一種非侵入式用電負(fù)荷辨識(shí)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非侵入式用電負(fù)荷辨識(shí)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用電負(fù)荷監(jiān)測(cè)識(shí)別一直是智能用電領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的用電負(fù)荷監(jiān)測(cè)設(shè)備需 要在用戶用電設(shè)備的電源端安裝數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器、傳感器、通信模塊等監(jiān)測(cè)終端， 監(jiān)測(cè)終端通過戶內(nèi)無線局域網(wǎng)與主站通信，這種侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于每個(gè)用電設(shè)備需 要獨(dú)立安裝負(fù)荷監(jiān)測(cè)終端，建設(shè)成本較高，運(yùn)行維護(hù)困難，同時(shí)可能會(huì)對(duì)用戶生產(chǎn)生活造成 影，；此外，負(fù)荷監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)測(cè)主站采用無線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用戶用電信息存在安 全隱患，不符合雙向互動(dòng)智能用電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；目前的負(fù)荷辨識(shí)方法針對(duì)單路用電設(shè) 備進(jìn)行獨(dú)立的高頻數(shù)據(jù)采集和分析，算法的時(shí)間開銷和空間開銷較大，硬件性能要求較高， 無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路用電設(shè)備的遠(yuǎn)程在線負(fù)荷辨識(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有的技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種非侵入式用電負(fù)荷辨識(shí)系統(tǒng)及方 法。
[0004] 本發(fā)明技術(shù)方案如下所述：
[0005] -種非侵入式用電負(fù)荷辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，包括用電負(fù)荷、負(fù)荷辨識(shí)終端以及 負(fù)荷監(jiān)測(cè)主站；所述用電負(fù)荷通過RS485、Zigbee、Wifi的通信協(xié)議與所述負(fù)荷辨識(shí)終端進(jìn) 行信息交互，所述負(fù)荷辨識(shí)終端通過光纖、以太網(wǎng)、無線公網(wǎng)的方式與所述負(fù)荷監(jiān)測(cè)主站進(jìn) 行信息交互；所述負(fù)荷辨識(shí)終端將用電負(fù)荷辨識(shí)結(jié)果上傳到所述負(fù)荷監(jiān)測(cè)主站，所述負(fù)荷 監(jiān)測(cè)主站對(duì)所述用電負(fù)荷的類型及其用電特征進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì)分析。
[0006] 進(jìn)一步的，所述負(fù)荷辨識(shí)終端包括采集用電負(fù)荷的電壓、電流等實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并 進(jìn)行信號(hào)去噪處理的采集模塊；計(jì)算用電負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)特征與暫態(tài)特征的微處理器模塊；用 于存儲(chǔ)典型負(fù)荷特征庫以及用電負(fù)荷辨識(shí)信息的存儲(chǔ)模塊；通過外部電源或者內(nèi)置電池方 式對(duì)所述負(fù)荷辨識(shí)終端供電的電源模塊；分別與所述所述用電負(fù)荷和所述負(fù)荷辨識(shí)終端進(jìn) 行信息交互的通信模塊；用于終端數(shù)據(jù)導(dǎo)出、功能設(shè)置、人機(jī)交互的輸入輸出模塊；所述微 處理器模塊、所述電源模塊以及所述存儲(chǔ)模塊分別與其他各個(gè)模塊連接。
[0007] 更進(jìn)一步的，所述通信模塊包括上行通信模塊和下行通信模塊，所述上行通信模 塊通過光纖、以太網(wǎng)、無線公網(wǎng)的通信方式與所述負(fù)荷監(jiān)測(cè)主站進(jìn)行信息交互，所述下行通 信模塊通過RS485、Zigbee、Wifi的通信方式與所述用電負(fù)荷進(jìn)行信息交互。
