CN106532719B - 基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法 - Google Patents

基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，包括以下步骤：一：对户内电网的总电源进线的电压和电流进行采样形成电压采样序列和电流采样序列；二：设定时间窗口；依据电压采样序列和电流采样序列，计算总电源进线处与所述时间窗口对应的实时平均无功功率和电流的二次谐波，用于构成实时平均无功功率序列和电流的二次谐波序列；三：根据实时平均无功功率序列和电流的二次谐波序列判断户内电网中是否有非变频空调启动或退出，若没有则返回步骤二。本发明基于电流二次谐波和无功而对非变频空调的启动和退出进行快速、准确的非侵入式辨识，具有简单、经济、易于推广应用等优点。

Description

基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法
技术领域
本发明属于智能用电技术领域，涉及一种针对非变频空调的非入侵式辨识方法。
背景技术
居民电力负荷监测分解技术是一门新兴的智能电网基础支撑技术，与目前智能电表仅量测用户总功率不同，它以监测并分解出居民户内所有电器的启动时间、工作状态、能耗情况为目标，从而实现更加可靠、精确的电能量管理。电力负荷监测分解技术使用户的电费清单像电话费清单一样，各类家用电器的用电量一目了然，从而使用户及时了解自己的用电情况，为合理分配各个电器的用电时间及相应的用电量提供参考，最终能够有效减少电费支出和电能浪费。Google统计数据显示，如果家庭用户能够及时了解住宅电器的详细用电信息，就能使每月电费开支下降5％～15％；如果全美国有一半家庭每个月节省这么多开支，减少的碳排放量相当于减少800万辆汽车的使用。对于工业用户而言，其负荷投切安排一般是比较固定的，只需分时计量即可，对负荷分解的需求较少，因此电力负荷监测分解的主要研究对象是住宅用电负荷。
目前，居民电力负荷监测分解技术主要分为侵入式监测分解(Intrusive LoadMonitoring and decomposition，ILMD)和非侵入式监测分解(Non-intrusive LoadMonitoring and decomposition，NILMD)两大类：
(1)侵入式负荷监测分解技术(ILMD)：侵入式负荷监测将带有数字通信功能的传感器安装在每个电器与电网的接口，可以准确监测每个负荷的运行状态和功率消耗。但大量安装监测传感器造成建设和维护的成本较高，最重要的是侵入式负荷监测需要进入居民家中进行安装调试，容易造成用户抵制心理；
(2)非侵入式负荷监测分解技术(NILMD)：)非侵入式负荷监测仅在用户入口处安装一个传感器，通过采集和分析入口总电流、电压等信息来判断户内每个或每类电器的用电功率和工作状态(例如，空调具有制冷、制热、待机等不同工作状态)，从而得出居民的用电规律。和侵入式负荷分解相比，由于只需要安装一个监测传感器，非侵入负荷分解方案的建设成本和后期维护难度都大幅降低；另外，传感器安装位置可以选择在用户电表箱处，完全不会侵入居民户内进行施工。可以认为，NILMD以分解算法代替ILMD系统的传感器网络，具有简单、经济、可靠、数据完整和易于迅速推广应用等优势，有望发展成为高级量测体系(AMI)中新一代核心技术(成熟后，NILMD算法也可以融合到智能电表的芯片内)，支持需求侧管理、定制电力等智能用电的高级功能，也适用于临时性的负荷用电细节监测与调查。
随着空调负荷的比例和影响日益增大，其特性对电网的电压稳定性影响也随之增大。现有的研究、文献已经对空调负荷的模型和运行特性进行了研究，指出了空调类负荷对电压和系统稳定具有较大的影响，但尚无文献提出一种准确、有效、快速辨识非变频空调的运行方法。
综上所述，NILMD技术已经逐渐成为一个研究热点，相关技术的突破和产业化对全社会的节能减排具有重要意义。目前，NILMD技术的研究还停留在理论研究阶段，对非变频空调的分解辨识方法等关键技术还有待突破。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够快速、有效地对非变频空调的启动和退出状态进行辨识的非侵入式辨识方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，用于以非侵入方式辨识出户内电网中是否有非变频空调启动或退出，所述基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法包括以下步骤：
步骤一：按照设定的采样频率fs对所述户内电网的总电源进线的电压和电流进行采样，分别形成电压采样序列u和电流采样序列i；
