CN107796972B - 一种基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法，包括：根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并获取分廒间的用电数据；根据视在功率变化作为事件发生的判据，并将事件前后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机；提取该事件的三相负荷特征；针对该事件的三相负荷特征进行无变化相特征过滤以及三相相位匹配，计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差得到负荷识别结果；基于负荷识别结果进行设备能耗统计。通过上述方式，本发明在不改变粮仓线路结构的前提下实现了对粮仓内设备的在线监测，有助于对粮食生产成本的核算与控制，加强粮食安全生产管理。

Description

一种基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法

技术领域

本发明涉及粮仓能耗监测技术领域，特别是涉及一种基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法。

背景技术

智能电网的目标是使电网拥有更高的可靠性与能源利用效率，电网将变成一个集分布式发电，智能控制装置，负荷管理体系于一身的复杂网络。随着电网负荷类型与耗电量的日益增加，负荷总量数据已不能满足电网管理与调度对负荷数据精度的要求。以需求侧管理为例，不同负荷在需求侧响应中的潜力不同，因此负荷分项统计数据可作为需求侧管理的依据。负荷分解是负荷分项统计的关键环节，通过负荷分解将总负荷数据分解成不同类型负荷的用电数据。非侵入式负荷分解(non-intrusive load monitoring，NILD)只需要在入户侧安装电表获得总电量数据，继而通过算法获得该电表所测量线路上设备的实时状态，是一种经济而灵活的负荷分解方式。

自从NILD这一概念被提出后，相继有学者开展负荷特征选择，负荷识别算法等方面的研究。在NILD的应用方面，目前主要集中在重要用电设备(如电动机)安全监控、家庭和商业用电管理以及需求侧响应等方面。相比于居民和商业用电，工业设备功率较高，大多为三相设备，并且工业用电在全社会用电量中占有更大的比重，因此，工业用户对于用电成本管理的需求更加迫切。

中国是粮食生产大国，随着粮食产量的增加，粮食收储压力越来越大，粮食企业管理水平落后与粮食供应安全之间的矛盾日益突出，粮食企业迫切需要提高经营效益，加强精细化管理，落实单仓成本核算。同时，现有粮食监测预警体系尚不健全，缺乏完整统一规范的信息监测平台和科学灵敏的预警预测功能，无法保障粮仓设备运行监测及工作人员的作业安全。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明提供了一种基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法，包括：根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据；根据视在功率变化作为事件发生的判据，并将事件前后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机；提取该事件前后T秒的三相负荷特征，其中三相负荷特征包括该事件的有功功率、视在功率以及电流谐波特征；针对该事件的三相负荷特征进行无变化相特征过滤以及三相相位匹配，并通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差得到负荷识别结果；基于负荷识别结果进行设备能耗统计；其中，根据视在功率变化作为事件发生的判据，并将事件前后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机的步骤包括：设步长为R，t秒的视在功率为S_t，间隔步长的视在功率差ΔS_t＝S_t+1-S_t，若ΔS_t＞S_o1，则开始事件探测，继续计算ΔS_t+1，ΔS_t+2，…，直至ΔS_t+td＜S_o1，若S_t+td-S_t＜S_o2，则认为有设备在t～t+td秒内进行状态转换，令该事件开始时间t_on为t，该事件结束时间t_off为t+td，其中S_o1为第一功率阈值，S_o2为第二功率阈值；能耗网关将该事件的所述事件开始时间t_on前T秒和该事件的事件结束时间t_off后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机；其中，提取该事件前后T秒的三相负荷特征的步骤包括：根据公式(5)提取有功功率特征值P_d，其中

P_d＝P_avn-P_avf (5)

其中，P_avn为该事件的所述事件开始时间t_on前T秒的有功功率平均值，P_avf为该事件的所述事件结束时间t_off后T秒的有功功率平均值；根据公式(6)提取视在功率特征值S_d，其中

S_d＝S_avn-S_avf (6)

其中，S_avn为该事件的事件开始时间t_on前T秒的视在功率平均值，S_avf为该事件的事件结束时间t_off后T秒的视在功率平均值；根据公式(7)将该事件后电流Ia_i旋转角度θ_vb，i-θ_va，i得到与该事件前电流采样时间相同的电流向量Ia’_i，并通过公式(8)得到该事件电流谐波向量Is_i，且通过公式(9)获得电流谐波特征值th_i，其中

Ia′_i＝Ia_i∠θ_vb，i-θ_va，i (7)

其中，θ_va，i、θ_vb，i分别表示电压谐波相角，

Is_i＝Ia′_i-Ib_i (8)