[0008] 更進(jìn)一步的，所述采集模塊與所述存儲(chǔ)模塊通過集成總線連接。
[0009] 更進(jìn)一步的，所述輸入輸出模塊包括USB接口、鍵盤以及液晶顯示。
[0010] 進(jìn)一步的，所述負(fù)荷監(jiān)測(cè)主站包括用于采集分布式負(fù)荷辨識(shí)終端用電負(fù)荷辨識(shí)信 息的采集服務(wù)器；用于存儲(chǔ)負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的存儲(chǔ)服務(wù)器；根據(jù)負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù) 據(jù)進(jìn)行用電負(fù)荷特征的在線統(tǒng)計(jì)分析，提供高級(jí)應(yīng)用服務(wù)的應(yīng)用服務(wù)器，所述采集服務(wù)器、 所述存儲(chǔ)服務(wù)器以及所述應(yīng)用服務(wù)器之間通過光纖以太網(wǎng)連接。
[0011] 進(jìn)一步的，所述用電負(fù)荷包括工商業(yè)負(fù)荷、智能家居負(fù)荷以及新型負(fù)荷。
[0012] 本發(fā)明還提供5、一種非侵入式用電負(fù)荷辨識(shí)方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步 驟：
[0013] S1 :分別監(jiān)測(cè)典型用電負(fù)荷的電壓、電流、有功功率波形；
[0014] S2 :采用特征提取算法提取典型用電負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)特征與暫態(tài)特征，建立用電負(fù)荷 標(biāo)準(zhǔn)特征庫；
[0015] S3 :分別計(jì)算用電負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)相似度與暫態(tài)相似度，建立用電負(fù)荷識(shí)別模型；
[0016] S4 :在線監(jiān)測(cè)用戶實(shí)際用電負(fù)荷的電流、電壓和有功功率波形；
[0017] S5:根據(jù)監(jiān)測(cè)波形數(shù)據(jù)判斷負(fù)荷狀態(tài)及暫態(tài)周期，采用特征提取算法提取用電負(fù) 荷的穩(wěn)態(tài)特征與暫態(tài)特征參數(shù)；
[0018] S6:將實(shí)際用電負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)特征與暫態(tài)特征，作為負(fù)荷識(shí)別模型輸入，根據(jù)模型輸 出結(jié)果辨識(shí)出用電負(fù)荷類型及運(yùn)行狀態(tài)。
[0019] 進(jìn)一步的，在所述步驟S2中，提取典型用電負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)特征包括提取用電設(shè)備穩(wěn) 定運(yùn)行狀態(tài)下的有功功率、無功功率、功率因數(shù)角、電流諧波畸變率、電流奇次諧波與基波 相位差，具體如下：
[0020] 定義用電負(fù)荷的有功功率P為：
[0021]
⑴
[0022] 其中，表示第h次諧波電流滯后電壓相位，
[0023] 定義用電負(fù)荷的無功功率為：
[0024] (2)
[0025] 定義功率因素角供為：
[0026] 一 (3)
[0027] 定義電流奇次諧波與基波的相位差為：
，' (4:>
[0028]
[0029] 定義電流諧波畸變率為：
[0030] (5)
[0031] ?〇
[0032] 進(jìn)一步的，在所述步驟S2中，提取用電負(fù)荷的暫態(tài)特征具體步驟如下：
[0033] S21 :生成用電設(shè)備暫態(tài)波形時(shí)間序列
[0034] 記錄每種用電設(shè)備開啟或關(guān)閉過程的有功功率波形，提取暫態(tài)波形，根據(jù)采樣周 期離散為時(shí)間序列形式，記為：
[0035] Si={(t0,x0)，（t"X》，…，（tn，xn)}
[0036] S22 :暫態(tài)波形時(shí)間序列分段
[0037] 將暫態(tài)波形時(shí)間序列Si分為m段，則暫態(tài)波形序列變?yōu)椋?br>[0038] Si={s!,s2, ???,sm}
[0039] S23 :對(duì)每一段暫態(tài)有功功率波形分別進(jìn)行分析提取用電負(fù)荷的暫態(tài)特征值。
[0040] 進(jìn)一步的，所述步驟S3具體包括以下幾個(gè)步驟：
