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一種基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法

文檔序號(hào):5967459閱讀:172來源:國知局
專利名稱:一種基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)
2008年IBM提出〃智慧地球〃的概念,將智慧地球描述為“更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化”。美國政府在智慧地球提出不久之后也將智能電網(wǎng)作為其“新能源救市計(jì)劃”中的重要部分提上日程。與我們熟知的傳統(tǒng)電網(wǎng)比較起來,智能電網(wǎng)意味著盡可能獲取更多信息,更注重于使用者間的交互,通過解析信息提供更到位的服務(wù)。智能電表等用戶端設(shè)備直接與用戶接觸,指導(dǎo)用戶用電行為,是智能電網(wǎng)不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)的重要體現(xiàn)。通過給出有關(guān)設(shè)備上的詳細(xì)用電情況,能夠有效的減小用戶對用電行為的認(rèn)識(shí)偏差,優(yōu)化用戶的使用習(xí)慣,從而得到更好的節(jié)電效果。因此,有效獲取用電環(huán)境(家庭、生產(chǎn)環(huán)境等)中有關(guān)設(shè)備上的詳細(xì)用電信息,是智能電網(wǎng)領(lǐng)域用戶端信息采集的關(guān)鍵技術(shù)。在不影響用電環(huán)境的情況下,從外部獲取各個(gè)設(shè)備上的詳細(xì)用電信息的監(jiān)測技術(shù),被稱為非侵入式負(fù)載監(jiān)測(NILM)技術(shù)。到目前為止,非侵入式負(fù)載監(jiān)測技術(shù)主要包括兩大類1.基于穩(wěn)態(tài)分析的負(fù)載監(jiān)測技術(shù)此類技術(shù)首先為每個(gè)用電設(shè)備定義多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)(穩(wěn)態(tài)),并在訓(xùn)練階段為每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)建立對應(yīng)的特征;在開始監(jiān)測后,通過將采集到的全局信息與已知的特征集合的比對,獲取當(dāng)前狀態(tài)下所有用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);最終根據(jù)預(yù)先定義的運(yùn)行狀態(tài),給出有關(guān)設(shè)備上的詳細(xì)用電信息。2.基于暫態(tài)事件的負(fù)載監(jiān)測技術(shù)此類技術(shù)首先為每個(gè)用電設(shè)備定義多個(gè)暫態(tài)事件,并在訓(xùn)練階段為每個(gè)暫態(tài)事件建立對應(yīng)的特征;在開始監(jiān)測后,通過將采集到的全局信息與已知的特征集合的比對,判斷當(dāng)前狀態(tài)下是否發(fā)生暫態(tài)事件;當(dāng)有暫態(tài)事件發(fā)生時(shí),根據(jù)事件定義,修改對應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),最終給出有關(guān)設(shè)備上的詳細(xì)用電信息。雖然上述兩種技術(shù)都支持非侵入式負(fù)載監(jiān)測,滿足智能電網(wǎng)領(lǐng)域用戶端信息采集的需求,但是這兩種技術(shù)都對用電設(shè)備做出了類似的假設(shè)設(shè)備具有相對穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài),確定運(yùn)行狀態(tài)后可以根據(jù)已知的信息,獲得設(shè)備的詳細(xì)用電信息。而隨著時(shí)代進(jìn)步,用電設(shè)備的行為日益彈性化,使得這一假設(shè)不再適用,不能獲得準(zhǔn)確的用電信息。例如在同樣時(shí)間段中,運(yùn)行游戲程序的電腦相對于單純?yōu)g覽網(wǎng)頁消耗更多的電力,空閑與繁忙的功耗差異可能超過30%。

發(fā)明內(nèi)容
針對用電設(shè)備的彈性用電行為,本方法對通過設(shè)備的電流的相空間建模,直接將采集到的總電流分解到各個(gè)設(shè)備上。不再對復(fù)雜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行估計(jì),直接利用電流信息計(jì)算有關(guān)設(shè)備上的詳細(xì)用電信息。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供一種基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法,該方法包括步驟1,對每一個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練,獲得所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,并將所述統(tǒng)計(jì)流形存入數(shù)據(jù)庫;步驟2,在電網(wǎng)入口處安裝采集單元,實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù),并將所述用電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算統(tǒng)計(jì)流形的向量表示,獲得總電流的向量集合;步驟3,計(jì)算單元載入所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)流形分解所述總統(tǒng)計(jì)流形,從而獲得每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量。