(tài)初選的約束條件， 如公式(10)和公式(11):
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，其特征在于電流模式最優(yōu)匹配的目標(biāo)函數(shù)中所需的兩個(gè)估值向量的確定方法是實(shí)測(cè)基波端電壓A下，確定各電器基波有功功率估值在負(fù)荷總基波有功功率估值中所 占比例的向量的方法是由中狀態(tài)字向量swk得到對(duì)應(yīng)的有功功率估值向量P1 (Sffk, U:)，由下下 述公式(12)確定各個(gè)電器的基波有功功率估值在負(fù)荷基波有功總功率估值中所占的比例 的向量
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，其特征在于電流模式匹配的目標(biāo)函數(shù)中，確定估計(jì)單元總電流諧波參數(shù)向量( %，&)，也即估計(jì) 總電流模式的方法是采用下述公式(14)計(jì)算得到估計(jì)單元總電流諧波參數(shù)向量為，，
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解的電流模式匹配方法，在建立負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，包括用電器登記和負(fù)荷狀態(tài)字空間初始化，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，基于查表的可行狀態(tài)字空間搜索，電流模式(電流諧波特征)最優(yōu)匹配和監(jiān)測(cè)結(jié)果輸出。由于本方法僅依靠電器正常工作時(shí)固有的穩(wěn)態(tài)電流模式的統(tǒng)計(jì)特性和穩(wěn)態(tài)有功功率、無(wú)功功率，從而通用性很強(qiáng)。解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的如果不同電器監(jiān)測(cè)的電流波形相似程度較大，總功率分解精度就會(huì)下降的問(wèn)題，提高了分解精度，而且可以準(zhǔn)確辨識(shí)電器的不同工作狀態(tài)；同時(shí)，由于本方法利用查表法而不是優(yōu)化算法完成監(jiān)測(cè)，降低了對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中微處理器計(jì)算性能的要求，可有效降低成本。
文檔編號(hào)H02J3/14GK103001230SQ201210466810
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者余貽鑫, 劉博 , 王兵 申請(qǐng)人:天津大學(xué)