專利名稱：通過分析負載瞬時狀態(tài)實現(xiàn)非介入測定裝置消耗電能的方法和裝置的制作方法
通過分析負載瞬時狀態(tài)實現(xiàn)非介入測定裝置消耗電能的方
法和裝置本發(fā)明涉及通過分析負載瞬時狀態(tài)實現(xiàn)非介入測定裝置消耗電能的方法和裝置。目前，由交流電壓網(wǎng)絡(luò)提供的用戶裝置所消耗電能以及對應(yīng)的電能消耗可從裝置物理參數(shù)的直接測量中測定，例如供給電壓、傳輸?shù)碾娏鲝姸?、傳輸電流和供給電壓之間的相移。通常，電子模塊可以根據(jù)上述電壓、電流及相移的數(shù)值來計算消耗的有功和無功電能，并且通過對一個給定時間范圍的連續(xù)電能數(shù)值的積分來計算所消耗的電能。上述電子模塊通常都安裝在測量表中，例如電表，并且在某些情況下可以傳輸上述測量數(shù)值和/或功率數(shù)值或最終消耗的能量數(shù)值。上述測量表都是令人十分滿意的。然而，它們存在著缺點，都需要將上述電子模塊安裝在測量表中，并因此該表在多數(shù)情況下都在用戶的私人房產(chǎn)內(nèi)，即更普遍的是在用戶的住所中。為了從用戶的私人房產(chǎn)中移出所述裝置并且測量功率或電能，已經(jīng)提出了各種不同的改進方法。例如，一種方法包括通過分析電表或電表上行線路的裝置的整體負載曲線，在用戶私人住所外測量在用戶裝置分支上的供給電壓和傳輸電流，從采用非介入處理過程的觀點來看，稱之為 NIALM( S卩，NonHntrusive Appliance Load Monitoring =非介入式負載檢測應(yīng)用)。上述非介入處理過程明顯有益于面臨能量成本預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和降低能耗挑戰(zhàn)的電能的提供者、分銷商以及消費者。NIALM處理過程顯示了非介入的幾個階段，包括器具的自動訓(xùn)練階段，正如專利文獻US 4858141所闡述的；包括器具的人工訓(xùn)練階段，正如專利文獻US 5483153所闡述的。人工NIALM處理過程證明比自動NIALM處理過程更加精確，因為以不同的能耗階段來收集器具的能耗信號。然而，這種半介入形式對于用戶來說十分惱火，而對于電能的分銷商或提供商來說也沒有任何吸引力。在人工NIALM處理的情況下，可以根據(jù)在各個器具上的電流傳感器來構(gòu)建電接收器具的數(shù)據(jù)庫。在自動NIALM處理的情況下，基于電表所測量到的功率來構(gòu)建隨時間改善的電接收器具的庫。上述庫實際上有可能識別各個電器及其能耗，并且已經(jīng)提升對這些電器使用的識別或者甚至這些電器用戶的使用習(xí)慣或電器能耗的識別。因此，對使用的識別提出了各種不同的處理方式-根據(jù)電流強度變化的識別，正如專利申請FR2645968所描述的。將這種變化與家用負載連接/斷開情況下的閾值典型數(shù)值相比較。該閾值數(shù)值列在數(shù)據(jù)庫中；-根據(jù)在穩(wěn)定狀態(tài)中裝置的有功和無功功率和/或?qū)Ъ{的變化測量，正如專利文獻US4858141所描述的。與庫所存儲的市場現(xiàn)有各種不同電器的參考表進行比較；-根據(jù)基頻及其諧波的電流測量，正如專利文獻US6816078所描述的。通過電器所產(chǎn)生并在庫中分類的諧波(通過頻率變化FFT)來識別各個電器。可通過驗證形成總電流所存在的最高諧波頻率來評估該電器的操作；-根據(jù)在瞬變條件中的裝置的有功和無功功率的測量，正如專利文獻M83153所描述的。瞬變的輪廓與用于負載識別的數(shù)據(jù)庫進行比較；-根據(jù)連接著電網(wǎng)的電器所發(fā)出的啟動高頻脈沖的提示，正如專利文獻 EP1136^9和US7078982B2所描述的。如果需要，這個過程需要在各個被檢測的電器上進行，其適用于在公共網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生高頻信號的裝置以及使用能放大高頻信號的接收器或中繼器。盡管描述為非介入式，但當(dāng)識別裝置第一次安裝的時候，這一過程就需要電器經(jīng)歷多次逐一的接通和斷開；-根據(jù)對電流和電壓所進行的測量來確定裝置的負載阻抗隨時間的變化，正如專利文件W093/04377所描述的。但是，這樣的過程仍舊是介入式的。在電表中的大量存儲組件必需由員工定期的更換。上述所有的處理過程都包括介入的層級，這與大量家用電器所呈現(xiàn)出的大規(guī)模應(yīng)用是不相符的。上述過程可以使用更能保證電網(wǎng)提供純正弦電壓的參數(shù)和數(shù)值，例如視在功率、 無功功率、有功功率，電流和電壓的有效值，并因為它們不適合越來越多的電器會產(chǎn)生疊加在基頻分量上的電子干擾和噪聲，因此在廣泛使用眾的多個用戶裝置的情況下，它們被破壞。