其中，Ib_i代表事件前谐波电流向量，

其中，I_mb代表基波电流幅值。

其中，分廒间包括第一廒间和第二廒间，第一廒间串联设置有第一分配电柜和第四分配电柜，第二廒间串联设置有第二分配电柜和第三分配电柜，能耗网关包括第一网关和第二网关，其中：根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据的步骤包括：在第一廒间和第二廒间之间设置主配电柜；在第一廒间上设置有用于获取第一分配电柜和第四分配电柜的用电数据的第一网关，其中第一网关与主配电柜连接；在第二廒间上联设置有用于获取第二分配电柜和第三分配电柜的用电数据的第二网关，第二网关与主配电柜连接；通过第一网关分别获取第一分配电柜和第四分配电柜的用电数据，且通过第二网关分别获取第二分配电柜和第三分配电柜的用电数据；主配电柜通过公式(1)获取第一廒间和第二廒间所获取的用电数据，其中

sug_i＝dag_i i＝1，2 (1)

其中，sug_i表示第i个分廒间的用电数据，dag_i表示第i个网关的用电数据。

其中，分廒间包括第一廒间和第二廒间，第一廒间串联设置有第一分配电柜和第四分配电柜，第二廒间串联设置有第二分配电柜和第三分配电柜，且第三分配电柜与第四分配电柜串联设置，能耗网关包括第一网关和第二网关，其中：根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据的步骤包括：在第一廒间和第二廒间之间设置主配电柜；在第一廒间上设置有用于获取第一分配电柜和第四分配电柜的用电数据的第二网关，其中第二网关与主配电柜连接；在第二廒间上设置有用于获取第二分配电柜、第三分配电柜、第四分配电柜和第一分配电柜的用电数据的第一网关，第一网关与主配电柜连接；通过第二网关分别获取第一分配电柜和第四分配电柜的用电数据，且通过第一网关分别获取第二分配电柜、第三分配电柜、第四分配电柜和第一分配电柜的用电数据；主配电柜通过公式(2)获取所述第一廒间和所述第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝dag₂，sug₂＝dag₁-dag₂ (2)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据。

其中，分廒间包括第一廒间和第二廒间，第一廒间设置有第一分配电柜和第四分配电柜，第二廒间设置有第二分配电柜和第三分配电柜，第一分配电柜与第二分配电柜串联连接，第四分配电柜与第三分配电柜串联连接，能耗网关包括第一网关、第二网关、第三网关和第四网关，其中：根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据的步骤包括：在第一廒间上设置主配电柜；在第二廒间上设置有用于获取第二分配电柜连接的第二网关，并在第二廒间上设置有用于获取第三分配电柜的用电数据的第三网关，其中第二网关与主配电柜连接，第三网关与主配电柜连接；在第一廒间上设置有用于获取第一分配电柜和第二分配电柜的用电数据的第一网关，并在第一廒间上设置有用于获取第四分配电柜和第三分配电柜的用电数据的第四网关，其中第一网关与主配电柜连接，第四网关与主配电柜连接；通过第二网关获取第二分配电柜的用电数据，通过第三网关获取第三分配电柜的用电数据，且通过第一网关获取第一分配电柜和第二分配电柜的用电数据，通过第四网关获取第四分配电柜和第三分配电柜的用电数据；主配电柜通过公式(3)获取第一廒间和第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝(dag₁-dag₂)+(dag₄-dag₃)，sug₂＝dag₂+dag₃ (3)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，dag₄表示第4个网关的用电数据，dag₃表示第3个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据。

其中，分廒间包括第一廒间和第二廒间，第一廒间设置有第一分配电柜和第四分配电柜，第二廒间设置有第二分配电柜和第三分配电柜，第一分配电柜、第二分配电柜、第三分配电柜和第四分配电柜串联连接，能耗网关包括第一网关、第二网关和第三网关，其中：根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据的步骤包括：在第一廒间上设置主配电柜；在第一廒间上设置有用于获取第四分配电柜的用电数据的第三网关，且在第一廒间上设置有用于获取第一分配电柜、第二分配电柜、第三分配电柜和第四分配电柜的用电数据的第一网关，其中第一网关和第三网关与主配电柜连接；在第二廒间上设置有用于获取第二分配电柜、第三分配电柜和第四分配电柜的用电数据的第二网关，其中第二网关与主配电柜连接；通过第三网关获取第四分配电柜的用电数据，通过第二网关获取第二分配电柜、第三分配电柜和第四分配电柜的用电数据，且通过第一网关获取第一分配电柜、第二分配电柜、第三分配电柜和第四分配电柜的用电数据；主配电柜通过公式(4)获取第一廒间和第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝(dag₁-dag₂)+dag₃，sug₂＝dag₂-dag₃ (4)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，dag₃表示第3个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据。

