非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測應(yīng)用基礎(chǔ)研究

非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測應(yīng)用基礎(chǔ)研究

0分布式監(jiān)測方案清潔、高效、易用、易用的能源能源已成為能源技術(shù)革命的中心，是各行業(yè)最重要的能源消耗形式。因此，節(jié)約能源和節(jié)能是減少節(jié)能和減少貧困的重要因素。隨著節(jié)能理念被越來越多的人所接受,人們節(jié)能意識的不斷增強(qiáng),電力節(jié)能技術(shù)的發(fā)展受到了廣泛的關(guān)注。居民家庭的用電監(jiān)測,就是在配電板及用電器等位置設(shè)置傳感器,通過無線通信、電力線載波或以太網(wǎng)等方式采集電力消耗量,并實(shí)時(shí)顯示給用戶,是家庭能源管理系統(tǒng)(HomeEnergyManagementSystem,HEMS)的普遍形式?，F(xiàn)有的用電監(jiān)測系統(tǒng)在功能上主要分為兩類:一類是只能顯示整個(gè)家庭的用電量,而不能顯示具體電器的用電消耗量,這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低且易于實(shí)現(xiàn),但顯示信息單一,不能指導(dǎo)用戶采取具體的節(jié)能措施;另一類是采用分立式傳感器監(jiān)測電器,不僅能顯示整個(gè)家庭的用電量,也能顯示具體電器的用電量和用電時(shí)間等,它能夠設(shè)置每個(gè)電器的用電水平,并規(guī)劃和指導(dǎo)用戶采取具體的節(jié)能措施,這類系統(tǒng)是用電監(jiān)測服務(wù)產(chǎn)品未來的發(fā)展方向。但是采用分立傳感器造成系統(tǒng)硬件成本高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不便于用戶維護(hù),不利于技術(shù)產(chǎn)品的市場推廣和應(yīng)用。非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)(Non-IntrusiveLoadMonitoring,NILM)有望解決這一難題。NILM通過在配電板處安裝集中式監(jiān)測裝置,利用居民負(fù)荷特性來識別并細(xì)化每個(gè)電氣設(shè)備的操作信息和用電消耗量,實(shí)現(xiàn)集中式監(jiān)測方案,具有現(xiàn)有兩類監(jiān)測方案的優(yōu)點(diǎn),即采用集中式傳感器降低硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜度,且結(jié)合智能負(fù)荷識別技術(shù),能將總用電信息細(xì)化至每個(gè)電器級別,指導(dǎo)用戶用電,達(dá)到削峰填谷和節(jié)能減耗的目的。實(shí)現(xiàn)居民用電的集中式監(jiān)測方案需要三部分工作內(nèi)容:1)建立非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測體系;2)負(fù)荷特性研究,負(fù)荷特性是用電設(shè)備耗電時(shí)特有的電氣特征,主要包括用電設(shè)備的電流、有功和無功、諧波、瞬時(shí)功率、開關(guān)暫態(tài)、V-I曲線等特性;3)負(fù)荷識別算法研究。負(fù)荷特性研究作為實(shí)現(xiàn)非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵,決定了居民用電的集中式監(jiān)測方案的可行性與準(zhǔn)確性。本文第二部分建立了非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測體系,詳細(xì)闡述了非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)原理,并基于負(fù)荷特性數(shù)據(jù)庫提出負(fù)荷識別算法的實(shí)現(xiàn)原理;第三部分對居民負(fù)荷特性進(jìn)行深入研究,并基于實(shí)測波形提取了典型電器的多個(gè)微觀特征參數(shù),如波峰系數(shù)、瞬時(shí)功率峰值和有效值、V-I特性曲線面積及中心線斜率等。為后續(xù)的基于非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測的用電可視化服務(wù)研究工作打下基礎(chǔ)。