CN108062627B - 一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，涉及电力系统配用电管理技术领域。所述基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，仅通过采集总端的电气参数，分析得到系统内各类负荷的含量和状态，利用非侵入负荷监测技术获得用户负荷的需求响应特性；相对侵入式技术，本发明无需针对系统内的每类负荷都进行单独监测，避免采购大量的硬件设备，节省了在采购、安装、维护时的量成本。

Description

一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法
技术领域
本发明属于电力系统配用电管理技术领域，尤其涉及一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法。
背景技术
由于电网安全运行控制，以及需求侧管理政策的制定，电网公司对于用户负荷特性的需求越发迫切。传统方法采用侵入式设计，在用电设备上安装传感器等用电信息采集设备，以获取用电设备的相关信息。当用电设备较多时，需要大量的采集装置，安装不便且成本高。随着负荷监测需求的日益增加，非侵入负荷监测(non-intrusive loadmonitoring，NILM)相对于传统侵入方式而提出并得到广泛关注，其基本思想是不需要在负荷内部安装采集设备，只需在用户电力入口处对电流、功率等用电信息进行整体采集，便可分析得到监测区域各用电设备的用电情况，简化了硬件结构与经济成本。
国内外已有较多相关文献对用户用电负荷特性开展的研究。刘博提出的非侵入式电力负荷监测与分解技术，归纳了其基本原理与典型框架和非侵入式负荷监测与分解的性能评价指标，并探究了非侵入式负荷监测与分解在用户层与变电站层的应用。牛卢璐、贾宏杰提出的一种适用于非侵入式负荷监测的暂态事件检测算法，提取每个用电设备平稳状态下的负荷特征，并基于多种不同算法得到的分解与辨识结果，提出了一种非侵入式电力负荷分解与辨识决策融合方法。程祥，李林芝等提出的非侵入式负荷监测与分解研究综述，对不同类型电力负荷进行分析，构建反映负荷用电特性的用户负荷特征量，进而获得实施分时电价后用户的需求响应负荷曲线。王晓换，李如意等提出的基于决策融合的非侵入式电力负荷辨识方法及应用，提出了考虑电价情况下的用户真实响应度曲线的获取方法，并给出了峰谷分时电价下用户响应行为的实时仿真流程。孔祥玉，杨群等提出的分时电价环境下用户负荷需求响应分析方法，阮文骏,王蓓蓓等提出的峰谷分时电价下的用户响应行为研究，对电力系统运行特性及供电成本展开分析，在电力系统最优规划与运行的假设条件下，建立了电力系统及负荷率分档用户的边际容量成本和边际电量成本模型，并用边际成本与两部制定价理论，计及电压等级价差获得负荷率分档的峰谷分时电价模型。但上述方法主要是基于用户整体特性，并未深入到用户内容设备的层面。
在非侵入式负荷监测模式下，通过负荷分解技术获得反映各负荷的运行状态，进而配合电网公司的需求侧管理信息，通过分析技术，获得用户对实行基于电价或激励等措施的需求响应特性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，包括以下几个步骤：
(1)应用非侵入负荷监测法进行主要电气量的采集；
(2)根据所述步骤(1)采集的电气量进行用户主要用电设备的负荷辨识；
(3)对所述步骤(2)辨识的负荷类型进行划分，并采用聚类方法进行用户用电负荷的归类；
(4)设定用电设备统计的监测周期和采样量要求；
(5)应用非侵入负荷监测法提取电价变化前后的用电设备启停及用电量变化情况；
(6)应用非侵入负荷监测法提取除电价以外的其他激励措施变化前后的用电设备启停及用电量变化情况；
(7)判断是否满足所述步骤(4)的采样量要求，如不满足，重复步骤(5)和(6)；如满足，则转步骤(8)；
(8)基于获得的需求响应分析样本，通过统计分析，形成用户用电负荷需求响应特性。
进一步的，所述步骤(3)采用聚类法将用户用电负荷归为三类，即不可控负荷、可迁移负荷和温控型负荷。
进一步的，所述不可控负荷数据是基于用户用电历史数据，通过预测算法对未来一日用电特性的预测。
进一步的，所述可迁移负荷的模型描述为：
Figure BDA0001511041290000031
Figure BDA0001511041290000032
Figure BDA0001511041290000033
Figure BDA0001511041290000034
其中，S表示可迁移负荷a的集合(a∈S)；
Figure BDA0001511041290000035
表示用电曲线序列，在一个优化时段内设备用电功率为定值，
Figure BDA0001511041290000036
