CN106443164A - 一种电能分类计量过程中暂态与稳态事件的监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能分类计量过程中暂态与稳态事件的监测方法，适用于非侵入式负荷电能监测系统；准确监测暂态事件和稳态事件的起点，解决分类计量系统的识别精度、运算速度与管理效率等问题。本发明采用数据采集设备与虚拟仪器设计平台，采集用户侧的电压、电流信号，并计算功率值，形成功率序列。对采集的数据进行量化与中值滤波预处理，减轻尖峰噪声与孤立噪声点对暂态与稳态事件起点测量的影响。随后通过暂态事件起点计算方法求得暂态事件起点，通过稳态事件起点计算方法求得稳态事件起点，以判断负荷的运行状态。本发明具有精度高、易实现等特点，可用于智能电网的高级量测体系、电能需求侧管理等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能分类计量过程中暂态与稳态事件的监测方法，特别适用于非侵入式负荷电能监测系统，属于电能计量、数字信号处理领域。
背景技术
电力负荷监测技术在电力系统中意义重大。它有利于改善负荷组成，引导用户合理消费，降低用电成本，同时还对国家电力资源的优化配置起到积极的作用。根据监测模块安装的位置不同，电力负荷监测方法可以分为侵入式和非侵入式两类。非侵入式负荷监测(NILM)最早由Hart提出，通过在用户用电的入口端安装监测设备，或将监测模块集成于电能表中，得到用户家中每类设备(负荷)消耗的电能，使用户获得类似于话费清单的电费分类计量清单。非侵入式负荷监测系统无需安装大量监测设备，就可进行能源监测、故障监测、故障分析等多种类型的电能质量控制分析。非侵入式负荷监测的技术思想是对监测信号按负荷特征进行分解，得到不同负荷的信号，并加以分析判断。研究者提出众多理论：负荷特征从功率发展到谐波，监测数据的采样率从低频发展到高频，采用的算法从监督式发展到非监督式。虽然关于电能计量的非侵入式负荷分解算法众多，如Cusum算法、Lasso特征选择算法、改进的Viterbi算法等，但是能否准确地获得负荷的暂态和稳态时刻仍是信号分解的关键。目前的非侵入式负荷分解事件起点监测多局限于暂态事件，尚未有涉及同时监测暂态事件和稳态事件起点的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电能分类计量过程中暂态与稳态事件的监测方法，准确监测非侵入式负荷分解系统下暂态事件和稳态事件的起点，解决分类计量系统的识别精度、运算速度与管理效率等问题。
本发明是这样实现的：
所述方法包括：
利用数据采集设备，选择恒定的采样频率，采集一段时间内需求侧的电压、电流信号并传输至计算机；计算功率值，按采样先后顺序排列，得到功率序列power；
计算功率序列的0.5百分位数，作为阈值th；
根据公式计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表示序列元素位置编号，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；
判断功率差分序列power_diff中的每一项绝对值是否超过阈值th，超过阈值th的点作为一个变点并记录，按照功率差分序列power_diff中对应元素的顺序排列，形成变点序列power_diff_position；
根据变点序列power_diff_position，通过暂态事件起点计算方法求得暂态事件起点序列T_start；
根据功率序列power与暂态事件起点序列T_start，通过稳态事件起点计算方法求得稳态事件起点序列S_start。
所述暂态事件起点计算方法包括：
A：计算变点序列power_diff_position的长度N；
B：定义循环参数K、K1、K2，且K、K1、K2初始值均置1，其中K表示为第一外部累加量，K1表示为连续量的长度，K2表示为暂态事件起点对应于暂态事件起点序列T_start中的位置编号；
C：判断K是否小于等于N，若否即结束计算过程；若是，执行步骤D；
D：检验K1是否小于等于20，若是，执行步骤E；
E：判断变点序列power_diff_position中第K+K1位的值是否大于变点序列power_diff_position中第K位的值加上K1，若否，则K1的值增加1，随后返回步骤D；若是，执行步骤F；
F：将K2的值增加1，将变点序列power_diff_position中第K+K1位的值作为暂态事件起点序列T_start中第K2位的值；
G：将K的值增加K1，随后将K1的值置1，并返回步骤C。
所述稳态事件起点计算方法包括：