進(jìn)一步的,所述步驟I包括步驟11,采集每一個(gè)用電設(shè)備正常工作時(shí)的電流與電壓信號(hào);步驟12,將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得每一個(gè)用電設(shè)備的向量集合;步驟13,根據(jù)所述向量集合,構(gòu)造出該用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,直到完成所有用電設(shè)備的訓(xùn)練。進(jìn)一步的,所述步驟2包括步驟21,所述采集單元實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的電流與電壓信號(hào);步驟22,所述計(jì)算單元將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得總電流的向量集合。進(jìn)一步的,所述步驟3包括步驟31,所述計(jì)算單元載入各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)統(tǒng)計(jì)流形的性質(zhì)選取分解時(shí)使用的最優(yōu)化算法; 步驟32,使用所述最優(yōu)化算法,結(jié)合所述各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,對所述總電流的向量集合進(jìn)行分解,得到各個(gè)設(shè)備上的電流。所述非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法還包括步驟4,完成分解后,對分解結(jié)果進(jìn)行誤差分析;步驟5,如果誤差在接受范圍內(nèi),所述計(jì)算單元根據(jù)所述每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量計(jì)算每一個(gè)用電設(shè)備的功率,并將所述功率傳入顯示單元;否則進(jìn)行異常處理。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明還提供一種基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)包括訓(xùn)練模塊,對每一個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練,獲得所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,并將所述統(tǒng)計(jì)流形存入數(shù)據(jù)庫;預(yù)處理模塊,在電網(wǎng)入口處安裝采集單元,實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù),并將所述用電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成總電流向量;分解模塊,計(jì)算單元載入所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)流形分解所述總電流向量,從而獲得每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量。進(jìn)一步的,所述訓(xùn)練模塊包括第一采集模塊,采集每一個(gè)用電設(shè)備正常工作時(shí)的電流與電壓信號(hào);第一向量化模塊,將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得每一個(gè)用電設(shè)備的向量集合;第一流形構(gòu)造模塊,根據(jù)所述向量集合,構(gòu)造出該用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,直到完成所有用電設(shè)備的訓(xùn)練。進(jìn)一步的,所述預(yù)處理模塊包括
第二采集模塊,所述采集單元實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的電流與電壓信號(hào);第二向量化模塊,所述計(jì)算單元將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得所有用電設(shè)備的向量集合。進(jìn)一步的,所述分解模塊包括算法選取模塊,所述計(jì)算單元載入各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)統(tǒng)計(jì)流形的性質(zhì)選取分解時(shí)使用的最優(yōu)化算法;算法執(zhí)行模塊,使用所述最優(yōu)化算法,結(jié)合所述各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,對所述總電流的向量集合進(jìn)行分解,得到各個(gè)設(shè)備上的電流。所述非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)還包括分析模塊,完成分解后,對分解結(jié)果進(jìn)行誤差分析;處理模塊,如果誤差在接受范圍內(nèi),所述計(jì)算單元根據(jù)所述每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量計(jì)算每一個(gè)用電設(shè)備的功率,并將所述功率傳入顯示單元;否則進(jìn)行異常處理。本發(fā)明的有益功效在于,1.本發(fā)明不依賴于設(shè)備狀態(tài)的判斷,直接分解電流現(xiàn)有非侵入式負(fù)載監(jiān)測技術(shù)大多首先進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的估計(jì),之后再完成用電信息的分析。此類方法有著一個(gè)直接的缺陷,當(dāng)家庭中存在負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的彈性設(shè)備時(shí),分析精度會(huì)有明顯的下降。而本發(fā)明直接對設(shè)備的電流相空間建模,不依賴于設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)判斷,能夠有效分解多種負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的彈性設(shè)備產(chǎn)生的電流。2.本發(fā)明在分解電流的計(jì)算方法中,使用多種最優(yōu)化方法,極大提高電流分解精度現(xiàn)有非侵入式負(fù)載監(jiān)測技術(shù)大多首先進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的估計(jì),此步驟的估計(jì)準(zhǔn)確性大約在95%左右,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的用電信息分析精度大約在90%左右,當(dāng)家庭中存在多個(gè)彈性設(shè)備時(shí),精度還會(huì)有10%左右的下滑。而本發(fā)明簡化了計(jì)算步驟,同時(shí)使用最優(yōu)化方法直接分解設(shè)備電流,有效追蹤各個(gè)設(shè)備的電流變化情況,能夠?qū)㈦娏鞣纸獾钠骄忍岣叩?5%。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述,但不作為對本發(fā)明的限定。


