本發(fā)明屬于智能用電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種針對(duì)微波爐的非入侵式辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

居民電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)分解技術(shù)是一門新興的智能電網(wǎng)基礎(chǔ)支撐技術(shù)，與目前智能電表僅量測(cè)用戶總功率不同，它以監(jiān)測(cè)并分解出居民戶內(nèi)所有電器的啟動(dòng)時(shí)間、工作狀態(tài)、能耗情況為目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)更加可靠、精確的電能量管理。電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)分解技術(shù)使用戶的電費(fèi)清單像電話費(fèi)清單一樣，各類家用電器的用電量一目了然，從而使用戶及時(shí)了解自己的用電情況，為合理分配各個(gè)電器的用電時(shí)間及相應(yīng)的用電量提供參考，最終能夠有效減少電費(fèi)支出和電能浪費(fèi)。Google統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，如果家庭用戶能夠及時(shí)了解住宅電器的詳細(xì)用電信息，就能使每月電費(fèi)開支下降5％～15％；如果全美國(guó)有一半家庭每個(gè)月節(jié)省這么多開支，減少的碳排放量相當(dāng)于減少800萬(wàn)輛汽車的使用。對(duì)于工業(yè)用戶而言，其負(fù)荷投切安排一般是比較固定的，只需分時(shí)計(jì)量即可，對(duì)負(fù)荷分解的需求較少，因此電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)分解的主要研究對(duì)象是住宅用電負(fù)荷。

目前，居民電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)分解技術(shù)主要分為侵入式監(jiān)測(cè)分解(Intrusive Load Monitoring and decomposition，ILMD)和非侵入式監(jiān)測(cè)分解(Non-intrusive Load Monitoring and decomposition，NILMD)兩大類：

(1)侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)分解技術(shù)(ILMD)：侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)將帶有數(shù)字通信功能的傳感器安裝在每個(gè)電器與電網(wǎng)的接口，可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)每個(gè)負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)和功率消耗。但大量安裝監(jiān)測(cè)傳感器造成建設(shè)和維護(hù)的成本較高，最重要的是侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)需要進(jìn)入居民家中進(jìn)行安裝調(diào)試，容易造成用戶抵制心理；

(2)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)分解技術(shù)(NILMD)：)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)僅在用戶入口處安裝一個(gè)傳感器，通過采集和分析入口總電流、電壓等信息來判斷戶內(nèi)每個(gè)或每類電器的用電功率和工作狀態(tài)(例如，空調(diào)具有制冷、制熱、待機(jī)等不同工作狀態(tài))，從而得出居民的用電規(guī)律。和侵入式負(fù)荷分解相比，由于只需要安裝一個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器，非侵入負(fù)荷分解方案的建設(shè)成本和后期維護(hù)難度都大幅降低；另外，傳感器安裝位置可以選擇在用戶電表箱處，完全不會(huì)侵入居民戶內(nèi)進(jìn)行施工?？梢哉J(rèn)為，NILMD以分解算法代替ILMD系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠、數(shù)據(jù)完整和易于迅速推廣應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，有望發(fā)展成為高級(jí)量測(cè)體系(AMI)中新一代核心技術(shù)(成熟后，NILMD算法也可以融合到智能電表的芯片內(nèi))，支持需求側(cè)管理、定制電力等智能用電的高級(jí)功能，也適用于臨時(shí)性的負(fù)荷用電細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)與調(diào)查。

微波爐是用微波來烹調(diào)食物的設(shè)備，它由一種電子真空管——磁控管，產(chǎn)生2450MHz的超短波電磁波，通過微波傳導(dǎo)元件——波導(dǎo)管，發(fā)射到爐內(nèi)各處，通過發(fā)射、傳導(dǎo)、被食物吸收，引起食物內(nèi)的極性分子(如水、脂肪、蛋白質(zhì)、糖等)以每秒24.5億次的極高速振動(dòng).并由振動(dòng)所引起的摩擦使食物內(nèi)部產(chǎn)生高熱，將食物烹熟。微波爐的微波輸出功率一般在600W～900W范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)換效率一般按30％～60％計(jì)算，微波爐的實(shí)際消耗功率約為1100W～1400W。

現(xiàn)有研究主要集中在微波爐的啟動(dòng)電流、運(yùn)行有功/無(wú)功功率等負(fù)荷特性的理論研究，但實(shí)用化的微波爐非侵入辨識(shí)方法還沒有被提出。

綜上所述，NILMD技術(shù)已經(jīng)逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化對(duì)全社會(huì)的節(jié)能減排具有重要意義。目前，NILMD技術(shù)的研究還停留在理論研究階段，對(duì)多狀態(tài)間歇工作電器，尤其是微波爐的實(shí)用化分解辨識(shí)方法還有待突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能夠準(zhǔn)確感知微波爐運(yùn)行的基于有功兩段抬升的非侵入式微波爐啟動(dòng)辨識(shí)方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于有功兩段抬升的非侵入式微波爐啟動(dòng)辨識(shí)方法，用于以非侵入方式辨識(shí)出戶內(nèi)電網(wǎng)中是否有微波啟動(dòng)，所述基于有功兩段抬升的非侵入式微波爐啟動(dòng)辨識(shí)方法包括以下步驟：