H：定义循环参数J1、J2、J3，且J1、J2、J3初始值均置1，其中J1表示为第二外部累加量，J2表示为稳态事件起点对应于稳态事件起点序列S_start中的位置编号，J3表示为计算功率稳定点的内部累加量；计算暂态事件起点序列T_start的长度N1，并将暂态事件起点序列T_start中第1位的值作为稳态事件起点序列S_start中第1位的值；
I：判断J1是否小于等于N1减去1，若否即结束计算过程；若是，执行步骤J；
J：判断暂态事件起点序列T_start中第J1+1位减去第J1位的值是否小于20，若是，执行步骤K；若否，执行步骤L；
K：将J2的值增加1，并将暂态事件起点序列T_start中第J1-1位的值作为稳态事件起点序列S_start中第J2位的值，随后将J1的值增加1，并返回步骤I；
L：检验J3是否小于等于暂态事件起点序列T_start中第J1+1位的值；若是，执行步骤M；
M：计算功率序列power中第J3位至第J3+5位的平均功率，记为mean(power(J3:J3+5))；计算功率序列power中第J3+5位的值的0.9倍，记为0.9power(J3+5)；计算功率序列power中第J3+5位的值的1.1倍，记为1.1power(J3+5)；判断平均功率mean(power(J3:J3+5))是否大于等于0.9power(J3+5)，且同时小于等于1.1power(J3+5)，若否，则J3的值增加1，随后返回步骤L；若是，执行步骤N；
N：将J2的值增加1，把J3的值作为稳态事件起点序列S_start中第J2位的值，随后将J1的值增加1，并返回步骤I。
所述得到功率序列power后，对所述功率序列power内每一个功率点根据以下公式进行量化处理：其中power_floor(i)表示第i个点量化后的功率值，Δx表示量化值；floor表示向下取整函数，用于取不大于自变量的最大整数；power(i)表示功率序列中的第i个点。
所述得到功率序列power后，对所述功率序列power内每一个功率点根据以下方法进行中值滤波处理：依次序从所述功率序列power内选定第i个功率点，以该点为中心在所述功率序列power内选取一个长度为2k+1的邻域，k为非负整数，根据以下公式得到中值滤波后的第i个点的功率值：xi'＝median(xi-k,...,xi,...,xi+k)，其中xi表示所选取邻域的中心点的功率值，xi-k表示所选取邻域内第i-k个点的功率值，xi+k表示所选取邻域内第i+k个点的功率值；median表示中值函数，用于求得所选取邻域内功率点列xi-k,...,xi,...,xi+k的功率中值；xi'表示中值滤波后第i个点的功率值。
所述电压、电流信号的采集及其功率值的计算，通过数据采集系统与虚拟仪器设计平台实现。
所述功率序列power的量化，通过数据采集系统与虚拟仪器设计平台实现。
所述功率序列power的中值滤波，通过数据采集系统与虚拟仪器设计平台实现。
本发明提出了一种电能分类计量过程中监测暂态事件和稳态事件起点的方法，该方法可利用负荷的电压电流有效值及其有功功率准确识别负荷暂态事件起点和稳态事件起点，该方法提高了非侵入式负荷分解的准确性。该方法解决计量系统的识别精度、运算速度等问题，可以在智能电网的高级量测体系和需求侧管理中得到应用；伴随着智能电网技术的快速发展，本发明将会产生更为广阔的应用前景。
附图说明
图1是暂态事件起点计算方法的流程图；
图2是稳态事件起点计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
在非侵入式负荷监测到的数据中，会存在一些在某段时间常开(处于开路状态)的设备，其幅值变化始终为0，采用百分位数的计算方法来移除常开设备信号，通常设定百分位数为0.5。阈值被定义为功率序列的0.5百分位数，即排除常开设备的最小功率值。分位数定义如下：对0≤p＜1和容量为n的样本x1，x2，…，xn，它的p分位数是Mp＝x[np+1](np不是整数)或0.5(x(np)+x(np+1))(np为整数)，其中[np]表示np的整数部分。
在数据预处理过程中，量化一般采用均匀量化，是指把输入信号的取值域等间隔分割的量化，尽可能减轻尖峰噪声对测量的影响。中值滤波是通信技术中的一种手段：在量化后的功率序列power_floor中任意选取一个点，并以该点为中心选取一个窗口(邻域)，对该窗口内所有点按照功率值从小到大按次序排列，选取中间的值(中值)作为该点的值，从而消除孤立的噪声点。本发明既可以进行数据预处理，也可以不进行数据预处理直接进入暂态事件起点与稳态事件起点的计算；既可以只进行量化处理，也可以只进行中值滤波处理；当执行量化与中值滤波处理时，两种处理方法可以交换次序。