其中，针对该事件的三相负荷特征进行无变化相特征过滤的步骤包括：当该事件前后i相的电流有效值变化满足公式(10)时，其有功功率特征值P_d、视在功率特征值S_d，以及电流谐波特征值th_i均设置为0，其中

I_re，i-I_rd，i＜u i∈(a，b，c) (10)

其中，I_re，i，I_rd，i，分别表示该事件前后i相电流的有效值，u为阈值；针对该事件的三相负荷特征进行三相相位匹配的步骤包括：根据公式(11)得到当前该事件与负荷数据库中样本事件的三相匹配结果，其中

其中，as表示当前该事件的三相相序，br表示负荷数据库中样本事件的相序，

表示负荷数据库中第n个样本事件br_i相的有功功率、视在功率、k次谐波特征值，

表示当前该事件as_i相的有功功率、视在功率、k次电流谐波特征值，e代表松弛量；通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差得到负荷识别结果的步骤包括：根据式(12)得到当前该事件的负荷识别结果，其中

其中，ass表示匹配后的相序，h表示负荷识别门槛值，

表示当前该事件匹配后的相序的有功功率、视在功率、k次电流谐波特征值。

其中，基于负荷识别结果进行设备能耗统计的步骤包括：根据公式(13)得到设备的用电结构，其中

其中，W_i，tu为第i类设备tu时刻用电量，p_m，n，t_m，n为第m个设备第n个状态下的有功功率以及工作时间，na为第i类设备总数，nk为第m个设备工作状态数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

第一、本发明构建了完整的粮仓能耗监测体系，该体系包括以能耗网关为核心的数据收集与传输网络，通过在粮仓上安装能耗网关，并通过上位机完成NILD算法与设备能耗统计；

第二、本发明针对粮仓供电线路不同拓扑结构，提出获得多个单个廒间用电数据的方法；

第三、本发明在NILD算法中，选择有功功率，视在功率，电流谐波作为负荷特征，通过计算最小偏差进行负荷识别，与聚类方法相比，该识别方法缩短了识别时间，保证了算法的实时性；

第四、粮仓内使用三相插座，单个设备将拥有3个特征向量，为了避免设备三相相序未知以及事件前后未变化相特征对偏差计算的影响，在算法中增加三相相位匹配以及无变化相特征处理过程。

附图说明

图1是本发明基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法的流程示意图；

图2是本发明分廒间的供电线路的第一拓扑结构的结构示意图；

图3是本发明分廒间的供电线路的第二拓扑结构的结构示意图；

图4是本发明分廒间的供电线路的第三拓扑结构的结构示意图；

图5是本发明分廒间的供电线路的第四拓扑结构的结构示意图；

图6是本发明事件发生的示意图；

图7是本发明实施例的测试时间段内负荷识别结果的示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1是本发明基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法的流程示意图。该方法包括以下步骤：

步骤S101：根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据。

分廒间的供电线路的拓扑结构有多种结构，在本实施例中，如图2所示，分廒间包括第一廒间和第二廒间，第一廒间串联设置有第一分配电柜和第四分配电柜，第二廒间串联设置有第二分配电柜和第三分配电柜，能耗网关包括第一网关和第二网关。因此，在步骤S101中，根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据的步骤包括：

A1：在第一廒间和第二廒间之间设置主配电柜。

B1：在第一廒间上设置有用于获取第一分配电柜和第四分配电柜的用电数据的第一网关。其中第一网关与主配电柜连接。

C1：在第二廒间上联设置有用于获取第二分配电柜和第三分配电柜的用电数据的第二网关。第二网关与主配电柜连接。

D1：通过第一网关分别获取第一分配电柜和第四分配电柜的用电数据，且通过第二网关分别获取第二分配电柜和第三分配电柜的用电数据。

E1：主配电柜通过公式(1)获取第一廒间和所述第二廒间所获取的用电数据，其中

sug_i＝dag_i i＝1，2 (1)

其中，sug_i表示第i个分廒间的用电数据，dag_i表示第i个网关的用电数据。

应理解，在一些实施例中，如图3所示，分廒间包括第一廒间和第二廒间，第一廒间串联设置有第一分配电柜和第四分配电柜，第二廒间串联设置有第二分配电柜和第三分配电柜，且第三分配电柜与第四分配电柜串联设置，能耗网关包括第一网关和第二网关。因此，在步骤S101中，根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据的步骤包括：

