本發(fā)明涉及一種電能分類計量過程中暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)事件的監(jiān)測方法，特別適用于非侵入式負(fù)荷電能監(jiān)測系統(tǒng)，屬于電能計量、數(shù)字信號處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)在電力系統(tǒng)中意義重大。它有利于改善負(fù)荷組成，引導(dǎo)用戶合理消費(fèi)，降低用電成本，同時還對國家電力資源的優(yōu)化配置起到積極的作用。根據(jù)監(jiān)測模塊安裝的位置不同，電力負(fù)荷監(jiān)測方法可以分為侵入式和非侵入式兩類。非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(NILM)最早由Hart提出，通過在用戶用電的入口端安裝監(jiān)測設(shè)備，或?qū)⒈O(jiān)測模塊集成于電能表中，得到用戶家中每類設(shè)備(負(fù)荷)消耗的電能，使用戶獲得類似于話費(fèi)清單的電費(fèi)分類計量清單。非侵入式負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)無需安裝大量監(jiān)測設(shè)備，就可進(jìn)行能源監(jiān)測、故障監(jiān)測、故障分析等多種類型的電能質(zhì)量控制分析。非侵入式負(fù)荷監(jiān)測的技術(shù)思想是對監(jiān)測信號按負(fù)荷特征進(jìn)行分解，得到不同負(fù)荷的信號，并加以分析判斷。研究者提出眾多理論：負(fù)荷特征從功率發(fā)展到諧波，監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣率從低頻發(fā)展到高頻，采用的算法從監(jiān)督式發(fā)展到非監(jiān)督式。雖然關(guān)于電能計量的非侵入式負(fù)荷分解算法眾多，如Cusum算法、Lasso特征選擇算法、改進(jìn)的Viterbi算法等，但是能否準(zhǔn)確地獲得負(fù)荷的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)時刻仍是信號分解的關(guān)鍵。目前的非侵入式負(fù)荷分解事件起點(diǎn)監(jiān)測多局限于暫態(tài)事件，尚未有涉及同時監(jiān)測暫態(tài)事件和穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種電能分類計量過程中暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)事件的監(jiān)測方法，準(zhǔn)確監(jiān)測非侵入式負(fù)荷分解系統(tǒng)下暫態(tài)事件和穩(wěn)態(tài)事件的起點(diǎn)，解決分類計量系統(tǒng)的識別精度、運(yùn)算速度與管理效率等問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

所述方法包括：

利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，選擇恒定的采樣頻率，采集一段時間內(nèi)需求側(cè)的電壓、電流信號并傳輸至計算機(jī)；計算功率值，按采樣先后順序排列，得到功率序列power；

計算功率序列的0.5百分位數(shù)，作為閾值th；

根據(jù)公式計算得到功率差分序列，其中power_diff表示功率差分序列，power表示功率序列，i表示序列元素位置編號，power_diff(i)表示功率差分序列中第i位的值，power(i)表示功率序列中第i位的值，power(i-1)表示功率序列中第i-1位的值，power_diff(2)表示功率差分序列中第2位的值；

判斷功率差分序列power_diff中的每一項絕對值是否超過閾值th，超過閾值th的點(diǎn)作為一個變點(diǎn)并記錄，按照功率差分序列power_diff中對應(yīng)元素的順序排列，形成變點(diǎn)序列power_diff_position；

根據(jù)變點(diǎn)序列power_diff_position，通過暫態(tài)事件起點(diǎn)計算方法求得暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start；

根據(jù)功率序列power與暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start，通過穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)計算方法求得穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start。

所述暫態(tài)事件起點(diǎn)計算方法包括：

A：計算變點(diǎn)序列power_diff_position的長度N；

B：定義循環(huán)參數(shù)K、K1、K2，且K、K1、K2初始值均置1，其中K表示為第一外部累加量，K1表示為連續(xù)量的長度，K2表示為暫態(tài)事件起點(diǎn)對應(yīng)于暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中的位置編號；