上述過程都為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，用于分析信號的快速傅立葉變換 (FFT)類型的頻率處理過程。這種類型的處理過程需要正在處理的信號的相對較大的觀察窗，以便于有效地辨別正在處理的信號的各種不同分量，50Hz或60Hz的基頻以及諧波頻率，以滿足上述疊加在基頻分量上的噪聲分量的處理。在提出上述通過頻率變換的傅里葉變換類型的純粹的頻率分析方法的同時，也已經(jīng)提出了其它基于可變電磁場的系統(tǒng)實時傳輸響應(yīng)分析的理論分析方法。提出了一種稱之為束法(Pencil Method)的特殊方法，形成了研究由電磁波激發(fā)的反射體或天線的響應(yīng)的基礎(chǔ)，這里假定電磁波是以平面波進行傳輸?shù)?，從而有可能根?jù)目標對電磁輻射激發(fā)的瞬時和永久響應(yīng)，通過解決廣義特征值的問題來確定上述響應(yīng)的極點和留數(shù)。為了描述上述束法應(yīng)用于電導(dǎo)線形成目標的理論研究方法，我們通可以有效地參考文獻"“Generalized Penci 1-of-Function Method for Extracting Poles of an EM System from its Transient Response"(見 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Vol. 37, No. 3, February 1989，ρ 229-234，作者 Yingbo Hua 和 Tapan K. Sarkar,單位禾口地址 Department of Electrical and Computer Engineering, Syracuse University, Syracuse, NY 13344-1240)。最近，頻率分析技術(shù)(例如傅里葉變換)和束法之間的頻譜分辨率的相互性能比較的對t匕 艮告，“Comparison between the Matrix Pencil Method and the FourierTransform Technique for High Resolution Spectral Estimation “ (見 Digital Signal Processing 6，ρ 108-125 (1996) Article No. 0011，作者 JoseEnrique Fernandez del Rio 禾口 Tapan K. Sarkar，作者單位及地址 Department of Electrical and Computer Engineering，121 Link Hall,Syracuse University,Syracuse,New York 13244-1240)顯示了束法在尤其是在超出特定閾值數(shù)值的信噪比的評估的離散性和均方根誤差方面優(yōu)于傅里葉變換頻率處理的方法。本發(fā)明涉及實施非介入測定裝置消耗電能的方法和裝置，其運用束法來分析負載的瞬時狀態(tài)，所述裝置連接著一個或多個負載，這些負載具有隨著時間變化的響應(yīng)特性，且部分和/或完全吸收由配電電網(wǎng)以電磁激發(fā)信號的形式所傳輸?shù)碾娔?。根?jù)本發(fā)明，適用于非介入測定用戶裝置消耗電能的方法，是基于傳輸至所述裝置的供給電壓數(shù)值和電流強度數(shù)值的周期性采樣來執(zhí)行，以便獲得消耗信號。值得注意的是，基于消耗信號的采樣數(shù)值，其至少包括這些在連續(xù)觀察時間窗中分組采樣數(shù)值，在各個連續(xù)的當(dāng)前觀察時間窗中運用束法分辨消耗信號的極點和留數(shù)的集合。在當(dāng)前觀察窗中所述極點和留數(shù)的集合表示各個電力負載的特征信號組合，它至少包括與該裝置操作時運用束法所獲得的至少一個奇異數(shù)值相關(guān)聯(lián)的所定義的極點和留數(shù)，適用于計算當(dāng)前觀察窗口中至少一個持續(xù)時間的在裝置操作時電力負載中的至少一個子集所消耗的有功功率，并表示成該子集中的各個獨立電力負載所消耗的有功功率之和，從而驗證聯(lián)系這些極點和留數(shù)的消耗電能函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的方法，值得注意的是對于有功功率，功率公式滿足關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種用于非介入式測定用戶裝置消耗電能的方法，其中周期采樣傳輸至所述裝置的供給電壓數(shù)值和電流強度數(shù)值，以便于獲得消耗的信號，其特征在于，基于所述消耗信號的采樣數(shù)值，至少包括-對在連續(xù)觀察時間窗中分組采樣的所