1技術(shù)應(yīng)用模式分析相較于傳統(tǒng)的負(fù)荷監(jiān)測方法,非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下:(1)便于安裝維護(hù),NILM只需要在電力入口處安裝表計(jì)即可;(2)便于數(shù)據(jù)采集,NILM不需要侵入系統(tǒng)就可以方便地采集到系統(tǒng)內(nèi)任一負(fù)荷的有用信息;(3)便于數(shù)據(jù)分析,NILM可以在主站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)是未來負(fù)荷監(jiān)測的一個(gè)重要發(fā)展方向,并且隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,會衍生出更多的作用和功能,開發(fā)出其他創(chuàng)新性的產(chǎn)品和服務(wù),如負(fù)荷的分類與識別、監(jiān)測重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等,其應(yīng)用體系如圖1所示。本模塊采集居民進(jìn)線端節(jié)點(diǎn)下所有負(fù)荷總的電壓電流信息,采樣頻率為2000Hz。2)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊本模塊主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,為后續(xù)工作中數(shù)據(jù)的應(yīng)用降低計(jì)算量,處理工作主要有電壓電流相位調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)歸一化處理、濾波等。3)事件檢測及記錄模塊本模塊監(jiān)測居民中是否有家用電器狀態(tài)發(fā)生改變(如設(shè)備的開啟與關(guān)斷等),當(dāng)檢測到有事件發(fā)生則繼續(xù)下一步,若沒有則繼續(xù)監(jiān)測直到有事件發(fā)生。4)負(fù)荷特性提取模塊本模塊是在已檢測到有事件發(fā)生的條件下對采集到的電量信息進(jìn)行負(fù)荷特性的提取,其提取的負(fù)荷特性主要有PQ、諧波特性、V-I特性等。5)負(fù)荷識別模塊本模塊在有事件發(fā)生的條件下,依據(jù)采集的電壓電流信息計(jì)算提取負(fù)荷特性與已經(jīng)建立的各用電設(shè)備的負(fù)荷特性數(shù)據(jù)庫對負(fù)荷進(jìn)行識別,識別出是哪一負(fù)荷狀態(tài)發(fā)生改變,及改變的狀態(tài)。實(shí)測數(shù)據(jù)獲得的特征矩陣為所求狀態(tài)相量為函數(shù)描述為其中:Ψ為進(jìn)線端節(jié)點(diǎn)下所有電器設(shè)備的負(fù)荷特性矩陣;fi,j為設(shè)備i的j負(fù)荷特性值;M為數(shù)據(jù)庫中負(fù)荷特性的種類數(shù);P為進(jìn)行端節(jié)點(diǎn)下所有電器設(shè)備數(shù);Y為基于實(shí)測數(shù)據(jù)提取出的各負(fù)荷特性值;為負(fù)荷的狀態(tài)向量(0表示關(guān)斷狀態(tài),1表示開狀態(tài));函數(shù)的功能是求解實(shí)測數(shù)據(jù)與已知負(fù)荷特性數(shù)據(jù)庫在負(fù)荷特性j下的最小差值的狀態(tài)向量上述問題可以轉(zhuǎn)化為求解最小二乘問題,可以參照文獻(xiàn)采用的基于優(yōu)化最小二乘支持向量機(jī)進(jìn)行求解或采用智能算法進(jìn)行直接求解,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。6)識別結(jié)果本模塊主要是對識別結(jié)果的存儲記錄模塊,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)負(fù)荷識別的應(yīng)用服務(wù)或者開發(fā)其他創(chuàng)新性產(chǎn)品。7)結(jié)果應(yīng)用模塊本模塊是對非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用模塊,如用電可視化服務(wù)、用電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)等。其實(shí)際應(yīng)用意義重大,以用電可視化服務(wù)為例,本服務(wù)可以將總的用電量細(xì)分到各個(gè)電器上,實(shí)現(xiàn)各電器設(shè)備的用電明細(xì)化,對用戶節(jié)能起指導(dǎo)意義。8)各電器設(shè)備負(fù)荷特性數(shù)據(jù)庫本模塊是非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測應(yīng)用的基礎(chǔ)及關(guān)鍵,從負(fù)荷識別算法中也可以看出,負(fù)荷識別是以負(fù)荷特性為基礎(chǔ)進(jìn)行識別的,本模塊也是決定整個(gè)體系精確的一個(gè)關(guān)鍵因素,因此需要對各負(fù)荷特性進(jìn)行深入研究。2家電等基本情況的調(diào)查與分析居民家庭中電器種類繁多,本文挑選居民中常見且典型的電器進(jìn)行負(fù)荷特性的深入研究。根據(jù)文獻(xiàn)中一項(xiàng)對歐洲12國家的家用電器擁有情況及使用模式的調(diào)查顯示,冰箱、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電視、DVD、電腦等電器的家庭占有率比較高。