A2：在第一廒间和第二廒间之间设置主配电柜。

B2：在第一廒间上设置有用于获取第一分配电柜和第四分配电柜的用电数据的第二网关。其中第二网关与主配电柜连接。

C2：在第二廒间上设置有用于获取第二分配电柜、第三分配电柜、第四分配电柜和第一分配电柜的用电数据的第一网关。其中第一网关与主配电柜连接。

D2：通过第二网关分别获取第一分配电柜和第四分配电柜的用电数据，且通过第一网关分别获取第二分配电柜、第三分配电柜、第四分配电柜和第一分配电柜的用电数据。

E2：主配电柜通过公式(2)获取第一廒间和第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝dag₂，sug₂＝dag₁-dag₂ (2)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据。

应理解，在一些实施例中，如图4所示，分廒间包括第一廒间和第二廒间，第一廒间设置有第一分配电柜和第四分配电柜，第二廒间设置有第二分配电柜和第三分配电柜，第一分配电柜与第二分配电柜串联连接，第四分配电柜与第三分配电柜串联连接，能耗网关包括第一网关、第二网关、第三网关和第四网关。因此，在步骤S101中，根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据的步骤包括：

A3：在第一廒间上设置主配电柜。

B3：在第二廒间上设置有用于获取第二分配电柜连接的第二网关，并在第二廒间上设置有用于获取第三分配电柜的用电数据的第三网关。其中第二网关与主配电柜连接，第三网关与主配电柜连接。

C3：在第一廒间上设置有用于获取第一分配电柜和第二分配电柜的用电数据的第一网关，并在第一廒间上设置有用于获取第四分配电柜和第三分配电柜的用电数据的第四网关。其中第一网关与主配电柜连接，第四网关与主配电柜连接。

D3：通过第二网关获取第二分配电柜的用电数据，通过第三网关获取第三分配电柜的用电数据，且通过第一网关获取第一分配电柜和第二分配电柜的用电数据，通过第四网关获取第四分配电柜和第三分配电柜的用电数据。

E3：主配电柜通过公式(3)获取第一廒间和第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝(dag₁-dag₂)+(dag₄-dag₃)，sug₂＝dag₂+dag₃ (3)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，dag₄表示第4个网关的用电数据，dag₃表示第3个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据。

应理解，在一些实施例中，如图5所示，分廒间包括第一廒间和第二廒间，第一廒间设置有第一分配电柜和第四分配电柜，第二廒间设置有第二分配电柜和第三分配电柜，第一分配电柜、第二分配电柜、第三分配电柜和第四分配电柜串联连接，能耗网关包括第一网关、第二网关和第三网关。因此，在步骤S101中，根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据的步骤包括：

A4：在第一廒间上设置主配电柜。

B4：在第一廒间上设置有用于获取第四分配电柜的用电数据的第三网关，且在第一廒间上设置有用于获取第一分配电柜、第二分配电柜、第三分配电柜和第四分配电柜的用电数据的第一网关。

C4：在第二廒间上设置有用于获取第二分配电柜、第三分配电柜和第四分配电柜的用电数据的第二网关。

D4：通过第三网关获取第四分配电柜的用电数据，通过第二网关获取所述第二分配电柜、所述第三分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据，且通过所述第一网关获取所述第一分配电柜、所述第二分配电柜、所述第三分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据；

E4：所述主配电柜通过公式(4)获取所述第一廒间和所述第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝(dag₁-dag₂)+dag₃，sug₂＝dag₂-dag₃ (4)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，dag₃表示第3个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据。

步骤S102：根据视在功率变化作为事件发生的判据，并将事件前后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机。

在步骤S102中，根据视在功率变化作为事件发生的判据，并将所述事件前后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机的具体步骤包括：

X1：设步长为R，t秒的视在功率为S_t，间隔步长的视在功率差ΔS_t＝S_t+1-S_t，若ΔS_t＞S_o1，则开始事件探测，继续计算ΔS_t+1，ΔS_t+2，…，直至ΔS_t+td＜S_o1，若S_t+td-S_t＜S_o2，则认为有设备在t～t+td秒内进行状态转换，令该事件开始时间t_on为t，该事件结束时间t_off为t+td，其中S_o1为第一功率阈值，S_o2为第二功率阈值。

X2：能耗网关将该事件的事件开始时间t_on前T秒和该事件的事件结束时间t_off后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至所述上位机。

在本实施例中，由于在稳态条件下电压电流波形具有周期性，故1秒(以1秒有50个周期波形为例)取一个周期电流电压波形上传至上位机。

举例而言，如图6所示，从第1秒开始，在第4秒时，视在功率差ΔS_t＞S_o1，此时开始事件探测，继续计算ΔS_t+1，ΔS_t+2，…，在第10秒时，视在功率差S_t+td-S_t＜S_o2，则认为有设备在4～10秒内进行状态转换，令该事件开始时间t_on为4秒，该事件结束时间t_off为10秒；最后能耗网关将该事件所对应的设备在第4秒时的前T秒和该事件所对应的设备在第10秒时的后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机。