步驟一：按照設(shè)定的采樣頻率f_s對(duì)所述戶內(nèi)電網(wǎng)的總電源進(jìn)線的電壓和電流進(jìn)行采樣，分別形成電壓采樣序列u和電流采樣序列i；

步驟二：設(shè)定時(shí)間窗口；依據(jù)所述電壓采樣序列u和所述電流采樣序列i中與所述時(shí)間窗口所對(duì)應(yīng)的部分，計(jì)算所述總電源進(jìn)線處與所述時(shí)間窗口對(duì)應(yīng)的平均有功功率值P_k，所述平均有功功率值P_k依次為構(gòu)成平均有功功率序列P的元素；k對(duì)應(yīng)于本次采用的時(shí)間窗口的編號(hào)；

步驟三：根據(jù)所述平均有功功率序列P計(jì)算由有功功率差分值ΔP_k構(gòu)成的有功功率差分序列ΔP；

步驟四：根據(jù)所述有功功率差分序列ΔP判斷是否出現(xiàn)兩段有功功率抬升，再根據(jù)所述兩段有功功率抬升增量特征的時(shí)間特征來判斷所述戶內(nèi)電網(wǎng)中是否有微波爐啟動(dòng)，若沒有電磁爐啟動(dòng)則返回步驟三。

所述步驟四中，若所述有功功率差分序列ΔP中出現(xiàn)兩個(gè)正值元素，則判斷出現(xiàn)兩段有功功率抬升，若第一個(gè)所述正值元素的值屬于設(shè)定的第一取值范圍內(nèi)、第二個(gè)所述正值元素的值屬于設(shè)定的第二取值范圍內(nèi)，且兩段有功功率抬升出現(xiàn)的時(shí)間間隔屬于設(shè)定的時(shí)間間隔取值范圍內(nèi)，則判斷所述戶內(nèi)電網(wǎng)中有微波爐啟動(dòng)。

優(yōu)選的，所述第一取值范圍為300W-500W；所述第二取值范圍為800W-1000W，所述時(shí)間間隔取值范圍為2.0s-3.0s。

所述步驟一中，所述采樣頻率的取值范圍為1kHz-10kHz。

所述步驟二中，所述平均有功功率值P_k的計(jì)算方法為：

其中，m為所述時(shí)間窗口內(nèi)所含工頻周期數(shù)，n為所述時(shí)間窗口內(nèi)首個(gè)進(jìn)行采樣的采樣點(diǎn)編號(hào)，N為一個(gè)工頻周期包含的采樣點(diǎn)數(shù)目。

所述步驟三中，所述有功功率差分值ΔP_k的計(jì)算方法為：

ΔP₁＝P₁

ΔP_k＝P_k-P_k-1

其中，k＝2，3，…。

由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提出了一種基于有功兩段抬升的非侵入式微波爐啟動(dòng)辨識(shí)方法，該方法相較于單一的有功功率分析，充分考慮了微波爐啟動(dòng)時(shí)有功功率有規(guī)律抬升特點(diǎn)，從而能夠準(zhǔn)確區(qū)分微波爐和感性工作電器(例如電飯鍋等)，增加了微波爐非侵入辨識(shí)的準(zhǔn)確性。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明的基于有功兩段抬升的非侵入式微波爐啟動(dòng)辨識(shí)方法的流程示意圖。

附圖2為微波爐運(yùn)行時(shí)的平均有功功率的計(jì)算結(jié)果圖。

附圖3為微波爐啟動(dòng)時(shí)平均有功功率變化示意圖。

附圖4為微波爐運(yùn)行時(shí)平均有功功率差分序列圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖所示的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實(shí)施例一：微波爐的磁控管由陰極(燈絲)、陽(yáng)極、耦合環(huán)、環(huán)形磁鋼以及能量輸出機(jī)構(gòu)(天線)等組成，為了更好的保護(hù)微波爐的磁控管，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命，需要對(duì)微波爐磁控管進(jìn)行預(yù)熱，此時(shí)微波爐消耗功率基本為零。微波爐從開啟至達(dá)到穩(wěn)定功率這段時(shí)間要大于3s，而且功率也并非是突然間增大到穩(wěn)定功率，這是由于燈絲加熱不足，引起電子發(fā)射不足造成的。導(dǎo)致微波爐功率緩慢且分兩次上升達(dá)到穩(wěn)定功率，這段時(shí)間需要3s左右的時(shí)間。

基于微波爐的上述特征提出一種基于有功兩段抬升的非侵入式微波爐啟動(dòng)辨識(shí)方法來以非侵入方式辨識(shí)出戶內(nèi)電網(wǎng)中是否有微波啟動(dòng)，該基于有功兩段抬升的非侵入式微波爐啟動(dòng)辨識(shí)方法包括以下步驟：