[0041] 通過計(jì)算用電設(shè)備的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)特征相似度，構(gòu)建用電負(fù)荷識(shí)別模型為
[0042]
[0043] 其中，Rw表示穩(wěn)態(tài)特征相似度：
[0045] Rz表示暫態(tài)特征相似度： )[0044]
[0046]
[0047] 式（6)~⑶構(gòu)成用電負(fù)荷的特征相似度識(shí)別模型。
[0048] 進(jìn)一步的，所述步驟S5具體包括以下幾個(gè)步驟：
[0049] S51 :判斷負(fù)荷暫態(tài)起始時(shí)間
[0050] 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)特征庫中用電負(fù)荷暫態(tài)波形選定采樣周期T。，分別計(jì)算第i個(gè)周期與第 i+1個(gè)周期的最大有功功率，當(dāng)兩個(gè)周期最大有功功率差值超過功率閾值1時(shí)，即可確定第 i+1個(gè)周期中用電設(shè)備正在開啟，
[0051] 隨后在第i+1個(gè)周期中判斷用電設(shè)備的開啟時(shí)間點(diǎn)，具體步驟為：依次記錄該周 期中第j個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)與第j+1個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)負(fù)載，并計(jì)算這兩者之間的差值，當(dāng)這 個(gè)差值超過設(shè)定閾值1(2時(shí)，則可判斷采樣時(shí)間點(diǎn)j即為當(dāng)前用電設(shè)備的開啟時(shí)間；
[0052] S52 :提取負(fù)荷穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)特征
[0053] 從用電設(shè)備開啟時(shí)間點(diǎn)開始，將相鄰兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的功率差值記錄在一個(gè)序列S 中，當(dāng)子序列Si取值均小于設(shè)定閾值K3，且該子序列長度大于半個(gè)采樣周期，即可判斷子序 列SJ#應(yīng)的時(shí)間區(qū)段用電負(fù)荷處于穩(wěn)態(tài)，
[0054] 子序列Si中第一個(gè)元素對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為穩(wěn)態(tài)起始點(diǎn)，最后一個(gè)元素對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn) 為穩(wěn)態(tài)結(jié)束點(diǎn)，
[0055] 據(jù)此可以提取出每個(gè)采樣周期的穩(wěn)態(tài)序列Sw與暫態(tài)序列Sz，并分別計(jì)算穩(wěn)態(tài)特征 值與暫態(tài)特征值。
[0056] 進(jìn)一步的，所述步驟S6中，用電負(fù)荷類型與狀態(tài)辨識(shí)的過程為：
[0057] 用電負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)波形通過穩(wěn)態(tài)特征指標(biāo)計(jì)算，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)特征向量乂1;暫態(tài)波形 轉(zhuǎn)化為暫態(tài)特征向量Y1;當(dāng)用電設(shè)備暫態(tài)波形序列Sz長度小于時(shí)間閾值T:時(shí)，判斷該用電 設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，否則處于打開狀態(tài)。
[0058] 將用電設(shè)備穩(wěn)態(tài)特征與暫態(tài)特征向量輸入用電負(fù)荷識(shí)別模型（6)~（8)，根據(jù)穩(wěn) 態(tài)相似度和暫態(tài)相似度計(jì)算結(jié)果輸出綜合相似度最高的用電設(shè)備索引，即可實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷 類型與運(yùn)行狀態(tài)的在線辨識(shí)。
[0059] 根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明，其有益效果在于，本發(fā)明非侵入式負(fù)荷辨識(shí)終端采用集 成電路模塊化設(shè)計(jì)，模塊集成度較高，終端體積較小，安裝于用戶電能表箱，可以實(shí)現(xiàn)用戶 用電設(shè)備的遠(yuǎn)