一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法及裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，基于進(jìn)制擬合算法的非侵入式負(fù)荷分解方法，通過(guò)家用智能電表采集電器負(fù)荷數(shù)據(jù)，由最優(yōu)擬合算法獲得各最優(yōu)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的分解。能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出電器開(kāi)啟時(shí)間、已運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行模式，并能將同種電器投入使用的情況進(jìn)行準(zhǔn)確分解。實(shí)現(xiàn)家庭用電負(fù)荷的分解，得到各家電的負(fù)荷信息，負(fù)荷分解的結(jié)果可以有效指導(dǎo)用戶用電行為的改變，促進(jìn)家庭節(jié)能計(jì)劃的智能，同時(shí)也能對(duì)電力部門(mén)制定相應(yīng)的需求側(cè)管理提供數(shù)據(jù)支持，使得家庭用電向著更加節(jié)能、高效的方向改變。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，同時(shí)還公開(kāi)了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，屬于電力計(jì)量方法及裝置【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]最接近的現(xiàn)有技術(shù)有兩種分別是侵入式電力負(fù)荷分解方法和非侵入式負(fù)荷分解方法。
[0003]I)侵入式負(fù)荷分解；該方法即在各個(gè)家用電器的電源端口安裝電壓、電流傳感器，實(shí)時(shí)獲取家電的負(fù)荷數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)為得到的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確；缺點(diǎn)為價(jià)格偏高，設(shè)備復(fù)雜，無(wú)法使用現(xiàn)有電表或智能電表進(jìn)行低速率采樣，不適于推廣應(yīng)用。
[0004]可見(jiàn)，侵入式負(fù)荷分解存在的顯著缺點(diǎn)為:投入較大，安裝工作需要進(jìn)入負(fù)荷內(nèi)部，影響電力用戶正常的生產(chǎn)和生活，不適宜全面推廣。
[0005]2)非侵入式負(fù)荷分解；該方法即指在用戶的入口安裝電壓和電流傳感器，實(shí)時(shí)采集電壓、電流數(shù)據(jù)，用軟件進(jìn)行分析，便可得到負(fù)荷內(nèi)部不同用電設(shè)備實(shí)時(shí)的功率消耗比例，從而實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷分解。這需要負(fù)荷檢測(cè)裝置不間斷地捕捉電力負(fù)荷每一個(gè)變化信息，對(duì)軟、硬件的要求非常高。當(dāng)出現(xiàn)不同類(lèi)型用電設(shè)備同時(shí)啟動(dòng)或退出運(yùn)行時(shí)，這種方法就無(wú)法進(jìn)行有效地負(fù)荷跟蹤分解，方法存在極大的盲區(qū)。
[0006]非侵入式分解技術(shù)的概念提出后，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，大致可以分為以下幾類(lèi):
第一類(lèi)是基于電器負(fù)荷(功率，電壓等)特性映射圖的分類(lèi)方法，該方法將電器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的負(fù)荷特性映射到坐標(biāo)平面上，由于不同電器的負(fù)荷特性會(huì)聚類(lèi)在平面的不同區(qū)域，因此可通過(guò)聚類(lèi)分析方法將負(fù)荷分類(lèi)；
第二類(lèi)是基于短時(shí)負(fù)荷信號(hào)特征的分類(lèi)方法，這類(lèi)方法中又可分為以下幾種形式，一種是根據(jù)不同電器在開(kāi)啟時(shí)式會(huì)產(chǎn)生不同的暫態(tài)脈沖，從而對(duì)投入使用的用電設(shè)備進(jìn)行判另O。另一種是利用小波分解方法，對(duì)短時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷特性進(jìn)行分析，進(jìn)而分解。也有研究者通過(guò)電器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電器短時(shí)電流(電壓)特性的不同，來(lái)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分解。
[0007]第三類(lèi)是基于統(tǒng)計(jì)的負(fù)荷分解方法，此方法能較好地適用于電力負(fù)荷按行業(yè)分類(lèi)的分解。