步骤二：设定时间窗口；依据所述电压采样序列u和所述电流采样序列i中与所述时间窗口所对应的部分，计算所述总电源进线处与所述时间窗口对应的实时平均无功功率值Qk和电流的二次谐波值i2k，所述实时平均无功功率值Qk和所述电流的二次谐波值i2k分别为构成实时平均无功功率序列Q和电流的二次谐波序列i2的元素；k对应于本次采用的时间窗口的编号；
步骤三：根据所述实时平均无功功率序列Q和电流的二次谐波序列i2判断所述户内电网中是否有非变频空调启动或退出，若没有非变频空调启动或退出则返回步骤二。
所述步骤三中，若所述实时平均无功功率序列Q中与所述时间窗口对应的无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之差大于或等于设定的启动功率阈值，且所述二次谐波序列i2中与所述时间窗口对应的二次谐波值i2k与其前一个二次谐波值i2k-1之差大于或等于设定的启动谐波阈值，则判断所述户内电网中有非变频空调启动；若所述实时平均无功功率序列Q中与所述时间窗口对应的无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之差小于设定的退出功率阈值，且所述二次谐波序列i2中与所述时间窗口对应的二次谐波值i2k与其前一个二次谐波值i2k-1之差小于设定的退出谐波阈值，则判断所述户内电网中有非变频空调退出。
优选的，所述启动功率阈值中的数值与所述退出功率阈值中的数值互为相反数；所述启动谐波阈值中的数值与所述退出谐波阈值中的数值互为相反数。
优选的，所述启动功率阈值设定为100Var，所述启动谐波阈值设定为0.5A；所述退出功率阈值设定为-100Var，所述退出谐波阈值设定为-0.5A。
所述步骤一中，所述采样频率的取值范围为0.5kHz-2kHz。
所述步骤二中，所述实时平均无功功率值Qk的计算方法为：
其中，m为所述时间窗口内所含工频周期数，n为所述时间窗口内首个进行采样的采样点编号，N为一个工频周期包含的采样点数目；
所述电流的二次谐波值i2k的计算方法为：
Fi[:]＝FFT(i[:])
fi(j)＝(j-1)*fs/Ns
i2k＝Fi(2*50*Ns/fs+1)
其中，FFT表示快速傅里叶变换运算，Ns为参与本次快速傅里叶变换运算的电流采样序列i中的样本数量，i[:]为维度是Ns的参与本次快速傅里叶变换运算的部分电流采样序列，Fi[:]为维度是Ns的幅值结果序列，j＝1,2,3,…,Ns，fi(j)为实际频率结果序列。
优选的，由所述步骤三返回所述步骤二时，滑动所述时间窗口而得到新的时间窗口。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明基于电流二次谐波和无功而对非变频空调的启动和退出进行快速、准确的非侵入式辨识，此方法不需要进入居民家中就可以准确辨识非变频空调启动和退出状态，具有简单、经济、易于推广应用等优点。辨识结果有助于用户了解大功率非变频空调的运行特点及能耗情况，可以用用于电网公司对空调电器的需求侧管理工作中。
附图说明
附图1为本发明的基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法的流程示意图。
附图2为空调运行过程中的实时无功功率特性示意图。
附图3为空调运行过程中的电流二次谐波特性示意图。
具体实施方式
下面附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：空调负荷的主要部件是异步电动机，因此空调的负荷特性与异步电动机的特性非常相似。本文在电力系统动态模拟实验室进行的空调特性试验的基础上，搭建了空调负荷的试验平台，对空调负荷的运行过程进行了详细分析，结果表明：非变频空调运行时存在较大无功，基本都大于100Var；且伴随着二次谐波电流，大小在0.5A以上。
基于上述研究结果，提出一种基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，用于以非侵入方式辨识出一户用户的户内电网中是否有非变频空调启动或退出。如附图1所示，该非变频空调非侵入式辨识方法通过以下步骤实现：
步骤一：按照设定的采样频率fs并使用电压传感器和电流传感器对户内电网的总电源进线的电压和电流进行采样，分别形成电压采样序列u和电流采样序列i。电压采样序列u中的元素依次为u1、u2、u3、…，电流采样序列i中的元素依次为i1、i2、i3、…。该步骤中，采样频率的取值范围为0.5kHz-2kHz。本实施例中，选择采样频率fs＝1kHz。
步骤二：设定时间窗口；按设定的时间窗口在其窗口时间内，对电压采样序列u和电流采样序列i进行扫描，从而依据电压采样序列u和电流采样序列i中时间窗口所对应的部分，计算总电源进线处与时间窗口对应的实时平均无功功率值Qk和电流的二次谐波值i2k。上述实时平均无功功率值Qk和电流的二次谐波值i2k分别为构成实时平均无功功率序列Q和电流的二次谐波序列i2的元素。实时平均无功功率值Qk和电流的二次谐波值i2k中的下角标k对应于本次采用的时间窗口的编号，故k≥1。
该步骤中，实时平均无功功率值Qk的计算方法为：
