CN108267637A - 一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法 - Google Patents

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王旭东
吴磊
于建成
李国栋
丁
丁一
徐科
陈培育
刘博�
刘浩
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State Grid Corp of China SGCC
State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、对洗衣机总电源进线处的电压和电流进行采样，形成电压采样和电流采样序列；步骤2、计算洗衣机总电源进线处的有功功率和无功功率；步骤3、选取有功功率序列P和无功功率序列Q的一组样本量进行频谱分析，得到有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性；步骤4、判断是否有洗衣机启动,如未启动,则返回步骤3。本发明充分考虑了洗衣机工作时既有有功功率波动又有无功功率波动的特点，从而准确可靠识别洗衣机的运行状态，增加了洗衣机非侵入式辨识的准确性和稳定性。

Description

一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法
技术领域
本发明属于智能用电技术领域，涉及洗衣机非侵入式检测方法，尤其是一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法。
背景技术
电力负荷监测与分解技术是一种新颖的智能电网用电监测技术。它能够通过对用户总的电压电流信号进行监测与计算，分解得到居民用户内部各种电器设备的工作状态、运行时长以及能量消耗等具体化信息，从而进一步实现精确的能量管理。电力负荷监测与分解技术可以使用户依据电力负荷监测与分解得到的精细化数据，更加清楚地了解掌握各个用电设备的运行状态和耗电情况，调整和优化用电行为，合理安排用电设备的使用时间，最终实现减少电费的目的。相关数据表明，如果家庭用户能及时了解住宅电器的详细用电信息，就能使得每月电费开支下降5％～15％。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，本发明的主要研究对象是住宅用电负荷。
电力负荷监测与分解技术主要分为侵入式电力负荷监测与分解(Intrusive loadmonitoring and disaggregation,ILMD)和非侵入式电力负荷监测与分解(Non-Intrusiveload monitoring and disaggregation,NILMD)两种。
侵入式电力负荷监测与分解需要在每个待监测的用电设备处安装传感器，并通过电话线、电力载波或无线通信等技术将单个用电设备的用电信息传输至数据处理中心。这种监测方式主要存在以下几个缺点：1)传感器的安装、运行及维护需要投入大量的人力、物力和财力；2)系统结构越简单可靠性就越高，传感器等硬件设备的大量安装和使用降低了监测系统的可靠性；3)传感器“侵入”负荷的安装方式给用户的生活、生产带来了诸多不便，甚至影响系统的安全运行。
非侵入式电力负荷监测与分解旨在提供一种高效的电力负荷监测方式，为电力公司和用户提供用电设备的详细用电信息。NILMD无须侵入总负荷内部在每个待监测的用电设备上安装传感器，仅需在电力总口处(居民小区电力总进口、住宅进线总开关处或工、商业负荷总线上)安装监测设备，通过采集和分析电力总口处的电压和电流来获取总负荷内部每个/类用电设备的工作状态和耗电功率等用电信息，从而了解每个/类用电设备的运行情况及用电规律。NILMD以分解算法代替工系统的传感器网络，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中新一代核心技术,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。
洗衣机是家庭中经常用到的电器，其工作原理是通过电动机的转动带动转桶，使衣物、水和洗衣液“充分”接触，完成洗涤、甩干等功能。家用洗衣机的稳态有功功率一般在200W～1000W之间，由于电动机属于感性设备，因而消耗无功功率，无功功率在20Var～100Var。
综上所述，NILMD技术已经成为研究热点，对于节能减排、电力系统的规划、运行、管理以及智能电网的建设实施均具有重要意义。目前，NILMD技术多停留在理论研究阶段，对于多状态电器设备尤其是洗衣机的分解辨识等关键技术研究都有待突破。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设计合理、辨识结果准确、稳定且可靠性高的基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法，包括以下步骤：
步骤1、在一定的采样频率范围内，以一定的采样频率对洗衣机总电源进线处的电压和电流进行采样，形成电压采样u和电流采样序列i；
步骤2、在一定计算时间窗口内，计算洗衣机总电源进线处的有功功率和无功功率，分别组成序列P和序列Q；
步骤3、选取有功功率序列P和无功功率序列Q的一组样本量进行频谱分析，得到有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性；
步骤4、根据步骤3中有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性判断是否有洗衣机启动,如未启动,则返回步骤3。
而且，所述步骤1中的采样频率范围为f＝5kHz～100kHz。
而且，所述步骤2中有功功率P和无功功率Q的计算公式为：
其中，a为有功功率P和无功功率Q的计算时间窗口所含工频周期数目，取a＝10个工频周期，j为采样点编号，R为一个工频周期所包含的采样点数目。
而且，所述步骤3中所述有功功率P和无功功率Q的幅频特性包括幅值结果序列和频率结果序列，其计算公式为：
Hp[l]＝FFT(P),fp[l]＝(l-1)*50/(a*Rs)
Hq[m]＝FFT(Q),fQ[m]＝(m-1)*50/(a*Rs)
其中，l,m＝1,2,…,Rs，FFT表示傅里叶变换运算，Hp[l]、HQ[l]为幅值结果序列，fp[l]、fQ[l]为频率结果序列，Rs为参与本次傅里叶变换的P和Q的样本数量，Rs取100～2000。