圖1是本發(fā)明的基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法流程圖;圖2是本發(fā)明的基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)示意圖;圖3是本發(fā)明的訓(xùn)練階段流程圖;圖4是本發(fā)明的分解階段流程圖;圖5是本發(fā)明的用電設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式圖5是本發(fā)明的用電設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)包括三個(gè)主要部件采集單元、計(jì)算單元與顯示單元,其中采集單元是主要的輸入裝置,用電設(shè)備電流分解系統(tǒng)通過在家庭電網(wǎng)入口附近安裝采集單元,獲取整個(gè)家庭中的電流電壓信息。采集單元中的電流傳感器可以使用基于霍爾效應(yīng)的磁場感應(yīng)芯片,利用電磁感應(yīng)的原理實(shí)現(xiàn)非侵入式的電流數(shù)據(jù)采集。而電壓傳感器直接接入市電電路即可與所有用電設(shè)備并聯(lián),測量其上的電壓。在分解算法中,計(jì)算信號(hào)的向量表示時(shí),要求數(shù)據(jù)的采集頻率高于某一閾值,在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中算法使用短時(shí)傅里葉變換時(shí),要求每個(gè)周期中包括256個(gè)采樣點(diǎn),即對50Hz的交流電需要有12. 8kHz的采樣頻率。計(jì)算單元是整個(gè)分解系統(tǒng)的核心,整個(gè)家庭的電流電壓信息在此處被分解到各個(gè)用電設(shè)備上,得到各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)用電信息。計(jì)算單元處于整個(gè)分解系統(tǒng)的中央,從采集單元得到實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù),經(jīng)過計(jì)算后將分解結(jié)果傳遞到顯示單元。在本發(fā)明的實(shí)施例中,任意具備足夠計(jì)算能力的設(shè)備都可以作為系統(tǒng)中計(jì)算單元。因此,計(jì)算單元既可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn),也可以與采集單元共用一個(gè)處理器,構(gòu)成類似智能電表的新型采集設(shè)備;還可以與顯示單元共用一個(gè)處理器,構(gòu)成類似智能終端的新型顯示設(shè)備。顯示單元是系統(tǒng)與用戶交互的主要單元,除了基本的顯示與交互功能以外,還需要能夠?qū)?shí)時(shí)的用電信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,并且支持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理功能。顯示單元從計(jì)算單元中獲取到家庭中各個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)用電信息,對各個(gè)用電設(shè)備以及整個(gè)家庭的歷史用電信息和實(shí)時(shí)用電信息進(jìn)行更新,并將這些內(nèi)容保存到數(shù)據(jù)庫或其他媒體中;另一方面,顯示單元需要實(shí)現(xiàn)一套有效的用戶交互界面,包括圖形化的顯示界面,將用電信息以轉(zhuǎn)化為用戶能夠理解的形式,反饋給用戶;同時(shí)用戶能夠指出系統(tǒng)分析失真的部分,并反饋給分解系統(tǒng),從而提高以后分解的精度。本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)集中在計(jì)算單元所使用的電流分解算法中。算法流程可以分為兩個(gè)階段訓(xùn)練階段和分解階段。訓(xùn)練階段是為每個(gè)用電設(shè)備建立計(jì)算模型的必要階段。在這一階段中分別采集每一個(gè)設(shè)備正常工作時(shí)的電流與電壓信號(hào);之后將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為預(yù)先設(shè)定的向量表示;由采集到的實(shí)際數(shù)據(jù)構(gòu)造當(dāng)前設(shè)備電流相空間的統(tǒng)計(jì)流形。此階段不需要同時(shí)進(jìn)行所有電器的訓(xùn)練,因此可以由用戶自己在家庭中完成,也可以有設(shè)備提供商或第三方機(jī)構(gòu)完成。但從訓(xùn)練的效果角度以及實(shí)現(xiàn)此階段所需的勞動(dòng)量上分析,由設(shè)備提供商或者第三方機(jī)構(gòu)完成訓(xùn)練階段,并將結(jié)果發(fā)送到各個(gè)用戶,能夠更加精確和有效地完成此階段。此階段中獲得的各個(gè)統(tǒng)計(jì)流形將被存入數(shù)據(jù)庫,在下一階段中使用。分解階段是進(jìn)行用電設(shè)備電流分解的主要階段。