其中，m为所采用的时间窗口内所含工频周期数，取m＝5，n为当前时间窗口内首个进行采样的采样点编号，N为一个工频周期包含的采样点数目。根据上述Qk的计算公式，即基于当前的时间窗口中各个采样点的电流和电压进行计算，从而每隔5个工频周期得到一个实时平均无功功率值Qk用于构成实时平均无功功率序列Q。
电流的二次谐波值i2k的计算方法为：
Fi[:]＝FFT(i[:])
fi(j)＝(j-1)*fs/Ns
i2k＝Fi(2*50*Ns/fs+1)
其中，FFT表示快速傅里叶变换运算，Ns为参与本次快速傅里叶变换运算的电流采样序列i中的样本数量，i[:]为维度是Ns的参与本次快速傅里叶变换运算的部分电流采样序列，Fi[:]为维度是Ns的幅值结果序列，j＝1,2,3,…,Ns，fi(j)为实际频率结果序列。这样每隔5个工频周期得到一个电流的二次谐波值i2k用于构成电流的二次谐波序列i2。
本实施例的上述计算中，N＝20，Ns＝100。根据上述实时平均无功功率序列Q和电流的二次谐波序列i2的计算方法，每100个电压、电流采样点即可计算得到一个实时平均无功功率值Qk和一个电流的二次谐波值i2k，在多次选择时间窗口并计算后得到实时平均无功功率序列Q和电流的二次谐波序列i2。
由附图2所示的空调运行过程中的实时无功功率特性可以看出，非变频空调在启动运行时存在较大无功，无功大小为250Var左右，无功值的抬升和下降随非变频空调的开启和退出而变化，当非变频空调退出后，无功下降至接近于0。
由附图3所示的空调运行过程中的电流二次谐波特性可以看出，非变频空调运行中伴随着电流的二次谐波，大小在0.7A以上。当空调开启时有0.7A左右的电流二次谐波抬升，而当空调退出运行时电流的二次谐波下降到0A左右。
步骤三：基于上述空调运行过程中的特性，根据实时平均无功功率序列Q和电流的二次谐波序列i2判断户内电网中是否有非变频空调启动或退出，若没有非变频空调启动或退出则返回步骤二。
该步骤中，判断是否有非变频空调启动或退出的具体方法为：由第二个时间窗口对应计算出的实时平均无功功率值Q2和电流的二次谐波值i22开始，若与当前时间窗口对应的实时平均无功功率序列Q中的无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之差Qk-Qk-1大于或等于设定的启动功率阈值，且二次谐波序列i2中与当前时间窗口对应的的二次谐波值i2k与其前一个二次谐波值i2k-1之差i2k-i2k-1大于或等于设定的启动谐波阈值，则判断户内电网中有非变频空调启动；若实时平均无功功率序列Q中与当前时间窗口对应的无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之差Qk-Qk-1小于设定的退出功率阈值，且二次谐波序列i2中与当前时间窗口对应的二次谐波值i2k与其前一个二次谐波值i2k-1之差i2k-i2k-1小于设定的退出谐波阈值，则判断户内电网中有非变频空调退出。
根据空调的运行特性，启动功率阈值中的数值与退出功率阈值中的数值互为相反数；启动谐波阈值中的数值与退出谐波阈值中的数值互为相反数。通常，启动功率阈值设定为100Var，启动谐波阈值设定为0.5A；退出功率阈值设定为-100Var，退出谐波阈值设定为-0.5A，即可满足大部分非变频空调的辨识要求。
结合图2和图3所示的非变频空调的特性，图2中的时段T1、T2、T3、T4的前端有无功抬升，满足Qk-Qk-1≥100Var，时段T1、T2、T3、T4的后端有无功下降，满足Qk-Qk-1＜-100Var；图3中的时段T1、T2、T3、T4的前端有电流二次谐波抬升，满足i2k-i2k-1≥0.5A，时段T1、T2、T3、T4的后端有电流二次谐波下降，满足i2k-i2k-1＜-0.5A。从而得出结论：在时段T1、T2、T3、T4的前端时非变频空调启动运行，在时段T1、T2、T3、T4的后端时非变频空调退出运行。
当执行完步骤四并返回步骤二时，需要滑动本次采用的时间窗口而得到新的时间窗口，从而再次进行计算和判断，按此循环。
在通过计算机程序实施上述辨识方法时，可以先判断实时平均无功功率序列Q中的一个无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之差Qk-Qk-1的绝对值|Qk-Qk-1|与不考虑正负符号的启动功率阈值或退出功率阈值的数值部分的大小关系、二次谐波序列i2中对应的一个二次谐波值i2k与其前一个二次谐波值i2k-1之差i2k-i2k-1的绝对值|i2k-i2k-1|与不考虑正负符号的启动谐波阈值或退出谐波阈值的数值部分的大小关系，再判断实时平均无功功率序列Q中的一个无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之间的大小关系、二次谐波序列i2中的一个二次谐波值i2k与其前一个二次谐波值i2k-1之间的大小关系，即可判断出是出现大于或等于启动功率阈值的无功功率抬升还是出现小于退出功率阈值的无功功率下降、是出现大于或等于启动谐波阈值的二次谐波抬升还是出现小于退出谐波阈值的二次谐波下降，进而辨别出有非变频空调启动还是退出。