变点即为功率序列差分值超过阈值的点，大部分负荷的从投入到稳定运行的功率稳定点大概在2s内，由于采样间隔为1秒，因此对变点前后均值的判断选取20个点进行均值差值与阈值比较来进一步确认变点的存在具有合理性，此处的20也可换成其他数值。确定暂态事件起点后可以根据该起点进一步判断暂态事件的终点(稳态事件的起点)。由于不同的设备具有不同的暂态持续时间，且部分设备的暂态事件中存在相对稳定时刻。因此在进行暂态事件结束点判断时，将暂态过程分为以下两种：1.暂态持续时间短暂(20个点以内)；2.暂态持续时间较长(大于20个点)。在进行暂态事件结束点的判断时，由于1中情况下的持续时间过短，因此将变点的起点近似为稳态事件的起点，对2采用均值判断法进行暂态过程结束判断。电气设备稳态运行时的功率波动较小，因此可以将功率的均值特性作为衡量功率值是否达到稳态的特征量。可以进行变点所在的前后一些点的均值判断，进一步确认是否是存在真实变点。
本实施例由以下硬件组成：NI的数据采集DAQ设备：9178采集机箱、9225采集卡与9247采集卡，安装虚拟仪器设计平台LabVIEW的计算机。其中DAQ设备放置在非侵入式负荷监测位置，并与计算机相连，用以将采集到的电压电流等信号传输给计算机，然后通过LabVIEW进行信号分析与处理。检测过程开始后，9225采集卡每隔1秒对电压信号进行采集，并将数据传送给计算机；9247采集卡每隔1秒对电流信号进行采集，并将数据传送给计算机；LabVIEW通过获取的电压电流数据计算每个时间点的功率值，按顺序排列形成原始功率序列power_sec，并结合9178采集机箱进行数据预处理(量化与中值滤波)。根据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个点，power_floor(i)表示第i个点量化后的功率值，Δx表示量化值；floor表示向下取整函数，用于取不大于自变量的最大整数；power_sec(i)表示原始功率序列中的第i个点，量化后得到量化功率序列power_sec。为了进一步减少暂态过程和脉冲噪声并保留暂态过程的边缘细节，用中值滤波处理量化后的数据，基本原理是把数字信号(序列)中一点的值用该点的一个邻域内各点的中值代替。执行方法如下：依次序从量化功率序列power_sec内选定第i个功率点，并选取一个长度为2k+1的邻域(窗口)，k为非负整数，根据以下公式得到中值滤波后的功率值：xi'＝median(xi-k,...,xi,...,xi+k)，其中xi表示邻域中心点的功率值，median表示中值函数，用于得到所选定邻域中的功率点列xi-k,...,xi,...,xi+k的功率中值；xi'表示中值滤波后的功率值。对量化功率序列power_sec中值滤波后得到已处理功率序列power_median。在完成数字序列预处理后，通过LabVIEW先后完成暂态事件起点与稳态事件起点的计算。参照附图1，计算已处理功率序列power_median的0.5百分位数，作为阈值th。根据公式计算得到功率差分序列，其中power_diff表示功率差分序列，power_median表示已处理功率序列，i表示序列元素位置编号，power_diff(i)表示功率差分序列中第i位的值，power_median(i)表示已处理功率序列中第i位的值，power_median(i-1)表示已处理功率序列中第i-1位的值，power_diff(2)表示功率差分序列中第2位的值。执行步骤101，判断功率差分序列power_diff中的每一项绝对值是否超过阈值th，超过阈值th的点作为一个变点并记录，按照功率差分序列power_diff中对应元素的顺序排列，形成变点序列power_diff_position，并计算变点序列power_diff_position的长度N。执行步骤102，定义循环参数K、K1、K2，且K、K1、K2初始值均置1，其中K表示为第一外部累加量，K1表示为连续量的长度，K2表示为暂态事件起点对应于暂态事件起点序列T_start中的位置编号。执行步骤103，判断K是否满足小于等于N，若不满足即结束计算过程。执行步骤104，检验K1是否小于等于20；大部分负荷的从投入到稳定运行的功率稳定点大概在2s内，因此对选取变点后的20个点进行变点连续性判断具有合理性和适用性，并且K1总是满足小于等于20。执行步骤105，判断变点序列power_diff_position中第K+K1位的值是否大于K1加上变点序列power_diff_position中第K位的值，若不满足，则K1的值增加1，随后返回步骤104。执行步骤106，将K2的值增加1，将变点序列power_diff_position中第K+K1位的值作为暂态事件起点序列T_start中第K2位的值。