C：判斷K是否小于等于N，若否即結(jié)束計算過程；若是，執(zhí)行步驟D；

D：檢驗K1是否小于等于20，若是，執(zhí)行步驟E；

E：判斷變點(diǎn)序列power_diff_position中第K+K1位的值是否大于變點(diǎn)序列power_diff_position中第K位的值加上K1，若否，則K1的值增加1，隨后返回步驟D；若是，執(zhí)行步驟F；

F：將K2的值增加1，將變點(diǎn)序列power_diff_position中第K+K1位的值作為暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第K2位的值；

G：將K的值增加K1，隨后將K1的值置1，并返回步驟C。

所述穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)計算方法包括：

H：定義循環(huán)參數(shù)J1、J2、J3，且J1、J2、J3初始值均置1，其中J1表示為第二外部累加量，J2表示為穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start中的位置編號，J3表示為計算功率穩(wěn)定點(diǎn)的內(nèi)部累加量；計算暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start的長度N1，并將暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第1位的值作為穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start中第1位的值；

I：判斷J1是否小于等于N1減去1，若否即結(jié)束計算過程；若是，執(zhí)行步驟J；

J：判斷暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第J1+1位減去第J1位的值是否小于20，若是，執(zhí)行步驟K；若否，執(zhí)行步驟L；

K：將J2的值增加1，并將暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第J1-1位的值作為穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start中第J2位的值，隨后將J1的值增加1，并返回步驟I；

L：檢驗J3是否小于等于暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第J1+1位的值；若是，執(zhí)行步驟M；

M：計算功率序列power中第J3位至第J3+5位的平均功率，記為mean(power(J3:J3+5))；計算功率序列power中第J3+5位的值的0.9倍，記為0.9power(J3+5)；計算功率序列power中第J3+5位的值的1.1倍，記為1.1power(J3+5)；判斷平均功率mean(power(J3:J3+5))是否大于等于0.9power(J3+5)，且同時小于等于1.1power(J3+5)，若否，則J3的值增加1，隨后返回步驟L；若是，執(zhí)行步驟N；

N：將J2的值增加1，把J3的值作為穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start中第J2位的值，隨后將J1的值增加1，并返回步驟I。

所述得到功率序列power后，對所述功率序列power內(nèi)每一個功率點(diǎn)根據(jù)以下公式進(jìn)行量化處理：其中power_floor(i)表示第i個點(diǎn)量化后的功率值，Δx表示量化值；floor表示向下取整函數(shù)，用于取不大于自變量的最大整數(shù)；power(i)表示功率序列中的第i個點(diǎn)。

所述得到功率序列power后，對所述功率序列power內(nèi)每一個功率點(diǎn)根據(jù)以下方法進(jìn)行中值濾波處理：依次序從所述功率序列power內(nèi)選定第i個功率點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心在所述功率序列power內(nèi)選取一個長度為2k+1的鄰域，k為非負(fù)整數(shù)，根據(jù)以下公式得到中值濾波后的第i個點(diǎn)的功率值：x_i'＝median(x_i-k,...,x_i,...,x_i+k)，其中x_i表示所選取鄰域的中心點(diǎn)的功率值，x_i-k表示所選取鄰域內(nèi)第i-k個點(diǎn)的功率值，x_i+k表示所選取鄰域內(nèi)第i+k個點(diǎn)的功率值；median表示中值函數(shù)，用于求得所選取鄰域內(nèi)功率點(diǎn)列x_i-k,...,x_i,...,x_i+k的功率中值；x_i'表示中值濾波后第i個點(diǎn)的功率值。

所述電壓、電流信號的采集及其功率值的計算，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與虛擬儀器設(shè)計平臺實(shí)現(xiàn)。

所述功率序列power的量化，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與虛擬儀器設(shè)計平臺實(shí)現(xiàn)。