在這一階段中需要將采集單元安裝于電網(wǎng)入口處,采集整個(gè)家庭的電流與電壓信號(hào);而后將采集到的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算單元,轉(zhuǎn)換為向量表示;同時(shí)從數(shù)據(jù)庫中取出家庭中所有已知設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,并按照各個(gè)統(tǒng)計(jì)流形的數(shù)學(xué)特征選取合適的最優(yōu)化方法;在已知總用電信息的情況下,通過計(jì)算整個(gè)家庭中各個(gè)設(shè)備上最有可能的電流分布情況;由獲得的各個(gè)設(shè)備的電流信息推導(dǎo)出具體用電信息,最終將這些信息傳輸?shù)斤@示單元完成顯示與后續(xù)的統(tǒng)計(jì)處理。圖1是是本發(fā)明的基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法流程圖。如圖1所示,該方法包括步驟1,對每一個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練,獲得所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,并將所述統(tǒng)計(jì)流形存入數(shù)據(jù)庫;步驟2,在電網(wǎng)入口處安裝采集單元,實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù),并將所述用電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算統(tǒng)計(jì)流形的向量表示,獲得總電流的向量集合;步驟3,計(jì)算單元載入所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)流形分解所述總統(tǒng)計(jì)流形,從而獲得每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量。完成信號(hào)的向量表示。利用短時(shí)傅里葉變換或小波變換等方法,將獲得的電流電壓等信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域,將一個(gè)基本周期的信號(hào)波形轉(zhuǎn)換為高維向量空間中的一個(gè)孤立點(diǎn),使用一個(gè)頻域信號(hào)的高維向量或矩陣表示一段時(shí)間的電路信號(hào)波形;技術(shù)效果變換后,信號(hào)能夠更為直觀表示出其上的物理意義,例如,能夠支持對諧波功率,無功功率等
物理量的直接計(jì)算。建立設(shè)備電流相空間的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。利用微分幾何中流形的概念以及統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)方法,根據(jù)預(yù)先采集的單個(gè)設(shè)備的用電信息,將每個(gè)設(shè)備的電流信號(hào)相空間(在高維向量空間中信號(hào)可能出現(xiàn)區(qū)域)表示為一個(gè)統(tǒng)計(jì)流形,即一系列支持微分幾何方法的平滑概率分布函數(shù),其中,流形的幾何結(jié)構(gòu)是從電路理論的角度對設(shè)備進(jìn)行刻畫,而其上的概率分布則表述了設(shè)備在運(yùn)行時(shí)電流的取值分布;技術(shù)效果對每一個(gè)用電設(shè)備,其上電流的所有取值都包含在一個(gè)統(tǒng)計(jì)流形中,能夠利用此流形計(jì)算對應(yīng)設(shè)備以特定電流工作的概率。構(gòu)造電流分解的計(jì)算方法。根據(jù)多種運(yùn)籌學(xué)中的最優(yōu)化計(jì)算方法,結(jié)合已知的各個(gè)設(shè)備對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)流形,建立多種電流分解方法;當(dāng)需要進(jìn)行分解時(shí),能夠根據(jù)情況選取最有效的方法,完成對總電流的分解;技術(shù)效果針對復(fù)雜的家庭用電環(huán)境,通過這種復(fù)合分解方法,從采集的總電流中分解出通過各個(gè)設(shè)備的電流,并保證在系統(tǒng)正常工作中分解獲得的平均電流精度在95%以上。進(jìn)一步的,所述步驟I包括步驟11,采集每一個(gè)用電設(shè)備正常工作時(shí)的電流與電壓信號(hào);步驟12,將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得每一個(gè)用電設(shè)備的向量集合;步驟13,根據(jù)所述向量集合,構(gòu)造出該用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,直到完成所有用電設(shè)備的訓(xùn)練。進(jìn)一步的,所述步驟2包括步驟21,所述采集單元實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的電流與電壓信號(hào);步驟22,所述計(jì)算單元將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得總電流的向量集合。進(jìn)一步的,所述步驟3包括步驟31,所述計(jì)算單元載入各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)統(tǒng)計(jì)流形的性質(zhì)選取分解時(shí)使用的最優(yōu)化算法。步驟32,使用所述最優(yōu)化算法,結(jié)合所述各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,對所述總電流的向量集合進(jìn)行分解,得到各個(gè)設(shè)備上的電流。所述步驟31中提到的最優(yōu)化算法主要包括最小二乘法、最大似然估計(jì)、最小風(fēng)險(xiǎn)法以及最小化最大熵方法。所述非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法還包括步驟4,完成分解后,對分解結(jié)果進(jìn)行誤差分析;步驟5,如果誤差在接受范圍內(nèi),所述計(jì)算單元根據(jù)所述每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量計(jì)算每一個(gè)用電設(shè)備的功率,并將所述功率傳入顯示單元;否則進(jìn)行異常處理。