取值为可迁移负荷a在该时段的平均用电功率；
Figure BDA0001511041290000037
表示可迁移负荷a的用电区间，αa与βa分别为可迁移负荷a允许工作时间的下限和上限；qa,k∈{0,1}，表示该可迁移负荷a在k时刻是否经历启动状态，0表示未经历启动状态，1表示经历启动状态；Ma表示可迁移负荷a工作周期时长；
Figure BDA0001511041290000038
表示可迁移负荷a在k时刻消耗的功率。
进一步的，所述温控型负荷是受天气温度影响的负荷，天气温度与用电设备消耗功率之间的数学关系描述为：
Figure BDA0001511041290000041
Figure BDA0001511041290000042
其中，
Figure BDA0001511041290000043
与
Figure BDA0001511041290000044
分别表示k时段末的室内温度与室外平均温度，室外温度通过天气预测得出；w1和w2分别表示室内和室外温度的惯性系数权重，且有w1+w2＝1；η表示用电设备的热传导效率，A表示热传导系数，
Figure BDA0001511041290000045
表示用电设备消耗的电能，
Figure BDA0001511041290000046
表示用电设备k时刻的平均功率，Δk表示用电设备的开启时长。
进一步的，所述步骤(5)和(6)应用非侵入负荷监测法提取用电设备启停及用电量变化情况是基于事件监测进行用电数据电气量的提取；具体包括：当检测到有事件发生时启动特性提取模块，若没有则继续监测直到有事件发生；特性提取是在已检测到有事件发生的条件下对采集到的电气量信息进行负荷特性的提取，如有功无功特性、谐波特性、电流电压特性等。
进一步的，所述负荷特性提取的内容包括低采集频率下时域的电流、电压、波形，以及由稳态数据解析的谐波频谱等频域特征值；低采集频率下用电设备状态发生改变(如设备的开启与关断等)的时间及功率变化量。
进一步的，所述步骤(8)用户用电负荷需求响应特性的求取分类及求取过程为：
(8.1)将温控型负荷和可迁移负荷的变化量分为削减负荷特征量和平移负荷特征量，第一类负荷(温控型负荷)为实际的负荷节约，第二类负荷(可迁移负荷)为高峰时段用电量的减少而产生的其他时段负荷的增加；
(8.2)对于第一类负荷，在高峰时段通过提高温度设定值来减少电能消耗，或直接关闭用电设备，等平时段或低谷时段再开启用电设备；用λfsave描述用户在高峰时段减少的电量dfsave与实行分时电价前高峰时段用电量dfNON的比值，有：
Figure BDA0001511041290000051
(8.3)对于第二类负荷，用户在高峰时段转移到平时段和低谷时段的电量分别用Δdfp和Δdfg表示，则有：
Δdftrans＝Δdfp+Δdfg
则用户在高峰时段转移到其他时段用电量的比值λftrans，即为：
Figure BDA0001511041290000052
其中，λfp和λfg分别表示高峰时段用户负荷平移电量到平时段和低谷时段的比例；通过不同类别负荷分析获得反映某一类型负荷的用电特性，进而获得实行分时电价后用户的需求响应特性曲线。
与现有技术相比，本发明所提供的基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，仅通过采集总端的电气参数，分析得到系统内各类负荷的含量和状态，利用非侵入负荷监测技术获得用户负荷的需求响应特性；相对侵入式技术，本发明无需针对系统内的每类负荷都进行单独监测，避免采购大量的硬件设备，节省了在采购、安装、维护时的量成本；
本发明将用户用电负荷分为不可控负荷、可迁移负荷和温控型负荷，解决了传统方法因为每个检测设备都是一个数据源，在负荷较多时，数据处理和分析变得比较困难的问题；有助于用户了解居住环境内不同时段各电器设备消耗电能的情况，制定合理的节能计划，有针对性的选购节能设备，从而降低能源消耗，减少电费开支。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法的流程意图；
图2是本发明实施例非侵入负荷监测系统的功能架构；
图3是本发明实施例非侵入负荷监测系统的输入输出模型；
图4是本发明示范例家庭部分负荷单独运行时的电流信号时域波形；
图5是本发明实施例分时电价前后总的负荷变化曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，包括以下几个步骤：
(1)应用非侵入负荷监测法进行主要电气量的采集。
(2)根据步骤(1)采集的电气量进行用户主要用电设备的负荷辨识。