步驟一：按照設(shè)定的采樣頻率f_s并使用電壓傳感器和電流傳感器對(duì)用戶的戶內(nèi)電網(wǎng)的總電源進(jìn)線的電壓和電流進(jìn)行采樣，分別形成電壓采樣序列u和電流采樣序列i。電壓采樣序列u中的元素依次為u₁、u₂、u₃、…，電流采樣序列i中的元素依次為i₁、i₂、i₃、…。該步驟中，采樣頻率的取值范圍為1kHz-10kHz。本實(shí)施例中，選擇采樣頻率f_s＝1kHz。

步驟二：設(shè)定時(shí)間窗口，該時(shí)間窗口中包含m＝5個(gè)工頻周期，一個(gè)工頻周期中包含N個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)電壓采樣序列u和電流采樣序列i進(jìn)行掃描，依據(jù)電壓采樣序列u和電流采樣序列i中與時(shí)間窗口所對(duì)應(yīng)的部分，計(jì)算總電源進(jìn)線處與時(shí)間窗口對(duì)應(yīng)的平均有功功率值P_k，平均有功功率值P_k依次為構(gòu)成平均有功功率序列P的元素；平均有功功率值P_k的下角標(biāo)k對(duì)應(yīng)于本次采用的時(shí)間窗口的編號(hào)，每選取一個(gè)時(shí)間窗口即可計(jì)算出一個(gè)平均有功功率值P_k從而構(gòu)成有功功率序列P。

平均有功功率值P_k的計(jì)算方法為：

其中，m為時(shí)間窗口內(nèi)所含工頻周期數(shù)，n為時(shí)間窗口內(nèi)首個(gè)進(jìn)行采樣的采樣點(diǎn)編號(hào)，N為一個(gè)工頻周期包含的采樣點(diǎn)數(shù)目。通過上式對(duì)時(shí)間窗口中各個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算即可獲得對(duì)應(yīng)的平均有功功率值P_k。

步驟三：根據(jù)平均有功功率序列P計(jì)算由有功功率差分值ΔP_k構(gòu)成的有功功率差分序列ΔP。

有功功率差分值ΔP_k的計(jì)算方法為：

ΔP₁＝P₁

ΔP_k＝P_k-P_k-1

其中，k＝2，3，…，k對(duì)應(yīng)于參與運(yùn)算的平均有功功率序列P中的樣本數(shù)量，其取值通常為10-1000，這里取100個(gè)。

從圖2和圖3所示的微波爐一次加熱過程對(duì)應(yīng)的平均有功功率計(jì)算結(jié)果，可以看出微波爐從功率開始抬升到功率穩(wěn)定運(yùn)行是緩慢上升，可近似看作是分兩次功率抬升，且具有固定的時(shí)間間隔；該微波爐的最大有功功率為1300W左右，第一次有功功率抬升大約為400W，第二次有功功率抬升大約為900W，兩次有功功率抬升的時(shí)間間隔A為2.5s左右。

步驟四：根據(jù)有功功率差分序列ΔP判斷是否出現(xiàn)兩段有功功率抬升，再根據(jù)兩段有功功率抬升增量特征的時(shí)間特征來判斷戶內(nèi)電網(wǎng)中是否有微波爐啟動(dòng)，若沒有電磁爐啟動(dòng)則返回步驟三。

具體的，掃描有功功率差分序列ΔP，若有功功率差分序列ΔP中出現(xiàn)兩個(gè)正值元素，這兩個(gè)正值元素分別為L(zhǎng)1、L2，則可以判斷出現(xiàn)兩段有功功率抬升。若第一個(gè)正值元素(即前一個(gè)正值元素)的值屬于設(shè)定的第一取值范圍內(nèi)、第二個(gè)正值元素(即后一個(gè)正值元素)的值屬于設(shè)定的第二取值范圍內(nèi)，且兩段有功功率抬升出現(xiàn)的時(shí)間間隔T屬于設(shè)定的時(shí)間間隔取值范圍內(nèi)，則判斷戶內(nèi)電網(wǎng)中有微波爐啟動(dòng)。通常，第一取值范圍為300W-500W；第二取值范圍為800W-1000W，時(shí)間間隔取值范圍為2.0s-3.0s。因此，當(dāng)300W＜L1＜500W且800W＜L2＜1000W且2.0s＜T＜3.0s時(shí)，即可判斷當(dāng)前時(shí)間窗口內(nèi)有微波爐啟動(dòng)。

如圖4所示差分序列分析可知，平均有功功率差分序列連續(xù)出現(xiàn)兩次變量為正值的序列，同時(shí)總增量大小為365W和935W，并且兩者時(shí)間間隔為2.5s，故可判斷本次處理的時(shí)間窗口內(nèi)有微波爐啟動(dòng)。

以上提供了一種全新的基于有功兩段抬升的平均有功功率差分序列ΔP微波爐運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法，該方法能夠準(zhǔn)確感知微波爐的運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)微波爐的非侵入辨識(shí)提供了技術(shù)支撐。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。