結(jié)合我國實(shí)際情況,根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》中涉及到的針對北京各類型近千戶住宅基本情況及行為模式的調(diào)研結(jié)果,統(tǒng)計(jì)得到各主要家用電器的住戶擁有率如圖2所示。由以上調(diào)研結(jié)果的分析,并考慮到居民中普遍存在但沒有統(tǒng)計(jì)進(jìn)入圖2的用電設(shè)備及用電設(shè)備的耗電量大小、家用電器使用頻率等因素,確定本研究的主要對象為:空調(diào)、電冰箱、洗衣機(jī)、熱水器、電視機(jī)、臺式機(jī)、筆記本電腦、飲水機(jī)、微波爐、電加熱、電磁爐、熒光燈。選取的電器設(shè)備信息如表1所示。2.1繼電器電流波形的均方根值、幅值和波峰系數(shù)對以上研究范圍內(nèi)的典型居民電器,對其電流進(jìn)行實(shí)測研究。記錄電器正常工作狀態(tài)電流的變化情況。電力測量儀器采用日置8860記錄儀,采樣周期為2000Hz。實(shí)測結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出不同電器的電流波形存在明顯差異。電加熱器、熱水器、飲水機(jī)是線性負(fù)荷,其電流近似正弦波,但幅值不同。電冰箱、電磁爐、空調(diào)、洗衣機(jī)近似線性負(fù)荷,其電流相差較大;熒光燈、電視機(jī)、筆記本、微波爐、臺式機(jī)為非線性負(fù)荷,其中熒光燈、電視機(jī)、筆記本、臺式機(jī)電流畸變嚴(yán)重,不同的用電設(shè)備電流曲線差異明顯。為反映各用電器電流波形的差異,計(jì)算提取出各個(gè)電器的電流波形的均方根值、幅值和波峰系數(shù),其計(jì)算公式如下。提取出電流曲線特性的特征值如表2所示。由表2可以看出,對于線性負(fù)荷其波峰系數(shù)接近1.4,非線性程度越大,波峰系數(shù)越大,熒光燈、電視機(jī)、臺式機(jī)依據(jù)波峰系數(shù)參數(shù)易于識別;不同的電器其峰值不同,電磁爐、熱水器、電加熱與微波爐依據(jù)幅值易于識別;熱水器與微波爐依據(jù)均方根易于識別。若依據(jù)三個(gè)參數(shù)組合進(jìn)行負(fù)荷識別,各用電器的特征參數(shù)差異明顯,在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷識別。2.2用電設(shè)備各次諧波幅值對比不同的用電設(shè)備非線性程度不同,諧波含量不同,電流的畸變程度越厲害,其諧波含量越豐富。諧波含量分析是反映設(shè)備非線性的一個(gè)重要指標(biāo),因此采用文獻(xiàn)中諧波計(jì)算方法對各設(shè)備的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換分析,其諧波含量對比如圖4、圖5所示,其中設(shè)備順序見圖中THD表示順序。由圖4、圖5可以看出,不同的用電設(shè)備其諧波含量不同,熒光燈、電視機(jī)、筆記本、臺式機(jī)諧波含量豐富,電流畸變程度厲害,以3次諧波、5次諧波、7次諧波為主;不同的設(shè)備各次諧波幅值相差較大,微波爐3次諧波幅值達(dá)到4A,空調(diào)電流中2次諧波幅值較大?；谏鲜龇治?提取各次諧波的幅值及THD作為諧波特性的特征。2.3功能定位與諧波次數(shù)有功功率和無功功率是描述用電設(shè)備耗電特性的最常用的指標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)所定義的有功功率及無功功率的求解算法,計(jì)算公式如下。其中:U和I為用電設(shè)備工作時(shí)電壓與電流的有效值;Φ為用電設(shè)備正常工作時(shí)功率因數(shù)角;k為諧波次數(shù)。依據(jù)文獻(xiàn)以上所述設(shè)備的有功無功功率如圖6所示。各次諧波有功功率(去除基波有功功率)如圖7所示。各次諧波無功功率(去除基波無功功率)如圖8所示。圖6中數(shù)字對應(yīng)用電設(shè)備的標(biāo)號,對應(yīng)關(guān)系如表3所示。由圖6可以看出對于大功率設(shè)備在PQ圖上差別明顯,易于識別;而熒光燈等設(shè)備由于功率較小,因此在PQ圖上較近,PQ特性相似性高。由圖7、圖8可以看出,電磁爐與微波爐2次諧波有功、無功功率較大,且微波爐3次、5次諧波有功、無功功率也較大;空調(diào)、洗衣機(jī)3次諧波無功功率也較明顯?；谏鲜龇治?提取PQ、直流分量、2次、3次、4次、5次、6次及7次諧波功率作為PQ特性的特征值。2.4圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)瞬時(shí)功率波形定義為電壓與電流的乘積,如下式所示。本文選取用電設(shè)備正常工作時(shí)一個(gè)周期內(nèi)的電壓電流數(shù)據(jù),計(jì)算繪制出各設(shè)備的瞬時(shí)功率波形,如圖9所示。由圖9可以看出不同用電設(shè)備的瞬時(shí)功率波形相差較大,各用電設(shè)備在一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率波形幅值不同,且相差較大?；谏鲜龇治?