应理解，能耗网关通过以太网或GPRS/CDMA/4G/无线通道上传至上位机。值得注意的是，能耗网关主要是将网关信息通过以太网或GPRS/CDMA/4G/无线通道上传至上位机。而网关信息包括网关心跳信息、用电数据和终端配置参数。其中网关心跳信息通过端口UDPport 7010接收，通过网关心跳信息获知能耗网关是否处于正常工作状态，且该网关心跳信息包括了网关时间，若网关时间与上位机服务器的时间差大于预设值，则矫正网关时间使之与上位机服务器时间一致。能耗网关所监测的线路上设备的用电数据由端口FTP(tcpport 21/20)接收，用电数据包括三相电流及电压有效值、有功功率、无功功率，电压及电流波形数据，这些数据是NILM的原始数据。终端配置参数通过端口HTTP(tcp port 8071)接收与下载，终端配置参数包括终端采集时间及终端脉冲信号等。

步骤S103：提取该事件前后T秒的三相负荷特征。

其中三相负荷特征包括该事件的有功功率、视在功率以及电流谐波特征。

在步骤S103中，取t_on-1，t_off+1秒内一个周期的电压和电流波形作为事件前后的电流波形，采用傅立叶变换的方法将电流波形分解至频域，得到事件前后电流谐波向量。

具体地，提取该事件前后T秒的三相负荷特征的步骤包括：

Y1：根据公式(5)提取有功功率特征值P_d，其中

P_d＝P_avn-P_avf (5)

其中，P_avn为该事件的事件开始时间t_on前T秒的有功功率平均值，P_avf为该事件的事件结束时间t_off后T秒的有功功率平均值。

Y2：根据公式(6)提取视在功率特征值S_d，其中

S_d＝S_avn-S_avf (6)

其中，S_avn为该事件的事件开始时间t_on前T秒的视在功率平均值，S_avf为该事件的事件结束时间t_off后T秒的视在功率平均值。

Y3：根据公式(7)将该事件后电流Ia_i旋转角度θ_vb，i-θ_va，i得到与该事件前电流采样时间相同的电流向量Ia’_i，并通过公式(8)得到该事件电流谐波向量Is_i，且通过公式(9)获得电流谐波特征值th_i，其中

Ia′_i＝Ia_i∠θ_vb，i-θ_va，i (₇)

其中，θ_va，i、θ_vb，i分别表示电压谐波相角，

Is_i＝Ia′_i-Ib_i (8)

其中，Ib_i代表事件前谐波电流向量，

其中，I_mb代表基波电流幅值。应理解，在本实施例中，电流谐波特征值th_i为以电流0～11次谐波幅值与基波幅值的比值量化谐波特征，其中0次谐波代表直流分量。

步骤S104：针对该事件的三相负荷特征进行无变化相特征过滤以及三相相位匹配，并通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差得到负荷识别结果。

应理解，负荷数据库包括有多个样本事件、与该样本事件对应的设备和该设备对应的相序等。

在步骤S104中，针对该事件的三相负荷特征进行无变化相特征过滤的步骤包括：

W1：当该事件前后i相的电流有效值变化满足公式(10)时，其有功功率特征值P_d、视在功率特征值S_d，以及电流谐波特征值th_i均设置为0，其中

I_re，i-I_rd，i＜u i∈(a，b，c) (10)

其中，I_re，i，I_rd，i，分别表示该事件前后i相电流的有效值，u为阈值。

进一步的，在步骤S104中，针对该事件的三相负荷特征进行三相相位匹配的步骤包括：

W2：根据公式(11)得到当前该事件与负荷数据库中样本事件的三相匹配结果，其中

其中，as表示当前该事件的三相相序，br表示负荷数据库中样本事件的相序，

表示负荷数据库中第n个样本事件br_i相的有功功率、视在功率、k次谐波特征值，

表示当前该事件as_i相的有功功率、视在功率、k次电流谐波特征值，e代表松弛量。应理解，e比较小，主要是避免分母为0的情况。

进一步的，在步骤S104中，通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差得到负荷识别结果的步骤包括：

W3：根据公式(12)得到当前该事件的负荷识别结果，其中

其中，ass表示匹配后的相序，h表示负荷识别门槛值，

表示当前该事件匹配后的相序的有功功率、视在功率、k次电流谐波特征值。

应理解，在步骤S104中，即在公式(12)中，主要是通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的最小偏差，若当前事件与负荷数据库中所有样本事件的最小偏差大于该值h，则表示当前事件未曾记录在负荷数据库，是一个未知事件，故可排除。