[0008]以上方法都在一定程度上實(shí)現(xiàn)了非侵入式負(fù)荷分解的功能，但都存在問(wèn)題:第一類(lèi)方法對(duì)于多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)投入時(shí)會(huì)造成誤判，且只能判斷所使用電器類(lèi)別，不能將負(fù)荷分解；第二類(lèi)方法要求檢測(cè)設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)采集大量數(shù)據(jù)(空調(diào)啟動(dòng)時(shí)的暫態(tài)特性脈沖持續(xù)時(shí)間只有0.2s，有些甚至更短，而采集電器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)一個(gè)周期的負(fù)荷波形，則需要更高的采集頻率)，現(xiàn)有的常規(guī)電力設(shè)備無(wú)法滿足要求；第三類(lèi)方法是基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的分解方法，對(duì)于電網(wǎng)小用戶來(lái)說(shuō)，由于用戶的用電行為具有很大的隨機(jī)性，因此統(tǒng)計(jì)方法在分解精度方面存在很大問(wèn)題。
[0009]綜上分析，非侵入式負(fù)荷分解缺點(diǎn)概括為:首先，這種方法依托稍縱即逝的用電設(shè)備投/切信息(實(shí)測(cè)得到的空調(diào)投入暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為0.2秒左右，一些設(shè)備甚至更短)，為了不遺漏這些有用投/切信息，需要裝置對(duì)負(fù)荷進(jìn)行不間斷地檢測(cè)，捕捉每一個(gè)變化信息，故監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)軟、硬件的要求很高；其次，當(dāng)不同類(lèi)型的用電設(shè)備大量同時(shí)投/切時(shí)，這種方法就無(wú)法有效的進(jìn)行負(fù)荷跟蹤分解，其應(yīng)用存在一定的局限性。
[0010]此外，當(dāng)前通用家用智能電表雖然不同于一般的多功能電能表，其在自動(dòng)化和智能化的功能上更加豐富、強(qiáng)大，其主要功能為雙向計(jì)量、雙向通信、智能開(kāi)關(guān)控制。但它不存在實(shí)現(xiàn)對(duì)總體用電負(fù)荷的分解及實(shí)時(shí)顯示的功能，而該功能正是制定階梯電價(jià)等需求側(cè)管理的重要基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明公開(kāi)一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，解決了現(xiàn)有家用智能電表對(duì)家庭所有電器用電負(fù)荷無(wú)法分解與顯示的不足。
[0012]本發(fā)明公開(kāi)一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，具體解決方案如下:
基于進(jìn)制擬合算法的非侵入式負(fù)荷分解方法，通過(guò)家用智能電表采集電器負(fù)荷數(shù)據(jù)，由最優(yōu)擬合算法獲得各最優(yōu)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的分解。其特征在于是能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出電器開(kāi)啟時(shí)間、已運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行模式，并能將同種電器投入使用的情況進(jìn)行準(zhǔn)確分解。
[0013]具體步驟如下:
第一步:負(fù)荷數(shù)據(jù)集的建 立，存儲(chǔ)各家用電器的負(fù)荷參數(shù)；
第二步:根據(jù)用戶實(shí)際用電情況，進(jìn)行總負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集和處理；
第三步:由用戶擁有電器種類(lèi)，合成擬合信號(hào)；
第四步:根據(jù)擬合信號(hào)和用戶總負(fù)荷數(shù)據(jù)信號(hào)計(jì)算適應(yīng)函數(shù)；
第五步:以最優(yōu)函數(shù)取最大值為最優(yōu)目標(biāo)，基于進(jìn)制擬合算法，對(duì)負(fù)荷存在系數(shù)和負(fù)荷開(kāi)啟時(shí)間系數(shù)進(jìn)行最優(yōu)求解；
第六步:根據(jù)求得的最優(yōu)負(fù)荷存在系數(shù)和負(fù)荷開(kāi)啟時(shí)間系數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)集中的家電負(fù)荷數(shù)據(jù)，完成對(duì)總負(fù)荷的分解，并將分解結(jié)果顯示在LCD屏幕上。
[0014]所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于:
可以對(duì)用戶長(zhǎng)時(shí)間段負(fù)荷的分解，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電器同時(shí)開(kāi)啟、不同時(shí)開(kāi)啟、用電模式以及對(duì)于同種電器的負(fù)荷分解。
[0015]所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于所述家電負(fù)荷的參數(shù)存儲(chǔ)如下形式:
設(shè)各家用電器分別為A、B.....L，數(shù)據(jù)集中對(duì)應(yīng)的負(fù)荷數(shù)曲線數(shù)據(jù)分別為
【權(quán)利要求】
1.一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于包括如下步驟: 第一步:負(fù)荷數(shù)據(jù)集的建立，存儲(chǔ)各家用電器的負(fù)荷參數(shù)； 第二步:根據(jù)用戶實(shí)際用電情況，進(jìn)行總負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集和處理； 第三步:由用戶擁有電器種類(lèi)，合成擬合信號(hào)； 第四步:根據(jù)擬合信號(hào)和用戶總負(fù)荷數(shù)據(jù)信號(hào)計(jì)算適應(yīng)函數(shù)； 第五步:以最優(yōu)函數(shù)取最大值為最優(yōu)目標(biāo)，基于進(jìn)制擬合算法，對(duì)負(fù)荷存在系數(shù)和負(fù)荷開(kāi)啟時(shí)間系數(shù)進(jìn)行最優(yōu)求解； 第六步:根據(jù)求得的最優(yōu)負(fù)荷存在系數(shù)和負(fù)荷開(kāi)啟時(shí)間系數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)集中的家電負(fù)荷數(shù)據(jù)，完成對(duì)總負(fù)荷的分解，并將分解結(jié)果顯示在LED屏幕上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于: 可以對(duì)用戶長(zhǎng)時(shí)間段負(fù)荷的分解，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電器同時(shí)開(kāi)啟、不同時(shí)開(kāi)啟、用電模式以及對(duì)于同種電器的負(fù)荷分解。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于所述家電負(fù)荷的參數(shù)存儲(chǔ)如下形式: 設(shè)各家用電器分別為A、B.....L，數(shù)據(jù)集中對(duì)應(yīng)的負(fù)荷數(shù)曲線數(shù)據(jù)分別為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于，第二步驟所述對(duì)用戶總負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集與處理，其中的)為用戶總負(fù)荷波形采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，其集合表示形式為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于，第三步驟所述的擬合信號(hào)的合成由如下方式獲得:由用戶選定其所使用的家用負(fù)荷類(lèi)型，分別表示為A、B、...、L ,公式如下所示:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于，第四步驟中所述的適應(yīng)函數(shù)的計(jì)算如下放下方式:取擬合信號(hào)和用戶總負(fù)荷信號(hào)的內(nèi)積作為適應(yīng)函數(shù)^ ^的值表示擬合信號(hào)和負(fù)荷信號(hào)的相關(guān)程度，求解公式為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于，第五步驟中所述的負(fù)荷存在系數(shù)和負(fù)荷時(shí)間系數(shù)的計(jì)算如下放下方式: 首先設(shè)定擬合信號(hào)，它是由樣本集合I的元素按照存在系數(shù)配比加和而成:F (η) = GtlX1 +α^?；2 +…+ --(6) 式中:?.?,...?是樣本集合Z的元素；^吒，...,?為存在系數(shù)，其可用矩陣表示0(?) = 1巧,吒,...,％]存在系數(shù)0(?；)的各元素取值有兩種可能: 當(dāng)^ = I時(shí)，表示擬合向量中含有對(duì)應(yīng)元素； 當(dāng)q = O時(shí)，表示擬合向量中不含有對(duì)應(yīng)元素，不同的Ω(?)對(duì)應(yīng)不同的擬合向量，ι = 1，2，.ι』為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)； 設(shè)S/F是由存在系數(shù)按順序組成的二進(jìn)制數(shù)，即: BIN= {2--...?(7) 式中:0--...?是胤V的位值，是最聞位，?