执行步骤107，将K的值增加K1，随后将K1的值置1，并返回步骤103。待该计算方法执行结束，得到暂态事件起点序列T_start，也就得到了测量过程中所有的暂态事件起点。随后计算稳态事件起点，参照附图2，执行步骤201，定义循环参数J1、J2、J3，且J1、J2、J3初始值均置1，其中J1表示为第二外部累加量，J2表示为稳态事件起点对应于稳态事件起点序列S_start中的位置编号，J3表示为计算功率稳定点的内部累加量；计算暂态事件起点序列T_start的长度N1，并将暂态事件起点序列T_start中第1位的值作为稳态事件起点序列S_start中第1位的值。执行步骤202，判断J1是否满足小于等于N1减去1，若不满足即结束计算过程。执行步骤203，判断暂态事件起点序列T_start中第J1+1位减去第J1位的值是否小于20，如果满足，执行步骤204；若不满足，执行步骤205。执行步骤204，将J2的值增加1，并将暂态事件起点序列T_start中第J1-1位的值作为稳态事件起点序列S_start中第J2位的值，随后将J1的值增加1，并返回步骤202。执行步骤205，检验J3是否小于等于暂态事件起点序列T_start中第J1+1位的值，根据定义，这一条件始终满足。执行步骤206，计算原始功率序列power_sec中第J3位至第J3+5位的平均功率，记为mean(power_sec(J3:J3+5))；计算原始功率序列power_sec中第J3+5位的值的0.9倍，记为0.9power_sec(J3+5)；计算原始功率序列power_sec中第J3+5位的值的1.1倍，记为1.1power_sec(J3+5)；判断平均功率mean(power_sec(J3:J3+5))是否满足大于等于0.9power_sec(J3+5)，且同时小于等于1.1power_sec(J3+5)，若不满足，则J3的值增加1，随后返回步骤205；补充说明：由于在设备由开启或关闭到稳态运行的过程中，功率波动会变小；因此计算从暂态事件起点开始后的5个点的功率均值mean(power_sec(T_start(i):T_start(i)+5))是否在暂态事件起点对应的范围内——0.9power_sec(T_start(i))～1.1power_sec(T_start(i))，如果该点满足条件，那么该点算作稳态事件起点；否则，将T_start(i)和均值计算采用的起点后移1位，直至满足要求。执行步骤207，将J2的值增加1，把J3的值作为稳态事件起点序列S_start中第J2位的值，随后将J1的值增加1，并返回步骤202。待该计算方法执行结束，得到稳态事件起点序列S_start，也就得到了测量过程中所有的稳态事件起点。
本发明的技术效果在于：在暂态事件与稳态事件起点前，先对样本数据进行预处理，包括量化与中值滤波；其中量化将减少脉冲噪声对暂态起点检测的干扰，中值滤波消除数字信号(序列)中孤立的噪声点、平滑暂态事件的改变量。采用数据采集芯片与虚拟仪器设计平台，有效提高工作效率，保证了检测数据的准确可靠；具有操作简单、便于配置等优点；通过非侵入式负荷技术，同时检测负荷的暂态事件与稳态事件，具有较高的可信度。可用于电能计量、数字信号处理等领域，具有良好的经济和社会效益。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种电能分类计量过程中暂态与稳态事件的监测方法，其特征在于，所述方法包括：
利用数据采集设备，选择恒定的采样频率，采集一段时间内需求侧的电压、电流信号并传输至计算机；计算功率值，按采样先后顺序排列，得到功率序列power；
计算功率序列的0.5百分位数，作为阈值th；
根据公式计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表示序列元素位置编号，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；
判断功率差分序列power_diff中的每一项绝对值是否超过阈值th，超过阈值th的点作为一个变点并记录，按照功率差分序列power_diff中对应元素的顺序排列，形成变点序列power_diff_position；
根据变点序列power_diff_position，通过暂态事件起点计算方法求得暂态事件起点序列T_start；
根据功率序列power与暂态事件起点序列T_start，通过稳态事件起点计算方法求得稳态事件起点序列S_start。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述暂态事件起点计算方法包括：