步骤S105：基于负荷识别结果进行设备能耗统计。

在步骤S105中，基于负荷识别结果进行设备能耗统计的步骤包括：

W4：根据公式(13)得到设备的用电结构，其中

其中，W_i，tu为第i类设备tu时刻用电量，p_m，n，t_m，b为第m个设备第n个状态下的有功功率以及工作时间，na为第i类设备总数，nk为第m个设备工作状态数。

应理解，在步骤S105中，设备能耗统计过程是将同类设备的用电量数据合并，例如将粮库设备分为机械通风设备，粮食出入库设备，照明设备，空调设备，分别统计出每一类设备的用电情况，可以呈现更加清晰明了的用电结构，其中电能统计可通过公式(13)得到。

举例而言，某粮仓共有五种设备，分别为输送机，地下笼通风机，汽车散料接收机，刮板扒粮机，移动式转向伸缩输送机，且上述单个设备三相视在功率之和均大于500VA，因此S_o1设置为30VA，S_o2设置为500VA，h取1，u取0.3A，事件探测中步长R和T分别取1s和3s，单相电压有效值为220V，即当事件前后某相视在功率差值小于66VA时认为该相为无变化相，e取1。

将本发明所提出的NILD方法适用于某粮仓进行测试，在测试时间段内共探测出25个事件，分别提取上述事件的三相负荷特征，在三相匹配的过程中，设每一个提取的未知事件和负荷数据库中所有样本事件的相序的均为a，b，c，五个设备开启的事件经过三相相位匹配后的相序如下表1。

表1三相相位匹配结果

通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差，以最小偏差计算该事件与负荷数据库中样本事件从而得到负荷识别结果，测试时间段内负荷识别结果如图7，设备识别正确率如下表2。

表2设备识别正确率

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

第一、本发明构建了完整的粮仓能耗监测体系，该体系包括以能耗网关为核心的数据收集与传输网络，通过上位机完成NILD算法与设备能耗统计；

第二、本发明针对粮仓供电线路不同拓扑结构，提出获得多个单个廒间用电数据的方法；

第三、本发明在NILD算法中，选择有功功率，视在功率，电流谐波作为负荷特征，通过计算最小偏差进行负荷识别，与聚类方法相比，该识别方法缩短了识别时间，保证了算法的实时性；

第四、粮仓内使用三相插座，单个设备将拥有3个特征向量，为了避免设备三相相序未知以及事件前后未变化相特征对偏差计算的影响，在算法中增加三相相位匹配以及无变化相特征处理过程。

综上，本发明所公开的基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法包括：根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从能耗网关中获取分廒间的用电数据；根据视在功率变化作为事件发生的判据，并将事件前后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机；提取该事件前后T秒的三相负荷特征，其中三相负荷特征包括该事件的有功功率、视在功率以及电流谐波特征；针对该事件的三相负荷特征进行无变化相特征过滤以及三相相位匹配，并通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差得到负荷识别结果；基于负荷识别结果进行设备能耗统计。通过上述方式，本发明提出的基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法在不改变粮仓线路结构的前提下实现了对粮仓内设备的在线监测，并获得粮仓总能耗分解数据，有助于粮食企业对粮食生产成本的核算与控制，以及加强粮食安全生产管理。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于非侵入式负荷分解技术的粮仓能耗监测方法，其特征在于，包括：

根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从所述能耗网关中获取所述分廒间的用电数据；

根据视在功率变化作为事件发生的判据，并将所述事件前后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机；

提取该事件前后T秒的三相负荷特征，其中所述三相负荷特征包括该事件的有功功率、视在功率以及电流谐波特征；

针对该事件的三相负荷特征进行无变化相特征过滤以及三相相位匹配，并通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差得到负荷识别结果；

基于所述负荷识别结果进行设备能耗统计；

其中，所述根据视在功率变化作为事件发生的判据，并将所述事件前后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至上位机的步骤包括：

设步长为R，t秒的视在功率为S_t，间隔步长的视在功率差ΔS_t＝S_t+1-S_t，若ΔS_t＞S_o1，则开始事件探测，继续计算ΔS_t+1，ΔS_t+2，…，直至ΔS_t+td＜S_o1，若S_t+td-S_t＜S_o2，则认为有设备在t～t+td秒内进行状态转换，令该事件开始时间t_on为t，该事件结束时间t_off为t+td，其中S_o1为第一功率阈值，S_o2为第二功率阈值；