ι是最低位； 公式(4)中的參數(shù)Ω0)和參數(shù)都會(huì)對(duì)適應(yīng)函數(shù)1*產(chǎn)生影響，在利用最優(yōu)組合算法求解最優(yōu)參數(shù)時(shí)，需要將〒考慮進(jìn)去，因此在進(jìn)行進(jìn)制擬合算法時(shí)，參加運(yùn)算的父組合為DEC1X1H ,則N組父組合可以用矩陣表示為:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非侵入式家庭用電負(fù)荷分解方法，其特征在于，第六步驟中所述的負(fù)荷分解最終的實(shí)現(xiàn)結(jié)果為:由求得的存在系數(shù)來(lái)確定開(kāi)啟電器的種類(lèi)，對(duì)應(yīng)的?=ι表示對(duì)應(yīng)電器開(kāi)啟否則表示未開(kāi)啟；由求得的最優(yōu)開(kāi)啟時(shí)間系數(shù)7_0)可確定開(kāi)啟電器的開(kāi)啟時(shí)間；通過(guò)這兩組參數(shù)及其對(duì)應(yīng)電器的負(fù)荷數(shù)據(jù)便可分解出被測(cè)時(shí)間段各個(gè)開(kāi)啟電器的負(fù)荷波形。
9.一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解的裝置，其特征在于: 本裝置的核心處理器主要負(fù)責(zé)整個(gè)裝置的運(yùn)行控制和內(nèi)嵌算法的計(jì)算； 電能計(jì)量單元由電能計(jì)量芯片、互感電路、測(cè)量插排構(gòu)成；其中測(cè)量插排用來(lái)連接用戶的未知電器；互感電路負(fù)責(zé)測(cè)量插排與電能計(jì)量芯片以及用戶負(fù)荷總線與電能計(jì)量芯片的連接，以將未知電器及用戶負(fù)荷總線的三項(xiàng)電流、三項(xiàng)電壓傳輸給電能計(jì)量芯片；電能計(jì)量芯片主要根據(jù)互感電路傳遞過(guò)來(lái)的電壓、電流值，測(cè)量出未知電器或者用戶負(fù)荷總線的實(shí)時(shí)電流、電壓、有功功率及無(wú)功功率，并將這些值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，同時(shí)將這些數(shù)字量傳輸?shù)胶诵奶幚砥髦?，供?fù)荷分解使用；通信單元主要由電平轉(zhuǎn)換芯片、串口轉(zhuǎn)換器、雙絞線構(gòu)成，負(fù)責(zé)本裝置與PC機(jī)的通信，用戶可以將電力部門(mén)提供的電器負(fù)荷數(shù)據(jù)下載，或?qū)⒂脩粑粗娖鞯呢?fù)荷數(shù)據(jù)通過(guò)PC機(jī)上傳給電力部門(mén)，進(jìn)一步完善電器負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)；其中，電平轉(zhuǎn)換芯片負(fù)責(zé)將核心處理器的通信端口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為PC機(jī)常用的RS-232接口信號(hào)；串口轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)RS-232接口信號(hào)與RS-485接口信號(hào)的轉(zhuǎn)換，之所以將RS-232接口信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-485接口信號(hào)，是因?yàn)镽S-485接口信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)，更穩(wěn)定；雙絞線主要負(fù)責(zé)將裝置與遠(yuǎn)處的PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸； 存儲(chǔ)單元由存儲(chǔ)器和SD卡接口構(gòu)成，其中，存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶家庭所使用電器的負(fù)荷數(shù)據(jù)、負(fù)荷分解歷史結(jié)果，為負(fù)荷分解提供數(shù)據(jù)支撐；SD卡接口將用戶在數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇的家電負(fù)荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到智能電表的存儲(chǔ)器上； 控制顯示單元由IXD顯示屏和控制鍵盤(pán)構(gòu)成，IXD顯示屏主要用來(lái)顯示用戶負(fù)荷總線的負(fù)荷波形以及負(fù)荷分解得來(lái)的各使用電器負(fù)荷波形；鍵盤(pán)控制負(fù)責(zé)本裝置的功能控制，通過(guò)鍵盤(pán)用戶進(jìn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)下載、未知電器負(fù)荷測(cè)量及上傳、用戶總負(fù)荷實(shí)時(shí)分解、歷史數(shù)據(jù)上傳、歷史數(shù)據(jù)清除； 供電電路負(fù)責(zé)將220V交流電轉(zhuǎn)換為裝置內(nèi)不同芯片所要求的不同幅值的直流電源。