圖3是本發(fā)明的訓(xùn)練階段流程圖。如圖3所示,訓(xùn)練階段開始后,需要判斷是否已經(jīng)完成所有用電設(shè)備的訓(xùn)練。如果沒有則選取一個(gè)待測設(shè)備,部署訓(xùn)練環(huán)境。訓(xùn)練階段需要采集各個(gè)用電設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的電流電壓信息,然后計(jì)算單元對采集到的電流信息進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換,從而獲得在頻域空間中每一時(shí)刻電流對應(yīng)的向量表示。可以使用256維的頻域向量表示設(shè)備一個(gè)周期中的電流信息,采集數(shù)據(jù)需保證每個(gè)周期256個(gè)以上的采樣點(diǎn),因此選擇12. SkHz作為采樣頻率。而對特定用電設(shè)備,在獲取足夠長的時(shí)間(所謂“足夠長的時(shí)間”是指這段時(shí)間內(nèi)包括此設(shè)備正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的所有工作狀態(tài))的電流向量之后,之后開始計(jì)算其工作電流所屬的統(tǒng)計(jì)流形。本方法以概率密度均勻分布的線性流形作為描述設(shè)備電流相空間的數(shù)學(xué)抽象,計(jì)算方法為主成分分析將采集到所有電流向量(行向量)組成一個(gè)矩陣,對此矩陣進(jìn)行主成分分析,選取方差貢獻(xiàn)率大于95%的主成分對應(yīng)的特征向量構(gòu)造此設(shè)備的線性流形,也就是電流向量必須滿足線性流形方程。將得到的特征向量存入數(shù)據(jù)庫,以供分解階段使用。直到所有用電設(shè)備完成訓(xùn)練,訓(xùn)練階段結(jié)束。圖4是本發(fā)明的分解階段流程圖。如圖4所示,分解階段根據(jù)訓(xùn)練階段獲得的所有設(shè)備的電流相空間對實(shí)時(shí)采集的家庭總電流進(jìn)行分解。在分解階段中,第一步是從數(shù)據(jù)庫載入家庭中所有電器(用電設(shè)備)的統(tǒng)計(jì)流形。開啟采集單元,獲取實(shí)時(shí)的總電流,電壓數(shù)據(jù)。然后判斷此時(shí)是否收到分解停止命令,如果沒有收到,則利用采集單元在電網(wǎng)入口處獲取家庭中的總電流數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的采集頻率與訓(xùn)練階段相同,計(jì)算單元將數(shù)據(jù)經(jīng)過短時(shí)傅里葉變換得到當(dāng)前時(shí)刻總電流對應(yīng)的頻域向量表示。然后根據(jù)現(xiàn)場情況選取分解算法,進(jìn)行電流分解。本實(shí)施例中的分解方法選取最小二乘法,由基爾霍夫定律可知,任意時(shí)刻,總電流是等于各個(gè)設(shè)備上的電流之和,同時(shí)各個(gè)設(shè)備的電流向量都屬于其線性流形。因此在分解階段中,已知總電流和各個(gè)電器線性流形,即可以得到由兩類方程組成的方程組基爾霍夫方程與線性流形對應(yīng)的方程。此方程組為超定方程組,不能使用通常的求解方法。本分解階段中使用最小二乘法求解方程組,求解誤差最小化的各個(gè)設(shè)備上的電流。在本分解階段中需考慮到求解過程中可能發(fā)生的異常情況(使用新的設(shè)備、設(shè)備損壞等)。在完成分解計(jì)算后,對分解結(jié)果進(jìn)行誤差分析比較分解得到的各個(gè)電流值之和與總電流的數(shù)值關(guān)系,通過對其中偏差值的分析,判斷是否有異常發(fā)生,并對可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行處理。對于正常的分解結(jié)果,從計(jì)算單元傳入顯示單元完成最后的數(shù)據(jù)處理,根據(jù)各個(gè)設(shè)備上的電流向量,結(jié)合家庭內(nèi)的電壓信息,計(jì)算各個(gè)設(shè)備上的功率與能耗,并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫以備用戶查閱。在本分解階段中,分解后得到的電流向量為電流頻域表示,可以與對應(yīng)時(shí)刻的電壓向量直接計(jì)算得到功率信息,無需轉(zhuǎn)換回時(shí)域。在本實(shí)施例中,分解階段將一直持續(xù)執(zhí)行,直到用戶對分解系統(tǒng)發(fā)出分解停止的命令。圖2是是本發(fā)明的基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)流程圖。如圖2所示,該系統(tǒng)包括訓(xùn)練模塊100,對每一個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練,獲得所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,并將所述統(tǒng)計(jì)流形存入數(shù)據(jù)庫;預(yù)處理模塊200,在電網(wǎng)入口處安裝采集單元,實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù),并將所述用電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算統(tǒng)計(jì)流形的向量表示,獲得總電流的向量集合;分解模塊300,計(jì)算單元載入所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)流形分解所述總統(tǒng)計(jì)流形,從而獲得每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量。完成信號(hào)的向量表示。利用短時(shí)傅里葉變換或小波變換等方法,將獲得的電流電壓等信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域,將一個(gè)基本周期的信號(hào)波形轉(zhuǎn)換為高維向量空間中的一個(gè)孤立點(diǎn),使用一個(gè)頻域信號(hào)的高維向量或矩陣表示一段時(shí)間的電路信號(hào)波形;技術(shù)效果變換后,信號(hào)能夠更為直觀表示出其上的物理意義,例如,能夠支持對諧波功率,無功功率等