在上述先判断后即可得出是否有非变频空调启动或退出，若均没有即可以返回步骤二。在上述再判断的过程中，可以简化为仅判断实时平均无功功率序列Q中的一个无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之间的大小关系即可得出是非变频空调启动还是退出的具体结论。
本发明的基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入辨识方法，根据用户总进线端的实时无功功率以及电流的二次谐波，可以准确有效快速地辨识非变频空调启动和退出状态。此方法不需要进入居民家中就可以准确辨识非变频空调运行，具有简单、经济、易于推广应用等优点。辨识结果有助于用户了解大功率非变频空调的运行特性以及能耗情况，可应用于电网公司对空调电器的需求侧管理工作。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，用于以非侵入方式辨识出户内电网中是否有非变频空调启动或退出，其特征在于：所述基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法包括以下步骤：
步骤一：按照设定的采样频率fs对所述户内电网的总电源进线的电压和电流进行采样，分别形成电压采样序列u和电流采样序列i；
步骤二：设定时间窗口；依据所述电压采样序列u和所述电流采样序列i中与所述时间窗口所对应的部分，计算所述总电源进线处与所述时间窗口对应的实时平均无功功率值Qk和电流的二次谐波值i2k，所述实时平均无功功率值Qk和所述电流的二次谐波值i2k分别为构成实时平均无功功率序列Q和电流的二次谐波序列i2的元素；k对应于本次采用的时间窗口的编号；
步骤三：根据所述实时平均无功功率序列Q和电流的二次谐波序列i2判断所述户内电网中是否有非变频空调启动或退出，若没有非变频空调启动或退出则返回步骤二；
所述步骤三中，若所述实时平均无功功率序列Q中与所述时间窗口对应的无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之差大于或等于设定的启动功率阈值，且所述二次谐波序列i2中与所述时间窗口对应的二次谐波值i2k与其前一个二次谐波值i2k-1之差大于或等于设定的启动谐波阈值，则判断所述户内电网中有非变频空调启动；
若所述实时平均无功功率序列Q中与所述时间窗口对应的无功功率值Qk与其前一个无功功率值Qk-1之差小于设定的退出功率阈值，且所述二次谐波序列i2中与所述时间窗口对应的二次谐波值i2k与其前一个二次谐波值i2k-1之差小于设定的退出谐波阈值，则判断所述户内电网中有非变频空调退出。
2.根据权利要求1所述的基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，其特征在于：所述启动功率阈值中的数值与所述退出功率阈值中的数值互为相反数；所述启动谐波阈值中的数值与所述退出谐波阈值中的数值互为相反数。
3.根据权利要求2所述的基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，其特征在于：所述启动功率阈值设定为100Var，所述启动谐波阈值设定为0.5A；所述退出功率阈值设定为-100Var，所述退出谐波阈值设定为-0.5A。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，其特征在于：所述步骤一中，所述采样频率的取值范围为0.5kHz-2kHz。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，其特征在于：所述步骤二中，所述实时平均无功功率值Qk的计算方法为：
其中，m为所述时间窗口内所含工频周期数，n为所述时间窗口内首个进行采样的采样点编号，N为一个工频周期包含的采样点数目；
所述电流的二次谐波值i2k+1的计算方法为：
Fi[:]＝FFT(i[:])
fi(j)＝(j-1)*fs/Ns
i2k＝Fi(2*50*Ns/fs+1)
其中，FFT表示快速傅里叶变换运算，Ns为参与本次快速傅里叶变换运算的电流采样序列i中的样本数量，i[:]为维度是Ns的参与本次快速傅里叶变换运算的部分电流采样序列，Fi[:]为维度是Ns的幅值结果序列，j＝1,2,3,…,Ns，fi(j)为实际频率结果序列。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于电流二次谐波与无功的非变频空调非侵入式辨识方法，其特征在于：由所述步骤三返回所述步骤二时，滑动所述时间窗口而得到新的时间窗口。
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