在实施过程中，用户负荷个数的数量不同，少的包括几个用电设备，多的包括数十个用电设备，只要不同负荷的电流信号满足彼此间统计独立。随着负荷数量的增加，非侵入式负荷分解和影响分析运行所需时间会略有增加，但总体所需时间仍然较短。为完成用户负荷的需求响应分析，非侵入负荷监测系统包括但不限于数据采集模块、数据处理模块、事件检测模块、特性提取模块、负荷辨识模块、结果应用模块等部分，如图2所示。其中，数据采集模块用于采集非侵入式数据的电气量；数据处理模块对所采集的电气量进行加工，通过滤波等技术去除扰动信息；事件检测模块对由于家庭用电设备启停而导致电气量变化的检测；特征提取模块进行相应用电设备电气量特征的提取；负荷辨识模块则应用非侵入式负荷分解方法进行用电设备的辨识。
非侵入负荷监测系统的输入输出模型如图3所示。根据系统输入输出关系进行分析，每种负荷均可看作独立的系统，将其时域表征记作hi(t)；电网侧电压U(t)是输入激励信号；当负荷单独运行时所产生的电流信号Ii(t)为输出信号。各用户负荷独立运行时产生的电流信号Ii(t)，i＝1,2,…,n为算法的源信号，n为用电负荷的个数。电流信号Ii(t)的频域表示为下式：
Figure BDA0001511041290000071
式中，Ii(jω)为负荷独立运行时电流信号的频谱。避免电流信号量纲带来的影响，对其进行归一化处理，得到归一化频谱记作Ii-norm(jω)，求解公式为：
Figure BDA0001511041290000072
根据实际运行模型，非侵入负荷监测下所采集的混合电流信号为不同负荷独立运行时电流信号的线性叠加，将混合电流记作观测信号I(t)，即
Figure BDA0001511041290000073
式中，λi为各负荷支路的线性加权系数。考虑到实际中线路损耗及噪声对各支路的影响程度不同，加权系数应选择(0,1)之间的随机数。
(3)对步骤(2)辨识的负荷类型进行划分，并采用聚类方法进行用户用电负荷的归类，即归为三类：不可控负荷、可迁移负荷和温控型负荷；
不可控负荷采用表示
Figure BDA0001511041290000075
其表示在k时刻所有不可控负荷的用电功率，该不可控负荷数据主要基于用户用电历史数据，通过预测算法对未来一日用电特性的预测。
可迁移负荷的模型描述为：
Figure BDA0001511041290000074
Figure BDA0001511041290000081
Figure BDA0001511041290000082
Figure BDA0001511041290000083
其中，S表示可迁移负荷a的集合(a∈S)，如洗衣机、充电汽车等；
Figure BDA0001511041290000084
表示用电曲线序列，在一个优化时段内设备用电功率为定值，
Figure BDA0001511041290000085
取值为可迁移负荷a在该时段的平均用电功率；
Figure BDA0001511041290000086
表示可迁移负荷a的用电区间，αa与βa分别为可迁移负荷a允许工作时间的下限和上限；qa,k∈{0,1}，表示该可迁移负荷a在k时刻是否经历启动状态，0表示未经历启动状态，1表示经历启动状态；Ma表示可迁移负荷a工作周期时长；
Figure BDA0001511041290000087
表示可迁移负荷a在k时刻消耗的功率。
温控型负荷是受天气温度等影响的负荷，如空调等，天气温度与用电设备消耗功率之间的数学关系描述为：
Figure BDA0001511041290000088
Figure BDA0001511041290000089
其中，
Figure BDA00015110412900000810
与
Figure BDA00015110412900000811
分别表示k时段末的室内温度与室外平均温度，室外温度通过天气预测得出；w1和w2分别表示室内和室外温度的惯性系数权重，且有w1+w2＝1；η表示用电设备(如空调)的热传导效率，A表示热传导系数，
Figure BDA00015110412900000812
表示用电设备(如空调)消耗的电能，
Figure BDA00015110412900000813
表示用电设备k时刻的平均功率，Δk表示用电设备(如空调)的开启时长。
(4)考虑季节、节假日等因素的影响，设定用电设备统计的监测周期和采样量要求。在实施过程中，采样量包括电压和电流等电气量信息，监测周期可选择1周，可考虑季节、节假日等因素进行调整。
(5)结合电网公司营销运行信息，应用非侵入负荷监测法提取电价变化前后的用电设备启停及用电量变化情况；
(6)结合电网公司营销运行信息，应用非侵入负荷监测法提取除电价以外的其他激励措施变化前后的用电设备启停及用电量变化情况；
应用非侵入负荷监测法提取用电设备启停及用电量变化情况是基于事件监测进行用电数据电气量的提取，具体包括：当检测到有事件发生时启动特性提取模块，若没有则继续监测直到有事件发生；特性提取是在已检测到有事件发生的条件下对采集到的电气量信息进行负荷特性的提取，如有功无功特性、谐波特性、电流电压特性等。