而且，所述步骤4的判断方法为：扫描幅频特性中的幅值结果序列Hp[l]、HQ[l]和频率结果序列fp[l]、fQ[l]，如果有功无功综合频谱在0.01Hz～0.05Hz频率范围内同时存在幅值大于50W的有功频谱分量和的40Var无功频谱分量，即可判断当前计算时间窗口内有洗衣机启动，否则滑动时间窗口，返回步骤3对有功功率序列P和无功功率序列Q的下一组样本量进行傅里叶变换。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明的提供一种能够准确感知洗衣机的运行的基于混合频谱特性的洗衣机运行检测方法，该方法相较于单一有功功率分析，充分考虑了洗衣机工作时既有有功功率波动又有无功功率波动的特点，从而准确可靠识别洗衣机的运行状态，增加了洗衣机非侵入式辨识的准确性和稳定性。
附图说明
图1是本发明的处理流程图；
图2是本发明的系统构成框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
步骤1、在一定的采样频率范围内，以一定的采样频率对洗衣机总电源进线处的电压和电流进行采样，形成电压采样u和电流采样序列i；
在本实施例中，所述步骤1中的采样频率范围为f＝5kHz～100kHz。
步骤2、在一定计算时间窗口内，计算洗衣机总电源进线处的有功功率和无功功率，分别组成序列P和序列Q；
在本实施例中，所述步骤2中有功功率P和无功功率Q的计算公式为：
其中，a为有功功率P和无功功率Q的计算时间窗口所含工频周期数目，取a＝10个工频周期，j为采样点编号，R为一个工频周期所包含的采样点数目。
步骤3、选取有功功率序列P和无功功率序列Q的一组样本量进行频谱分析(即傅里叶变换)，得到有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性；
在本实施例中，所述步骤3中所述有功功率P和无功功率Q的幅频特性包括幅值结果序列和频率结果序列，其计算公式为：
Hp[l]＝FFT(P),fp[l]＝(l-1)*50/(a*Rs)
Hq[m]＝FFT(Q),fQ[m]＝(m-1)*50/(a*Rs)
其中，l,m＝1,2,…,Rs，FFT表示傅里叶变换运算，Hp[l]、HQ[l]为幅值结果序列，fp[l]、fQ[l]为频率结果序列，Rs为参与本次傅里叶变换的P和Q的样本数量，Rs取100～2000。
步骤4、根据步骤3中有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性判断是否有洗衣机启动,如未启动,则返回步骤3；
在本实施例中，所述步骤4的判断方法为：扫描幅频特性中的幅值结果序列Hp[l]、HQ[l]和频率结果序列fp[l]、fQ[l]，如果有功无功综合频谱在0.01Hz～0.05Hz频率范围内同时存在幅值大于50W的有功频谱分量和的40Var无功频谱分量，即可判断当前计算时间窗口内有洗衣机启动，否则滑动时间窗口，返回步骤3对有功功率序列P和无功功率序列Q的下一组样本量进行傅里叶变换。
一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测系统，如图2所示，包括数据采集模块、功率序列计算模块、频谱分析模块和判别模块；
所述数据采集模块用于以一定采样频率，对总电源进线处的电压和电流进行采样，形成电压采样u和电流采样序列i；
所述功率序列计算模块用于在一定计算时间窗口内，计算总电源进线处的实时平均有功功率和实时平均无功功率，分别组成序列P和序列Q；
所述频谱分析模块用于选取有功功率序列P和无功功率序列Q的一组样本量进行频谱分析，得到有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性；
所述频谱分析模块用于根据步骤有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性判断是否有洗衣机启动,如未启动,则返回频谱分析模块进行处理。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、在一定的采样频率范围内，以一定的采样频率对洗衣机总电源进线处的电压和电流进行采样，形成电压采样u和电流采样序列i；
步骤2、在一定计算时间窗口内，计算洗衣机总电源进线处的有功功率和无功功率，分别组成序列P和序列Q；
步骤3、选取有功功率序列P和无功功率序列Q的一组样本量进行频谱分析，得到有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性；
步骤4、根据步骤3中有功功率序列P和无功功率序列Q的幅频特性判断是否有洗衣机启动,如未启动,则返回步骤3。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法，其特征在于：所述步骤1中的采样频率范围为f＝5kHz～100kHz。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法，其特征在于：所述步骤2中有功功率P和无功功率Q的计算公式为：
其中，a为有功功率P和无功功率Q的计算时间窗口所含工频周期数目，取a＝10个工频周期，j为采样点编号，R为一个工频周期所包含的采样点数目。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法，其特征在于：所述步骤3中所述有功功率P和无功功率Q的幅频特性包括幅值结果序列和频率结果序列，其计算公式为：
Hp[l]＝FFT(P),fp[l]＝(l-1)*50/(a*Rs)
Hq[m]＝FFT(Q),fQ[m]＝(m-1)*50/(a*Rs)
其中，l,m＝1,2,…,Rs，FFT表示傅里叶变换运算，Hp[l]、HQ[l]为幅值结果序列，fp[l]、fQ[l]为频率结果序列，Rs为参与本次傅里叶变换的P和Q的样本数量，Rs取100～2000。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于混合频谱特性的洗衣机非侵入式运行检测方法，其特征在于：所述步骤4的判断方法为：扫描幅频特性中的幅值结果序列Hp[l]、HQ[l]和频率结果序列fp[l]、fQ[l]，如果有功无功综合频谱在0.01Hz～0.05Hz频率范围内同时存在幅值大于50W的有功频谱分量和的40Var无功频谱分量，即可判断当前计算时间窗口内有洗衣机启动，否则滑动时间窗口，返回步骤3对有功功率序列P和无功功率序列Q的下一组样本量进行傅里叶变换。
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