所述能耗网关将该事件的所述事件开始时间t_on前T秒和该事件的所述事件结束时间t_off后T秒的有功功率、无功功率、电流、电压有效值及电压和电流波形上传至所述上位机；

其中，所述提取该事件前后T秒的三相负荷特征的步骤包括：

根据公式(5)提取有功功率特征值P_d，其中

P_d＝P_avn-P_avf (5)

其中，P_avn为该事件的所述事件开始时间t_on前T秒的有功功率平均值，P_avf为该事件的所述事件结束时间t_off后T秒的有功功率平均值；

根据公式(6)提取视在功率特征值S_d，其中

S_d＝S_avn-S_avf (6)

其中，S_avn为该事件的所述事件开始时间t_on前T秒的视在功率平均值，S_avf为该事件的所述事件结束时间t_off后T秒的视在功率平均值；

根据公式(7)将该事件后电流Ia_i旋转角度θ_vb，i-θ_va，i得到与该事件前电流采样时间相同的电流向量Ia’_i，并通过公式(8)得到该事件电流谐波向量Is_i，且通过公式(9)获得电流谐波特征值th_i，其中

Ia′_i＝Ia_i∠θ_vb，i-θ_va，i (7)

其中，θ_va，i、θ_vb，i分别表示电压谐波相角，

Is_i＝Ia′_i-Ib_i (8)

其中，Ib_i代表事件前谐波电流向量，

其中，I_mb代表基波电流幅值。

2.根据权利要求1所述的粮仓能耗监测方法，其特征在于，所述分廒间包括第一廒间和第二廒间，所述第一廒间串联设置有第一分配电柜和第四分配电柜，所述第二廒间串联设置有第二分配电柜和第三分配电柜，所述能耗网关包括第一网关和第二网关，其中：

所述根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从所述能耗网关中获取所述分廒间的用电数据的步骤包括：

在所述第一廒间和所述第二廒间之间设置所述主配电柜；

在所述第一廒间上设置有用于获取所述第一分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据的所述第一网关，其中所述第一网关与所述主配电柜连接；

在所述第二廒间上联设置有用于获取所述第二分配电柜和所述第三分配电柜的用电数据的所述第二网关，所述第二网关与所述主配电柜连接；

通过所述第一网关分别获取所述第一分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据，且通过所述第二网关分别获取所述第二分配电柜和所述第三分配电柜的用电数据；

所述主配电柜通过公式(1)获取所述第一廒间和所述第二廒间所获取的用电数据，其中

sug_i＝dag_i i＝1，2 (1)

其中，sug_i表示第i个分廒间的用电数据，dag_i表示第i个网关的用电数据。

3.根据权利要求1所述的粮仓能耗监测方法，其特征在于，所述分廒间包括第一廒间和第二廒间，所述第一廒间串联设置有第一分配电柜和第四分配电柜，所述第二廒间串联设置有第二分配电柜和第三分配电柜，且所述第三分配电柜与所述第四分配电柜串联设置，所述能耗网关包括第一网关和第二网关，其中：

所述根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从所述能耗网关中获取所述分廒间的用电数据的步骤包括：

在所述第一廒间和所述第二廒间之间设置所述主配电柜；

在所述第一廒间上设置有用于获取所述第一分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据的所述第二网关，其中所述第二网关与所述主配电柜连接；

在所述第二廒间上设置有用于获取所述第二分配电柜、所述第三分配电柜、所述第四分配电柜和所述第一分配电柜的用电数据的所述第一网关，所述第一网关与所述主配电柜连接；

通过所述第二网关分别获取所述第一分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据，且通过所述第一网关分别获取所述第二分配电柜、所述第三分配电柜、所述第四分配电柜和所述第一分配电柜的用电数据；

所述主配电柜通过公式(2)获取所述第一廒间和所述第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝dag₂，sug₂＝dag₁-dag₂ (2)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据。

4.根据权利要求1所述的粮仓能耗监测方法，其特征在于，所述分廒间包括第一廒间和第二廒间，所述第一廒间设置有第一分配电柜和第四分配电柜，所述第二廒间设置有第二分配电柜和第三分配电柜，所述第一分配电柜与所述第二分配电柜串联连接，所述第四分配电柜与所述第三分配电柜串联连接，所述能耗网关包括第一网关、第二网关、第三网关和第四网关，其中：

所述根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从所述能耗网关中获取所述分廒间的用电数据的步骤包括：

在所述第一廒间上设置所述主配电柜；

在所述第二廒间上设置有用于获取所述第二分配电柜连接的所述第二网关，并在所述第二廒间上设置有用于获取所述第三分配电柜的用电数据的所述第三网关，其中所述第二网关与所述主配电柜连接，所述第三网关与所述主配电柜连接；