物理量的直接計(jì)算。建立設(shè)備電流相空間的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。利用微分幾何中流形的概念以及統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)方法,根據(jù)預(yù)先采集的單個(gè)設(shè)備的用電信息,將每個(gè)設(shè)備的電流信號(hào)相空間(在高維向量空間中信號(hào)可能出現(xiàn)區(qū)域)表示為一個(gè)統(tǒng)計(jì)流形,即一系列支持微分幾何方法的平滑概率分布函數(shù),其中,流形的幾何結(jié)構(gòu)是從電路理論的角度對設(shè)備進(jìn)行刻畫,而其上的概率分布則表述了設(shè)備在運(yùn)行時(shí)電流的取值分布;技術(shù)效果對每一個(gè)用電設(shè)備,其上電流的所有取值都包含在一個(gè)統(tǒng)計(jì)流形中,能夠利用此流形計(jì)算對應(yīng)設(shè)備以特定電流工作的概率。構(gòu)造電流分解的計(jì)算方法。根據(jù)多種運(yùn)籌學(xué)中的最優(yōu)化計(jì)算方法,結(jié)合已知的各個(gè)設(shè)備對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)流形,建立多種電流分解方法;當(dāng)需要進(jìn)行分解時(shí),能夠根據(jù)情況選取最有效的方法,完成對總電流的分解;技術(shù)效果針對復(fù)雜的家庭用電環(huán)境,通過這種復(fù)合分解方法,從采集的總電流中分解出通過各個(gè)設(shè)備的電流,并保證在系統(tǒng)正常工作中分解獲得的平均電流精度在95%以上。進(jìn)一步的,所述訓(xùn)練模塊100包括第一采集模塊110,采集每一個(gè)用電設(shè)備正常工作時(shí)的電流與電壓信號(hào);第一向量化模塊120,將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得每一個(gè)用電設(shè)備的向量集合;第一流形構(gòu)造模塊130,根據(jù)所述向量集合,構(gòu)造出該用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,直到完成所有用電設(shè)備的訓(xùn)練。進(jìn)一步的,所述預(yù)處理模塊200包括第二采集模塊210,所述采集單元實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的電流與電壓信號(hào);第二向量化模塊220,所述計(jì)算單元將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得總電流的
向量集合。進(jìn)一步的,所述分解模塊300包括算法選取模塊310,所述計(jì)算單元載入各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)統(tǒng)計(jì)流形的性質(zhì)選取分解時(shí)使用的最優(yōu)化算法。算法執(zhí)行模塊320,使用所述最優(yōu)化算法,結(jié)合所述各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,對所述總電流的向量集合進(jìn)行分解,得到各個(gè)設(shè)備上的電流。所述算法選取模塊310中提到的最優(yōu)化算法主要包括最小二乘法、最大似然估計(jì)、最小風(fēng)險(xiǎn)法以及最小化最大熵方法。所述非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)還包括分析模塊400,完成分解后,對分解結(jié)果進(jìn)行誤差分析;處理模塊500,如果誤差在接受范圍內(nèi),所述計(jì)算單元根據(jù)所述每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量計(jì)算每一個(gè)用電設(shè)備的功率,并將所述功率傳入顯示單元;否則進(jìn)行異常處理。
圖3是本發(fā)明的訓(xùn)練階段流程圖。如圖3所示,訓(xùn)練階段開始后,需要判斷是否已經(jīng)完成所有用電設(shè)備的訓(xùn)練。如果沒有則選取一個(gè)待測設(shè)備,部署訓(xùn)練環(huán)境。訓(xùn)練階段需要采集各個(gè)用電設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的電流電壓信息,然后計(jì)算單元對采集到的電流信息進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換,從而獲得在頻域空間中每一時(shí)刻電流對應(yīng)的向量表示。可以使用256維的頻域向量表示設(shè)備一個(gè)周期中的電流信息,采集數(shù)據(jù)需保證每個(gè)周期256個(gè)以上的采樣點(diǎn),因此選擇12. SkHz作為采樣頻率。而對特定用電設(shè)備,在獲取足夠長的時(shí)間(所謂“足夠長的時(shí)間”是指這段時(shí)間內(nèi)包括此設(shè)備正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的所有工作狀態(tài))的電流向量之后,之后開始計(jì)算其工作電流所屬的統(tǒng)計(jì)流形。本方法以概率密度均勻分布的線性流形作為描述設(shè)備電流相空間的數(shù)學(xué)抽象,計(jì)算方法為主成分分析將采集到所有電流向量(行向量)組成一個(gè)矩陣,對此矩陣進(jìn)行主成分分析,選取方差貢獻(xiàn)率大于95%的主成分對應(yīng)的特征向量構(gòu)造此設(shè)備的線性流形。將得到的特征向量存入數(shù)據(jù)庫,以供分解階段使用。直到所有用電設(shè)備完成訓(xùn)練,訓(xùn)練階段結(jié)束。圖4是本發(fā)明的分解階段流程圖。如圖4所示,分解階段根據(jù)訓(xùn)練階段獲得的所有設(shè)備的電流相空間對實(shí)時(shí)采集的家庭總電流進(jìn)行分解。