計(jì)算瞬時(shí)功率波形的幅值,雙峰面積作為瞬時(shí)功率波形的特征,計(jì)算公式如下所示。提取瞬時(shí)功率波形特征值數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可以看出,各設(shè)備瞬時(shí)功率曲線的幅值特征明顯,熱水器幅值高達(dá)4218.5VA,熒光燈幅值為58.3VA,數(shù)值間差異巨大,易于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷識別。2.5設(shè)備運(yùn)行特性對于電動機(jī)負(fù)載,如空調(diào)、洗衣機(jī)等,其電流波形具有紋波特性。為了捕捉到它們的動態(tài)特性,提取設(shè)備運(yùn)行時(shí)電流的包絡(luò)線來反映設(shè)備的運(yùn)行特性,如圖10所示。由圖10可以看出,不同的設(shè)備其電流包絡(luò)線完全不同,電視機(jī)、空調(diào)、微波爐、洗衣機(jī)洗狀態(tài)啟動時(shí)有短時(shí)的脈沖電流;空調(diào)、洗衣機(jī)具有明顯的波紋;電磁爐、洗衣機(jī)甩狀態(tài)、空調(diào)等設(shè)備由關(guān)到開啟再到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長。選取電流包絡(luò)線的脈沖電流幅值(取絕對值),穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)平均值及開啟時(shí)階躍高度作為電流包絡(luò)線的特征值。2.6v-i曲線特征點(diǎn)提取以一個(gè)周期(20ms)內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)作為橫坐標(biāo),電流數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)繪制V-I曲線,V-I曲線可以從圖形角度反映出設(shè)備諧波含量的高低,對于電阻負(fù)載其V-I圖形是一條直線;感性容性負(fù)載其V-I曲線是一個(gè)橢圓;若只對3次諧波電流繪制V-I曲線其必有兩個(gè)交點(diǎn)。因此V-I曲線可以從圖形角度反映出電流中所含諧波成分的高低,若繪制的V-I曲線有交點(diǎn)其諧波含量必然很高;若圖形與橢圓形狀相差很大,則其諧波含量必然很高。繪制各電器設(shè)備的V-I曲線,如圖11所示。由圖11可以看出不同設(shè)備的V-I曲線相差明顯,空調(diào)、微波爐、洗衣機(jī)、微波爐電器,其V-I曲線具有交點(diǎn);各電器V-I曲線的面積各不相同;各電器V-I曲線中心線傾斜角不同。計(jì)算提取V-I曲線的中心線斜率、封閉區(qū)域面積、交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)作為V-I曲線的特征點(diǎn),如表5所示。其中心線定義如圖12所示。由表5可以看出,依據(jù)V-I曲線是否有交點(diǎn)可以將電視機(jī)、空調(diào)、微波爐和臺式機(jī)與其他電器設(shè)備區(qū)分開,再結(jié)合區(qū)域面積或斜率特征可以將各個(gè)電器設(shè)備識別出。2.7線性負(fù)載電流啟動各電器開啟到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間有所差異,開啟時(shí)電流的變化形式各不相同,對于電阻負(fù)載直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài),對于非線性負(fù)載電流啟動時(shí)會有脈沖電流。各設(shè)備的開關(guān)暫態(tài)波形如圖13所示。由圖13可以看出熱水器、飲水機(jī)、電磁爐等設(shè)備其過程短暫;電視機(jī)、微波爐等所需時(shí)間較長;開啟過程伴隨有脈沖電流出現(xiàn);洗衣機(jī)電視機(jī)用電電器伴隨有衰減電流。基于上述分析選取脈沖電流和暫態(tài)過渡時(shí)間作為開關(guān)暫態(tài)特性的特征值,如表6所示。2.8負(fù)荷識別算法的可行性本節(jié)對居民負(fù)荷用電特性進(jìn)行了詳細(xì)分析,從各負(fù)荷微觀特性上的差異可以看出負(fù)荷識別在技術(shù)上是可行的,并給出了各負(fù)荷特征值的計(jì)算方法,為后續(xù)工作中對負(fù)荷識別算法實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。3負(fù)荷特性分析及u3000結(jié)語本文首先建立了非干預(yù)式負(fù)荷監(jiān)測體系結(jié)構(gòu),對各模塊實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行詳細(xì)闡述,并基于負(fù)荷特性數(shù)據(jù)庫提出負(fù)荷識別算法的實(shí)現(xiàn)原理;其次對居民家庭中常見負(fù)荷的7種負(fù)荷特性(諧波特性、PQ特性、V-I特性、瞬時(shí)功率特性等)進(jìn)行詳細(xì)分析,結(jié)果表明各電器設(shè)備的各負(fù)荷特