在所述第一廒间上设置有用于获取所述第一分配电柜和所述第二分配电柜的用电数据的所述第一网关，并在所述第一廒间上设置有用于获取所述第四分配电柜和所述第三分配电柜的用电数据的所述第四网关，其中所述第一网关与所述主配电柜连接，所述第四网关与所述主配电柜连接；

通过所述第二网关获取所述第二分配电柜的用电数据，通过所述第三网关获取所述第三分配电柜的用电数据，且通过所述第一网关获取所述第一分配电柜和所述第二分配电柜的用电数据，通过所述第四网关获取所述第四分配电柜和所述第三分配电柜的用电数据；

所述主配电柜通过公式(3)获取所述第一廒间和所述第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝(dag₁-dag₂)+(dag₄-dag₃)，sug₂＝dag₂+dag₃ (3)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，dag₄表示第4个网关的用电数据，dag₃表示第3个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据。

5.根据权利要求1所述的粮仓能耗监测方法，其特征在于，所述分廒间包括第一廒间和第二廒间，所述第一廒间设置有第一分配电柜和第四分配电柜，所述第二廒间设置有第二分配电柜和第三分配电柜，所述第一分配电柜、所述第二分配电柜、所述第三分配电柜和所述第四分配电柜串联连接，所述能耗网关包括第一网关、第二网关和第三网关，其中：

所述根据粮仓的主配电柜位置及分廒间的供电线路的拓扑结构在分配电柜上配置能耗网关，并从所述能耗网关中获取所述分廒间的用电数据的步骤包括：

在所述第一廒间上设置所述主配电柜；

在所述第一廒间上设置有用于获取所述第四分配电柜的用电数据的所述第三网关，且在所述第一廒间上设置有用于获取所述第一分配电柜、所述第二分配电柜、所述第三分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据的所述第一网关，其中所述第一网关和所述第三网关与所述主配电柜连接；

在所述第二廒间上设置有用于获取所述第二分配电柜、所述第三分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据的所述第二网关，其中所述第二网关与所述主配电柜连接；

通过所述第三网关获取所述第四分配电柜的用电数据，通过所述第二网关获取所述第二分配电柜、所述第三分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据，且通过所述第一网关获取所述第一分配电柜、所述第二分配电柜、所述第三分配电柜和所述第四分配电柜的用电数据；

所述主配电柜通过公式(4)获取所述第一廒间和所述第二廒间所获取的用电数据，其中

sug₁＝(dag₁-dag₂)+dag₃，sug₂＝dag₂-dag₃ (4)

其中，sug₁表示第1个分廒间的用电数据，dag₁表示第1个网关的用电数据，dag₂表示第2个网关的用电数据，dag₃表示第3个网关的用电数据，sug₂表示第2个分廒间的用电数据。

6.根据权利要求1所述的粮仓能耗监测方法，其特征在于，所述针对该事件的三相负荷特征进行无变化相特征过滤的步骤包括：

当该事件前后i相的电流有效值变化满足公式(10)时，其有功功率特征值P_d、视在功率特征值S_d，以及电流谐波特征值th_i均设置为0，其中

I_re，i-I_rd，i＜u i∈(a，b，c) (10)

其中，I_re，i，I_rd，i，分别表示该事件前后i相电流的有效值，u为阈值；

所述针对该事件的三相负荷特征进行三相相位匹配的步骤包括：

根据公式(11)得到当前该事件与负荷数据库中样本事件的三相匹配结果，其中

br＝(a，b，c)as_i∈(a，b，c)并且as₁≠as₂≠as₃

其中，as表示当前该事件的三相相序，br表示负荷数据库中样本事件的相序，

表示负荷数据库中第n个样本事件br_i相的有功功率、视在功率、k次谐波特征值，

表示当前该事件as_i相的有功功率、视在功率、k次电流谐波特征值，e代表松弛量；

所述通过计算该事件与负荷数据库中样本事件的偏差得到负荷识别结果的步骤包括：

根据式(12)得到当前该事件的负荷识别结果，其中

其中，ass表示匹配后的相序，h表示负荷识别门槛值，

表示当前该事件匹配后的相序的有功功率、视在功率、k次电流谐波特征值。

7.根据权利要求6所述的粮仓能耗监测方法，其特征在于，所述基于所述负荷识别结果进行设备能耗统计的步骤包括：

根据公式(13)得到设备的用电结构，其中

其中，W_i，tu为第i类设备tu时刻用电量，p_m，n，t_m，n为第m个设备第n个状态下的有功功率以及工作时间，na为第i类设备总数，nk为第m个设备工作状态数。

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