在分解階段中,第一步是從數(shù)據(jù)庫載入家庭中所有電器(用電設(shè)備)的統(tǒng)計(jì)流形。開啟采集單元,獲取實(shí)時(shí)的總電流,電壓數(shù)據(jù)。然后判斷此時(shí)是否收到分解停止命令,如果沒有收到,則利用采集單元在電網(wǎng)入口處獲取家庭中的總電流數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的采集頻率與訓(xùn)練階段相同,計(jì)算單元將數(shù)據(jù)經(jīng)過短時(shí)傅里葉變換得到當(dāng)前時(shí)刻總電流對應(yīng)的頻域向量表示。然后根據(jù)現(xiàn)場情況選取分解算法,進(jìn)行電流分解。由基爾霍夫定律可知,任意時(shí)刻,總電流是等于各個(gè)設(shè)備上的電流之和,同時(shí)各個(gè)設(shè)備的電流向量都屬于其線性流形。因此在分解階段中,已知總電流和各個(gè)電器線性流形,即可以得到由兩類方程組成的方程組基爾霍夫方程與線性流形對應(yīng)的方程。本分解階段中使用最小二乘法求解方程組,求解誤差最小化的各個(gè)設(shè)備上的電流。在本分解階段中需考慮到求解過程中可能發(fā)生的異常情況(使用新的設(shè)備、設(shè)備損壞等)。在完成分解計(jì)算后,對分解結(jié)果進(jìn)行誤差分析,比較分解得到的各個(gè)電流值與總電流的數(shù)值關(guān)系,判斷是否有異常發(fā)生,并對可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行處理。對于正常的分解結(jié)果,從計(jì)算單元傳入顯示單元完成最后的數(shù)據(jù)處理,根據(jù)各個(gè)設(shè)備上的電流向量,結(jié)合家庭內(nèi)的電壓信息,計(jì)算各個(gè)設(shè)備上的功率與能耗,并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫以備用戶查閱。在本分解階段中,分解后得到的電流向量為電流頻域表示,可以與對應(yīng)時(shí)刻的電壓向量直接計(jì)算得到功率信息,無需轉(zhuǎn)換回時(shí)域。在本實(shí)施例中,分解階段將一直持續(xù)執(zhí)行,直到用戶對分解系統(tǒng)發(fā)出分解停止的命令。當(dāng)然,本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例,在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下,熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形,但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法,其特征在于,包括步驟I,對每一個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練,獲得所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,并將所述統(tǒng)計(jì)流形存入數(shù)據(jù)庫;步驟2,在電網(wǎng)入口處安裝采集單元,實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù),并將所述用電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算統(tǒng)計(jì)流形的向量表示,獲得總電流的向量集合;步驟3,計(jì)算單元載入所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)流形分解所述總統(tǒng)計(jì)流形,從而獲得每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量。
2.如權(quán)利要求1所述的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法,其特征在于,所述步驟I包括步驟11,采集每一個(gè)用電設(shè)備正常工作時(shí)的電流與電壓信號(hào);步驟12,將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得每一個(gè)用電設(shè)備的向量集合;步驟13,根據(jù)所述向量集合,構(gòu)造出該用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,直到完成所有用電設(shè)備的訓(xùn)練。
3.如權(quán)利要求1所述的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法,其特征在于,所述步驟2包括步驟21,所述采集單元實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的電流與電壓信號(hào);步驟22,所述計(jì)算單元將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得總電流的向量集合。
4.如權(quán)利要求1所述的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法,其特征在于,所述步驟3包括步驟31,所述計(jì)算單元載入各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)統(tǒng)計(jì)流形的性質(zhì)選取分解時(shí)使用的最優(yōu)化算法;步驟32,使用所述最優(yōu)化算法,結(jié)合所述各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,對所述總電流的向量集合進(jìn)行分解,得到各個(gè)設(shè)備上的電流。
5.如權(quán)利要求1所述的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法,其特征在于,所述非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法還包括步驟4,完成分解后,對分解結(jié)果進(jìn)行誤差分析;步驟5,如果誤差在接受范圍內(nèi),所述計(jì)算單元根據(jù)所述每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量計(jì)算每一個(gè)用電設(shè)備的功率,并將所述功率傳入顯示單元;否則進(jìn)行異常處理。