负荷特性提取的内容包括低采集频率下时域的电流、电压、波形，以及由稳态数据解析的谐波频谱等频域特征值；低采集频率下用电设备状态发生改变(如设备的开启与关断等)的时间及功率变化量。
(7)判断是否满足步骤(4)的采样量要求，如不满足，重复步骤(5)和(6)；如满足，则转步骤(8)；
(8)基于获得的需求响应分析样本，通过统计分析，形成用户用电负荷需求响应特性。
用户用电负荷需求响应特性的求取分类及求取过程为：
(8.1)将温控型负荷和可迁移负荷的变化量分为削减负荷特征量和平移负荷特征量，第一类负荷(温控型负荷)为实际的负荷节约，第二类负荷(可迁移负荷)为高峰时段用电量的减少而产生的其他时段负荷的增加。本实施例采用机制分时电价(time-of-userate，TOU)，但其他类型电价，如尖峰电价折扣(peak time rebate，PTR)，固定尖峰电价(fixed critical peak pricing，CPP-F)，浮动尖峰电价(variable critical peakpricing，CPP-V)，以及实时电价(real time pricing，RTP)可以采用相同方法进行分析。
(8.2)对于第一类负荷，在高峰时段通过提高温度设定值来减少电能消耗，或直接关闭用电设备，等平时段或低谷时段再开启用电设备；用λfsave描述用户在高峰时段减少的电量dfsave与实行分时电价前高峰时段用电量dfNON的比值，有：
Figure BDA0001511041290000101
(8.3)对于第二类负荷，用户在高峰时段转移到平时段和低谷时段的电量分别用Δdfp和Δdfg表示，则有：
Δdftrans＝Δdfp+Δdfg (11)
则用户在高峰时段转移到其他时段用电量的比值λftrans，即为：
Figure BDA0001511041290000102
其中，λfp和λfg分别表示高峰时段用户负荷平移电量到平时段和低谷时段的比例；第一类负荷为第二类负荷的特殊情况，其λfp和λfg值为0，通过不同类别负荷分析获得反映某一类型负荷的用电特性，进而获得实行分时电价后用户的需求响应特性曲线。
实例分析
为了说明本发明的需求响应分析方法在用户用电负荷非侵入式负荷分解中的应用效果，选取了典型家庭作为研究对象，通过非侵入采集模式下获取的用户负荷实测数据进行负荷需求响应特性分析验证。
选取典型居民负荷，且种类全面，覆盖了电阻型、电机型及开关电源型等多种类型。由于家庭当中，负荷在开启与关闭之间切换，因此需要进行分解的负荷数量会发生变化。图4给出了家庭部分负荷单独运行时的电流信号时域波形，从图4中可以看出，所选负荷电流信号波形彼此相差较大，包括实施用电管理对用户舒适度影响较大的电视机、电吹风等；可以通过时间平移实现用电优化的加热器、洗衣机、电饭煲负荷，以及通过调整档位实现功率变化的微波炉、空调等。电动汽车可以在使用前任意时段进行充电，通常选择电价较低的时刻进行充电，甚至可以在电价较高的时刻进行放电，并不会影响用户的舒适度。
基于非侵入式技术，可以将不同分时电价时刻情况下，不同类型的负荷基于电流信号分解出来。通过长时间的分析判断，可以获得电价变化情况下用户的负荷类型成分及用电特性。考虑不同的用电场景，除了用户会有不同的用电习惯以及对于各种用电设备的运行参数设定不同之外，不同的用电设备扮演的角色也不同。如电动汽车，在工作日，由于第二天需要使用，因此必须要在早上出门前完成充电任务，此时电动汽车作为一个用电设备参与家庭负荷规划；在周末，电动汽车没有第二天出行的任务，可以作为储能参与家庭负荷规划。例如热水器，在工作日，由于用户上班期间，没有热水使用的需求，仅需要在用户晚上睡前洗澡之前将热水加热到指定温度即可，可以看成是用电设备，无需考虑其指标连续的特性；在周末，由于用户需要不定时的使用热水，因此需要对用户的热水使用量进行估计，并且考虑到冷水进入热水器以及自然冷却的影响，此时就需要考虑指标连续特性了。
分时电价前后总的负荷变化曲线如图5所示，从图5中可以看出，总负荷在电价高峰时间有所减少，且减少的多为洗衣机、空调等类型负荷；而在用电低谷时刻，电动汽车及热水器的用电比例有所增加，具有一定的规律性。由于用户主动的进行需求响应，也平滑了负荷曲线，减少了高峰时刻电网公司发电备用的压力。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)应用非侵入负荷监测法进行主要电气量的采集；
(2)根据所述步骤(1)采集的电气量进行用户主要用电设备的负荷辨识；
(3)对所述步骤(2)辨识的负荷类型进行划分，并采用聚类方法进行用户用电负荷的归类；
所述步骤(3)采用聚类法将用户用电负荷归为三类，即不可控负荷、可迁移负荷和温控型负荷；
(4)设定用电设备统计的监测周期和采样量要求；
(5)应用非侵入负荷监测法提取电价变化前后的用电设备启停及用电量变化情况；