所述功率序列power的中值濾波，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與虛擬儀器設(shè)計平臺實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明提出了一種電能分類計量過程中監(jiān)測暫態(tài)事件和穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)的方法，該方法可利用負(fù)荷的電壓電流有效值及其有功功率準(zhǔn)確識別負(fù)荷暫態(tài)事件起點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)，該方法提高了非侵入式負(fù)荷分解的準(zhǔn)確性。該方法解決計量系統(tǒng)的識別精度、運(yùn)算速度等問題，可以在智能電網(wǎng)的高級量測體系和需求側(cè)管理中得到應(yīng)用；伴隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，本發(fā)明將會產(chǎn)生更為廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是暫態(tài)事件起點(diǎn)計算方法的流程圖；

圖2是穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)計算方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對本發(fā)明的限定。

在非侵入式負(fù)荷監(jiān)測到的數(shù)據(jù)中，會存在一些在某段時間常開(處于開路狀態(tài))的設(shè)備，其幅值變化始終為0，采用百分位數(shù)的計算方法來移除常開設(shè)備信號，通常設(shè)定百分位數(shù)為0.5。閾值被定義為功率序列的0.5百分位數(shù)，即排除常開設(shè)備的最小功率值。分位數(shù)定義如下：對0≤p＜1和容量為n的樣本x₁，x₂，…，x_n，它的p分位數(shù)是M_p＝x[np+1](np不是整數(shù))或0.5(x(np)+x(np+1))(np為整數(shù))，其中[np]表示np的整數(shù)部分。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，量化一般采用均勻量化，是指把輸入信號的取值域等間隔分割的量化，盡可能減輕尖峰噪聲對測量的影響。中值濾波是通信技術(shù)中的一種手段：在量化后的功率序列power_floor中任意選取一個點(diǎn)，并以該點(diǎn)為中心選取一個窗口(鄰域)，對該窗口內(nèi)所有點(diǎn)按照功率值從小到大按次序排列，選取中間的值(中值)作為該點(diǎn)的值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。本發(fā)明既可以進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，也可以不進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理直接進(jìn)入暫態(tài)事件起點(diǎn)與穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)的計算；既可以只進(jìn)行量化處理，也可以只進(jìn)行中值濾波處理；當(dāng)執(zhí)行量化與中值濾波處理時，兩種處理方法可以交換次序。

變點(diǎn)即為功率序列差分值超過閾值的點(diǎn)，大部分負(fù)荷的從投入到穩(wěn)定運(yùn)行的功率穩(wěn)定點(diǎn)大概在2s內(nèi)，由于采樣間隔為1秒，因此對變點(diǎn)前后均值的判斷選取20個點(diǎn)進(jìn)行均值差值與閾值比較來進(jìn)一步確認(rèn)變點(diǎn)的存在具有合理性，此處的20也可換成其他數(shù)值。確定暫態(tài)事件起點(diǎn)后可以根據(jù)該起點(diǎn)進(jìn)一步判斷暫態(tài)事件的終點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)事件的起點(diǎn))。由于不同的設(shè)備具有不同的暫態(tài)持續(xù)時間，且部分設(shè)備的暫態(tài)事件中存在相對穩(wěn)定時刻。因此在進(jìn)行暫態(tài)事件結(jié)束點(diǎn)判斷時，將暫態(tài)過程分為以下兩種：1.暫態(tài)持續(xù)時間短暫(20個點(diǎn)以內(nèi))；2.暫態(tài)持續(xù)時間較長(大于20個點(diǎn))。在進(jìn)行暫態(tài)事件結(jié)束點(diǎn)的判斷時，由于1中情況下的持續(xù)時間過短，因此將變點(diǎn)的起點(diǎn)近似為穩(wěn)態(tài)事件的起點(diǎn)，對2采用均值判斷法進(jìn)行暫態(tài)過程結(jié)束判斷。電氣設(shè)備穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的功率波動較小，因此可以將功率的均值特性作為衡量功率值是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)的特征量。可以進(jìn)行變點(diǎn)所在的前后一些點(diǎn)的均值判斷，進(jìn)一步確認(rèn)是否是存在真實(shí)變點(diǎn)。