述數(shù)值；-運用束法方法分辨在各個當(dāng)前連續(xù)觀察窗中的消耗信號的極點(Si)和留數(shù)(Ri)的集合，在當(dāng)前觀察窗中的所述極點和留數(shù)的集合表示至少包括與裝置操作時運用束法所獲得的至少一個奇異數(shù)值(SGi)相關(guān)聯(lián)的定義的極點(Si)和留數(shù)(Ri)的各個電力負載(Ci)的特征信號的組合；-計算至少所述當(dāng)前觀察窗持續(xù)時間的所述裝置操作時電力負載的至少一個子集所消耗的有功功率，表示為所述子集的各個獨立電力負載所消耗的有功功率之和，且遵循聯(lián)系所述極點和留數(shù)的消耗電能函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對于所述有功功率，所述函數(shù)滿足關(guān)系式P=YtRa.Kre X 2 J .sinhc {Sci+Svi<)-i=lVZ J式中P :表示特征信號(S” Ri, SGi)中的各個獨立電力負載Ci的集合所消耗的有功功率；Sci和Rcd 分別表示傳輸至所述裝置的采樣電流的極點和留數(shù)；Svi,和Rvi,分別表示傳輸至所述裝置的采樣電壓的極點和留數(shù)，SGi表示為奇異值；tkd 表示序列為k的觀察窗的起始時間；At 表示為觀察窗的持續(xù)時間；sinhc(X)數(shù)值X的基數(shù)的雙曲正弦函數(shù)，即Sinhc^iSci +5v,)y]=sinh^M 表示傳輸至裝置的采樣電流的極點和留數(shù)的數(shù)量； M'表示傳輸至裝置的采樣電壓的極點和留數(shù)的數(shù)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，對角頻率ω和周期T的大致周期性的供給電壓，各個當(dāng)前觀察窗的持續(xù)時間At等于所述周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，用于獲得各個觀察窗的所述消耗信號和所述周期由關(guān)系式關(guān)聯(lián)“Nc‘At .fe=Nem >2. ^nci+ 2 (\ +H) Li=I-式中fe 表示采樣頻率；Nem 表示各個觀察窗持續(xù)時間中的最小采樣數(shù)量； Nc 表示用戶裝置的各個電力負載(Ci)的觀察數(shù)量； nci 表示電力負載(Ci)的極點的數(shù)量； H 表示供給電壓基頻的諧波分量的數(shù)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，在包括分辨消耗信號的極點 (Si)和留數(shù)(Ri)的步驟之后，還包括分別和采集由一對各個電力負載(Ci)的極點(Si)和留數(shù)(Ri)和奇異數(shù)值(SGi)所構(gòu)成特征信號的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述特征信號(S”Ri, SGi)的采集之后，所述方法包括識別構(gòu)成在至少一個觀察窗操作過程中的各個獨立電力負載子集的所述電力負載的步驟。
7.根據(jù)權(quán)要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述特征信號(Si，Ri,SGi)采集之后，所述方法包括通過分辨在至少一個觀察窗中的全部或部分特征信號，來追蹤各個獨立負載的接通/斷開的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，消耗信號的觀察窗包括負載的連接/ 斷開的自由狀態(tài)和強制狀態(tài)的開始，-純電阻性負載的連接/斷開由觀察窗內(nèi)存在的唯一的強制狀態(tài)來表征，在強制狀態(tài)中由具有零實部的兩個共軛復(fù)數(shù)極點和兩個共軛復(fù)數(shù)留數(shù)以及在強制狀態(tài)中留數(shù)的零相位；-電阻和電容性負載的連接/斷開由觀察窗內(nèi)存在的各個獨立的自由狀態(tài)和獨立的強制狀態(tài)來表征，在強制狀態(tài)中由具有零實部的兩個共軛復(fù)數(shù)極點和兩個共軛復(fù)數(shù)留數(shù)來表征，以及在自由狀態(tài)中由具有實部極點和留數(shù)來表征，在強制狀態(tài)中的留數(shù)的負相位呈現(xiàn)出負載具有總的電容特性特征；-電阻和電感性負載的連接/斷開由在觀察窗內(nèi)存在的各個獨立自由狀態(tài)和獨立的強制狀態(tài)來表征，在強制狀態(tài)中由具有零實部的兩個共軛復(fù)數(shù)極點和兩個共軛復(fù)數(shù)留數(shù)來表征，以及在自由狀態(tài)中由具有實部極點和復(fù)數(shù)留數(shù)來表征，留數(shù)的正相位呈現(xiàn)出負載的總的電感特性特征。