(6)应用非侵入负荷监测法提取除电价以外的其他激励措施变化前后的用电设备启停及用电量变化情况；
(7)判断是否满足所述步骤(4)的采样量要求，如不满足，重复步骤(5)和(6)；如满足，则转步骤(8)；
(8)基于获得的需求响应分析样本，通过统计分析，形成用户用电负荷需求响应特性；
所述步骤(8)用户用电负荷需求响应特性的求取分类及求取过程为：
(8.1)将温控型负荷和可迁移负荷的变化量分为削减负荷特征量和平移负荷特征量，第一类负荷为实际的负荷节约，第二类负荷为高峰时段用电量的减少而产生的其他时段负荷的增加；
(8.2)对于第一类负荷，在高峰时段通过提高温度设定值来减少电能消耗，或直接关闭用电设备，等平时段或低谷时段再开启用电设备；用λfsave描述用户在高峰时段减少的电量dfsave与实行分时电价前高峰时段用电量dfNON的比值，有：
Figure FDA0003238896670000021
(8.3)对于第二类负荷，用户在高峰时段转移到平时段和低谷时段的电量分别用Δdfp和Δdfg表示，则有：
Δdftrans＝Δdfp+Δdfg
则用户在高峰时段转移到其他时段用电量的比值λftrans，即为：
Figure FDA0003238896670000022
其中，λfp和λfg分别表示高峰时段用户负荷平移电量到平时段和低谷时段的比例；通过不同类别负荷分析获得反映某一类型负荷的用电特性，进而获得实行分时电价后用户的需求响应特性曲线。
2.如权利要求1所述的基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，其特征在于，所述不可控负荷数据是基于用户用电历史数据，通过预测算法对未来一日用电特性的预测。
3.如权利要求1所述的基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，其特征在于，所述可迁移负荷的模型描述为：
Figure FDA0003238896670000023
Figure FDA0003238896670000024
Figure FDA0003238896670000025
Figure FDA0003238896670000026
其中，S表示可迁移负荷a的集合，a∈S；
Figure FDA0003238896670000027
表示用电曲线序列，在一个优化时段内设备用电功率为定值，
Figure FDA0003238896670000028
取值为可迁移负荷a在该时段的平均用电功率；
Figure FDA0003238896670000031
表示可迁移负荷a的用电区间，αa与βa分别为可迁移负荷a允许工作时间的下限和上限；qa,k∈{0,1}，表示该可迁移负荷a在k时刻是否经历启动状态，0表示未经历启动状态，1表示经历启动状态；Ma表示可迁移负荷a工作周期时长；
Figure FDA0003238896670000032
表示可迁移负荷a在k时刻消耗的功率。
4.如权利要求1所述的基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，其特征在于，所述温控型负荷是受天气温度影响的负荷，天气温度与用电设备消耗功率之间的数学关系描述为：
Figure FDA0003238896670000033
Figure FDA0003238896670000034
其中，
Figure FDA0003238896670000035
与
Figure FDA0003238896670000036
分别表示k时段末的室内温度与室外平均温度，室外温度通过天气预测得出；w1和w2分别表示室内和室外温度的惯性系数权重，且有w1+w2＝1；η表示用电设备的热传导效率，A表示热传导系数，
Figure FDA0003238896670000037
表示用电设备消耗的电能，
Figure FDA0003238896670000038
表示用电设备k时刻的平均功率，Δk表示用电设备的开启时长。
5.如权利要求1所述的基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，其特征在于，所述步骤(5)和(6)应用非侵入负荷监测法提取用电设备启停及用电量变化情况是基于事件监测进行用电数据电气量的提取；具体包括：当检测到有事件发生时启动特性提取模块，若没有则继续监测直到有事件发生；特性提取是在已检测到有事件发生的条件下对采集到的电气量信息进行负荷特性的提取。
6.如权利要求5所述的基于非侵入式用电数据的需求响应分析方法，其特征在于，所述负荷特性的提取的内容包括低采集频率下时域的电流、电压、波形，以及由稳态数据解析的谐波频谱；低采集频率下用电设备状态发生改变的时间及功率变化量。
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