本實(shí)施例由以下硬件組成：NI的數(shù)據(jù)采集DAQ設(shè)備：9178采集機(jī)箱、9225采集卡與9247采集卡，安裝虛擬儀器設(shè)計平臺LabVIEW的計算機(jī)。其中DAQ設(shè)備放置在非侵入式負(fù)荷監(jiān)測位置，并與計算機(jī)相連，用以將采集到的電壓電流等信號傳輸給計算機(jī)，然后通過LabVIEW進(jìn)行信號分析與處理。檢測過程開始后，9225采集卡每隔1秒對電壓信號進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)；9247采集卡每隔1秒對電流信號進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)；LabVIEW通過獲取的電壓電流數(shù)據(jù)計算每個時間點(diǎn)的功率值，按順序排列形成原始功率序列power_sec，并結(jié)合9178采集機(jī)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理(量化與中值濾波)。根據(jù)以下公式得到量化后的功率值：其中i表示原始功率序列power_sec中的第i個點(diǎn)，power_floor(i)表示第i個點(diǎn)量化后的功率值，Δx表示量化值；floor表示向下取整函數(shù)，用于取不大于自變量的最大整數(shù)；power_sec(i)表示原始功率序列中的第i個點(diǎn)，量化后得到量化功率序列power_sec。為了進(jìn)一步減少暫態(tài)過程和脈沖噪聲并保留暫態(tài)過程的邊緣細(xì)節(jié)，用中值濾波處理量化后的數(shù)據(jù)，基本原理是把數(shù)字信號(序列)中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個鄰域內(nèi)各點(diǎn)的中值代替。執(zhí)行方法如下：依次序從量化功率序列power_sec內(nèi)選定第i個功率點(diǎn)，并選取一個長度為2k+1的鄰域(窗口)，k為非負(fù)整數(shù)，根據(jù)以下公式得到中值濾波后的功率值：x_i'＝median(x_i-k,...,x_i,...,x_i+k)，其中x_i表示鄰域中心點(diǎn)的功率值，median表示中值函數(shù)，用于得到所選定鄰域中的功率點(diǎn)列x_i-k,...,x_i,...,x_i+k的功率中值；x_i'表示中值濾波后的功率值。對量化功率序列power_sec中值濾波后得到已處理功率序列power_median。在完成數(shù)字序列預(yù)處理后，通過LabVIEW先后完成暫態(tài)事件起點(diǎn)與穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)的計算。參照附圖1，計算已處理功率序列power_median的0.5百分位數(shù)，作為閾值th。根據(jù)公式計算得到功率差分序列，其中power_diff表示功率差分序列，power_median表示已處理功率序列，i表示序列元素位置編號，power_diff(i)表示功率差分序列中第i位的值，power_median(i)表示已處理功率序列中第i位的值，power_median(i-1)表示已處理功率序列中第i-1位的值，power_diff(2)表示功率差分序列中第2位的值。執(zhí)行步驟101，判斷功率差分序列power_diff中的每一項絕對值是否超過閾值th，超過閾值th的點(diǎn)作為一個變點(diǎn)并記錄，按照功率差分序列power_diff中對應(yīng)元素的順序排列，形成變點(diǎn)序列power_diff_position，并計算變點(diǎn)序列power_diff_position的長度N。執(zhí)行步驟102，定義循環(huán)參數(shù)K、K1、K2，且K、K1、K2初始值均置1，其中K表示為第一外部累加量，K1表示為連續(xù)量的長度，K2表示為暫態(tài)事件起點(diǎn)對應(yīng)于暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中的位置編號。執(zhí)行步驟103，判斷K是否滿足小于等于N，若不滿足即結(jié)束計算過程。執(zhí)行步驟104，檢驗K1是否小于等于20；大部分負(fù)荷的從投入到穩(wěn)定運(yùn)行的功率穩(wěn)定點(diǎn)大概在2s內(nèi)，因此對選取變點(diǎn)后的20個點(diǎn)進(jìn)行變點(diǎn)連續(xù)性判斷具有合理性和適用性，并且K1總是滿足小于等于20。執(zhí)行步驟105，判斷變點(diǎn)序列power_diff_position中第K+K1位的值是否大于K1加上變點(diǎn)序列power_diff_position中第K位的值，若不滿足，則K1的值增加1，隨后返回步驟104。執(zhí)行步驟106，將K2的值增加1，將變點(diǎn)序列power_diff_position中第K+K1位的值作為暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第K2位的值。執(zhí)行步驟107，將K的值增加K1，隨后將K1的值置1，并返回步驟103。