A：计算变点序列power_diff_position的长度N；
B：定义循环参数K、K1、K2，且K、K1、K2初始值均置1，其中K表示为第一外部累加量，K1表示为连续量的长度，K2表示为暂态事件起点对应于暂态事件起点序列T_start中的位置编号；
C：判断K是否小于等于N，若否即结束计算过程；若是，执行步骤D；
D：检验K1是否小于等于20，若是，执行步骤E；
E：判断变点序列power_diff_position中第K+K1位的值是否大于变点序列power_diff_position中第K位的值加上K1，若否，则K1的值增加1，随后返回步骤D；若是，执行步骤F；
F：将K2的值增加1，将变点序列power_diff_position中第K+K1位的值作为暂态事件起点序列T_start中第K2位的值；
G：将K的值增加K1，随后将K1的值置1，并返回步骤C。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳态事件起点计算方法包括：
H：定义循环参数J1、J2、J3，且J1、J2、J3初始值均置1，其中J1表示为第二外部累加量，J2表示为稳态事件起点对应于稳态事件起点序列S_start中的位置编号，J3表示为计算功率稳定点的内部累加量；计算暂态事件起点序列T_start的长度N1，并将暂态事件起点序列T_start中第1位的值作为稳态事件起点序列S_start中第1位的值；
I：判断J1是否小于等于N1减去1，若否即结束计算过程；若是，执行步骤J；
J：判断暂态事件起点序列T_start中第J1+1位减去第J1位的值是否小于20，若是，执行步骤K；若否，执行步骤L；
K：将J2的值增加1，并将暂态事件起点序列T_start中第J1-1位的值作为稳态事件起点序列S_start中第J2位的值，随后将J1的值增加1，并返回步骤I；
L：检验J3是否小于等于暂态事件起点序列T_start中第J1+1位的值；若是，执行步骤M；
M：计算功率序列power中第J3位至第J3+5位的平均功率，记为mean(power(J3:J3+5))；计算功率序列power中第J3+5位的值的0.9倍，记为0.9power(J3+5)；计算功率序列power中第J3+5位的值的1.1倍，记为1.1power(J3+5)；判断平均功率mean(power(J3:J3+5))是否大于等于0.9power(J3+5)，且同时小于等于1.1power(J3+5)，若否，则J3的值增加1，随后返回步骤L；若是，执行步骤N；
N：将J2的值增加1，把J3的值作为稳态事件起点序列S_start中第J2位的值，随后将J1的值增加1，并返回步骤I。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到功率序列power后，对所述功率序列power内每一个功率点根据以下公式进行量化处理：其中power_floor(i)表示第i个点量化后的功率值，Δx表示量化值；floor表示向下取整函数，用于取不大于自变量的最大整数；power(i)表示功率序列中的第i个点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到功率序列power后，对所述功率序列power内每一个功率点根据以下方法进行中值滤波处理：依次序从所述功率序列power内选定第i个功率点，以该点为中心在所述功率序列power内选取一个长度为2k+1的邻域，k为非负整数，根据以下公式得到中值滤波后的第i个点的功率值：xi'＝median(xi-k,...,xi,...,xi+k)，其中xi表示所选取邻域的中心点的功率值，xi-k表示所选取邻域内第i-k个点的功率值，xi+k表示所选取邻域内第i+k个点的功率值；median表示中值函数，用于求得所选取邻域内功率点列xi-k,...,xi,...,xi+k的功率中值；xi'表示中值滤波后第i个点的功率值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压、电流信号的采集及其功率值的计算，通过数据采集系统与虚拟仪器设计平台实现。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述功率序列power的量化，通过数据采集系统与虚拟仪器设计平台实现。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述功率序列power的中值滤波，通过数据采集系统与虚拟仪器设计平台实现。
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