6.一種基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,包括訓(xùn)練模塊,對每一個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練,獲得所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,并將所述統(tǒng)計(jì)流形存入數(shù)據(jù)庫;預(yù)處理模塊,在電網(wǎng)入口處安裝采集單元,實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù),并將所述用電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算統(tǒng)計(jì)流形的向量表示,獲得總電流的向量集合;分解模塊,計(jì)算單元載入所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)流形分解所述總統(tǒng)計(jì)流形,從而獲得每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量。
7.如權(quán)利要求6所述的非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,所述訓(xùn)練模塊包括 第一采集模塊,采集每一個(gè)用電設(shè)備正常工作時(shí)的電流與電壓信號(hào);第一向量化模塊,將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得每一個(gè)用電設(shè)備的向量集合; 第一流形構(gòu)造模塊,根據(jù)所述向量集合,構(gòu)造出該用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,直到完成所有用電設(shè)備的訓(xùn)練。
8.如權(quán)利要求6所述的非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,所述預(yù)處理模塊包括第二采集模塊,所述采集單元實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的電流與電壓信號(hào);第二向量化模塊,所述計(jì)算單元將所述電流與電壓信號(hào)向量化,獲得總電流的向量集入口 ο
9.如權(quán)利要求6所述的非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,所述分解模塊包括 算法選取模塊,所述計(jì)算單元載入各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)統(tǒng)計(jì)流形的性質(zhì)選取分解時(shí)使用的最優(yōu)化算法;算法執(zhí)行模塊,使用所述最優(yōu)化算法,結(jié)合所述各個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,對所述總電流的向量集合進(jìn)行分解,得到各個(gè)設(shè)備上的電流。
10.如權(quán)利要求6所述的非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于,所述非侵入式負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)還包括分析模塊,完成分解后,對分解結(jié)果進(jìn)行誤差分析;處理模塊,如果誤差在接受范圍內(nèi),所述計(jì)算單元根據(jù)所述每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量計(jì)算每一個(gè)用電設(shè)備的功率,并將所述功率傳入顯示單元;否則進(jìn)行異常處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于電流分解的非侵入式負(fù)載監(jiān)測方法及系統(tǒng),該方法包括步驟1,對每一個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練,獲得所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,并將所述統(tǒng)計(jì)流形存入數(shù)據(jù)庫;步驟2,在電網(wǎng)入口處安裝采集單元,實(shí)時(shí)獲取所有用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù),并將所述用電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算統(tǒng)計(jì)流形的向量表示,獲得總電流的向量集合;步驟3,計(jì)算單元載入所述每一個(gè)用電設(shè)備的統(tǒng)計(jì)流形,根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)流形分解所述總統(tǒng)計(jì)流形,從而獲得每一個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)電流向量。本發(fā)明直接將采集到的總電流分解到各個(gè)設(shè)備上,不再對復(fù)雜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行估計(jì),而是直接利用電流信息計(jì)算有關(guān)設(shè)備上的詳細(xì)用電信息,保證獲得準(zhǔn)確而詳細(xì)的用電信息。
文檔編號(hào)G01R19/14GK103018611SQ20121057956
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者劉晶杰, 徐志偉, 聶磊 申請人:中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所
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