待該計算方法執(zhí)行結(jié)束，得到暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start，也就得到了測量過程中所有的暫態(tài)事件起點(diǎn)。隨后計算穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)，參照附圖2，執(zhí)行步驟201，定義循環(huán)參數(shù)J1、J2、J3，且J1、J2、J3初始值均置1，其中J1表示為第二外部累加量，J2表示為穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start中的位置編號，J3表示為計算功率穩(wěn)定點(diǎn)的內(nèi)部累加量；計算暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start的長度N1，并將暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第1位的值作為穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start中第1位的值。執(zhí)行步驟202，判斷J1是否滿足小于等于N1減去1，若不滿足即結(jié)束計算過程。執(zhí)行步驟203，判斷暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第J1+1位減去第J1位的值是否小于20，如果滿足，執(zhí)行步驟204；若不滿足，執(zhí)行步驟205。執(zhí)行步驟204，將J2的值增加1，并將暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第J1-1位的值作為穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start中第J2位的值，隨后將J1的值增加1，并返回步驟202。執(zhí)行步驟205，檢驗J3是否小于等于暫態(tài)事件起點(diǎn)序列T_start中第J1+1位的值，根據(jù)定義，這一條件始終滿足。執(zhí)行步驟206，計算原始功率序列power_sec中第J3位至第J3+5位的平均功率，記為mean(power_sec(J3:J3+5))；計算原始功率序列power_sec中第J3+5位的值的0.9倍，記為0.9power_sec(J3+5)；計算原始功率序列power_sec中第J3+5位的值的1.1倍，記為1.1power_sec(J3+5)；判斷平均功率mean(power_sec(J3:J3+5))是否滿足大于等于0.9power_sec(J3+5)，且同時小于等于1.1power_sec(J3+5)，若不滿足，則J3的值增加1，隨后返回步驟205；補(bǔ)充說明：由于在設(shè)備由開啟或關(guān)閉到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過程中，功率波動會變小；因此計算從暫態(tài)事件起點(diǎn)開始后的5個點(diǎn)的功率均值mean(power_sec(T_start(i):T_start(i)+5))是否在暫態(tài)事件起點(diǎn)對應(yīng)的范圍內(nèi)——0.9power_sec(T_start(i))～1.1power_sec(T_start(i))，如果該點(diǎn)滿足條件，那么該點(diǎn)算作穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)；否則，將T_start(i)和均值計算采用的起點(diǎn)后移1位，直至滿足要求。執(zhí)行步驟207，將J2的值增加1，把J3的值作為穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start中第J2位的值，隨后將J1的值增加1，并返回步驟202。待該計算方法執(zhí)行結(jié)束，得到穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)序列S_start，也就得到了測量過程中所有的穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：在暫態(tài)事件與穩(wěn)態(tài)事件起點(diǎn)前，先對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括量化與中值濾波；其中量化將減少脈沖噪聲對暫態(tài)起點(diǎn)檢測的干擾，中值濾波消除數(shù)字信號(序列)中孤立的噪聲點(diǎn)、平滑暫態(tài)事件的改變量。采用數(shù)據(jù)采集芯片與虛擬儀器設(shè)計平臺，有效提高工作效率，保證了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠；具有操作簡單、便于配置等優(yōu)點(diǎn)；通過非侵入式負(fù)荷技術(shù)，同時檢測負(fù)荷的暫態(tài)事件與穩(wěn)態(tài)事件，具有較高的可信度?？捎糜陔娔苡嬃俊?shù)字信號處理等領(lǐng)域，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

以上所述實(shí)施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。