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，消耗信號的觀察窗包括負載連接/斷開的自由狀態(tài)和強制狀態(tài)起始，電阻、電感性和電容性負載的連接/斷開由存在的各個獨立的強制狀態(tài)和獨立的自由狀態(tài)來表征-在強制狀態(tài)中，由具有零實部的兩個共軛復(fù)數(shù)極點和兩個共軛復(fù)數(shù)留數(shù)來表征；以及，-在自由狀態(tài)中，由兩個共軛復(fù)數(shù)極點和兩個共軛復(fù)數(shù)留數(shù)來表征，在強制狀態(tài)中的留數(shù)的負相位呈現(xiàn)負載的總的電容特性特征，在強制狀態(tài)中的留數(shù)的正相呈現(xiàn)負載的總的感性特性特征。
10.一種用于非介入測定用戶裝置消耗電能的裝置，具有至少周期性采樣傳輸至所述裝置的供給電壓和電力電流強度的數(shù)值的裝置，以便于獲得消耗的信號，其特征在于，所述裝置還包括至少-用于計算傳輸瞬時功率、傳輸供給電壓和傳輸電流強度的數(shù)值采樣數(shù)值的乘積的裝置，所述消耗信號至少具有傳輸供給電壓、傳輸電流強度或者傳輸瞬時功率的采樣數(shù)值之 -用于存儲和讀取在至少一個觀察窗中的消耗信號的連續(xù)數(shù)值的裝置；-用于在至少一個當(dāng)前觀察窗中的消耗信號運用束法進行濾波操作的裝置，以便于分辨在所述窗中表示各個獨立電力負載的特征信號的組合的極點和留數(shù)的集合，且至少包括與在裝置操作時運用束法所獲得的至少一個奇異值關(guān)聯(lián)的極點和留數(shù)；-用于瞬時追蹤所述特征信號的組合和用于計算至少當(dāng)前觀察窗的持續(xù)時間內(nèi)所述裝置操作時電力負載中的至少一個子集所消耗的至少有功功率的裝置，表示為該子集的各個獨立電力負載所消耗的有功功率之和，且遵循聯(lián)系所述極點和留數(shù)的消耗功率函數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述瞬時追蹤所述特征信號組合和計算由電力負載的至少一個子集所消耗的有效功率的裝置還包括-獨立模塊，用于對傳輸至裝置的電流強度、功率或電壓分量的極點、留數(shù)、奇異數(shù)值進行操作；-用于檢測電力負載的連接/斷開狀態(tài)變化的模塊；-用于從電力負載的特征信號來識別連接和/或斷開的電力負載的模塊；-用于相關(guān)它們特征信號識別電力負載的數(shù)據(jù)庫模塊；-用于識別用戶使用的消耗用途和用于計算至少有功功率的消耗的模塊。
12.存儲于存儲介質(zhì)中且可由計算機或者專用裝置的中央處理執(zhí)行的計算機程序，所述程序包括用于對傳輸至裝置的電流強度、瞬時功率和供給電壓的分量采樣運用束法方法的指令序列。
13.存儲于存儲介質(zhì)中且可由計算機或者專用裝置的中央處理器執(zhí)行的計算機程序， 所述計算機程序具有執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述電力負載的連接/斷開的瞬時追蹤處理的應(yīng)用的指令序列。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計算機程序，其特征在于，所述計算機程序包括至少一個用于計算各個獨立電力負載所消耗的有效功率且遵循聯(lián)系消耗信號的極點和留數(shù)的消耗功率函數(shù)的程序。
全文摘要
本發(fā)明涉及非介入測定用戶裝置消耗電能的方法和裝置。從構(gòu)成消耗信號且傳輸至裝置的供給電流和供給電壓的采樣數(shù)值中，在連續(xù)觀察時間窗中對采樣數(shù)值進行分組(A)；運用束法方法來分辨在各個當(dāng)前觀察窗中的消耗信號的極點(S1)和留數(shù)(R1)(B)，極點和留數(shù)的集合與表示各個獨立電力負載的特征信號組合的至少一個奇異數(shù)值(SG1)相關(guān)聯(lián)；計算在當(dāng)前觀察窗持續(xù)時間內(nèi)操作的電力負載子集所消耗的至少有功功率.電力負載(C1)所消耗的有功功率之和聯(lián)系這些極點和留數(shù)的消耗功率的函數(shù)。應(yīng)用測量裝置所消耗的電能。
文檔編號G01R22/00GK102224425SQ200980148027
公開日2011年10月19日 申請日期2009年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月3日
發(fā)明者克哈姆利奇 德里西 克哈利爾·埃爾, 哈拉·納吉梅丁, 西埃里·喬安內(nèi)特, 阿利奧內(nèi)·迪奧普 申請人:蘭迪斯+Gyr公司, 國家科學(xué)研究中心, 布萊茲巴斯卡爾克萊蒙第二大學(xué), 法國電力公司