10.一種非侵入式家庭用電負(fù)荷分解的裝置，其特征在于: 未知電器通過(guò)測(cè)量插排和互感電路與電能計(jì)量芯片連接，互感電路的模擬電流接電能計(jì)量芯片的V3P和V3N管腳，互感電路的模擬電壓接電能計(jì)量芯片的V4P和V4N管腳，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量芯片對(duì)位置電器負(fù)荷數(shù)據(jù)的測(cè)量；用戶負(fù)荷總線通過(guò)互感電路，將對(duì)應(yīng)的模擬電流接在電能計(jì)量芯片的VlP 和 VlN管腳，模擬電壓接在電能計(jì)量芯片的V2P和V2N管腳；電能質(zhì)量芯片ATT7022C通過(guò)CS、SCLK、DIN、DOUT四個(gè)通訊接口端分別與核心處理器S3C2440A的CSO、SCLK, DIN、DOUT四個(gè)管腳相連，實(shí)現(xiàn)核心處理器對(duì)電能計(jì)量芯片的控制；電能計(jì)量芯片的CFl、CF2分別是瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率輸出端，CFl與核心處理器的DAO管腳連接，CF2與核心處理器的DAl管腳連接，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量芯片與核心處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸; 電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232的T1IN、RlOUT分別與核心處理器的RXD1、TXDl連接，MAX232的T2IN管腳接串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)①的TXDO管腳、MAX232的T20UT管腳接串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)①的RXDO管腳，將核心處理器串口通信端口 TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為PC機(jī)常用的RS-232接口信號(hào)；串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)①通過(guò)雙絞線與另一塊串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)②連接，串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)①的TXDl管腳接串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)②的RXDO管腳，串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)①的RXDl管腳接串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)②的TXDO管腳，實(shí)現(xiàn)RS-232接口信號(hào)與RS-485接口信號(hào)的轉(zhuǎn)換；串口轉(zhuǎn)換器(NS485-Z)②的RXD1、TXDI與PC機(jī)對(duì)應(yīng)端口連接實(shí)現(xiàn)相互通信； 存儲(chǔ)器的DQ端與核心處理器的DA3管腳連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，存儲(chǔ)器的AD端與核心處理器的AD管腳連接，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與核心處理器的地址溝通，存儲(chǔ)器完成對(duì)用戶家庭所使用電器的負(fù)荷數(shù)據(jù)、負(fù)荷分解歷史結(jié)果的存儲(chǔ)；SD卡接口的DAT、CLK、GND依次與核心處理器的SDDATA、SDCLK, GND管腳連接，實(shí)現(xiàn)本裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)的連接； LCD顯示屏的CS、CLK、MOS1、MISO管腳依次與核心處理器的CS1、CLK、MOS1、MISO四個(gè)管腳連接，實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)荷總線的負(fù)荷波形以及、負(fù)荷分解得來(lái)的各使用電器負(fù)荷波形的實(shí)時(shí)顯示； 鍵盤(pán)控制與核心處理器的對(duì)應(yīng)I/o端口連接，通過(guò)鍵盤(pán)用戶可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷數(shù)據(jù)下載、未知電器負(fù)荷測(cè)量及上傳、用戶總負(fù)荷實(shí)時(shí)分解、歷史數(shù)據(jù)上傳、歷史數(shù)據(jù)清除；供電電路的輸出端與核心處理器的VDD端連接，實(shí)現(xiàn)核心處理器的電能供應(yīng)。
【文檔編號(hào)】H02J13/00GK103675378SQ201310434292
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】曲朝陽(yáng), 朱莉, 于華濤, 王蕾, 曲楠, 王敬東 申請(qǐng)人:東北電力大學(xué)