CN108595376A - 一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法，包括：在一定的采样频率范围内，对总电源进线的电压和电流进行采样，计算平均功率序列及二次谐波序列；对平均功率序列计算稳定功率抬升，对二次谐波序列计算稳定二次谐波抬升，以及计算抬升过程中的冲击功率最大值，判断冲击功率与稳定功率抬升的比值是否大于第一阈值，如是则记录抬升时间点；对平均功率序列计算稳定功率下降，判断稳定功率上升与稳定功率下降的差值的绝对值是否小于第二阈值，如是则记录下降时间点，并计算持续时间；判断持续时间和二次谐波抬升是否均大于相应阈值，如是则判断为定频空调，否则为冲击钻。本发明能高效快速的区分定频空调及冲击钻。

Description

一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，特别涉及一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法。

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％。以美国为例，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。

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)：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。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。定频空调与冲击钻的主要部件都是异步电动机，因此其功率波形极为相似。现有的定频空调主要判据就是在启动瞬间有很大的冲击功率，而冲击钻也同样有很大的冲击功率，因此现有方法很难区分冲击钻与定频空调。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法，能够简单高效的区分定频空调及冲击钻，提高定频空调和冲击钻的辨识精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法，包括以下步骤：

步骤S1，在一定的采样频率范围内，对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，并计算平均功率序列及二次谐波序列；

步骤S2，对所述平均功率序列计算稳定功率抬升，对所述二次谐波序列计算稳定二次谐波抬升，以及计算抬升过程中的冲击功率最大值，判断所述冲击功率与所述稳定功率抬升的比值是否大于第一阈值，如是则记录抬升时间点；

步骤S3，对所述平均功率序列计算稳定功率下降，判断所述稳定功率上升与所述稳定功率下降的差值的绝对值是否小于第二阈值，如是则记录下降时间点，并计算自所述抬升时间点至所述下降时间点的持续时间；

步骤S4，判断所述持续时间和所述二次谐波抬升是否均大于相应阈值，如是则判断为定频空调，否则为冲击钻。

其中，所述步骤S1具体包括：

设电压采样序列u和电流采样序列i，对电压采样序列u和电流采样序列i分别做快速傅里叶变换：

U_N＝FFT(u(t))

I_N＝FFT(i(t))

其中，t＝k+1,k+2,…,k+N，k为电流电压采样序列编号，FFT为快速傅里叶变换函数，对于N个点进行快速傅里叶变换后，得到的是N个复数点，则第n个点代表的频率为：

f_n＝f×_n/N

其中，n＝0,1,2,…,N-1，第0个点表示直流分量，求取基波f₀＝50Hz及二次谐波2f₀＝100Hz对应的点序列为：

n₀＝N×f₀/f

n₁＝2N×f₀/f

对于复数序列U_N、I_N记n₀、n₁个点对应的复数为：

U_N(n₀)＝U_x(n₀)+jU_y(n₀)

I_N(n₀)＝I_x(n₀)+jI_y(n₀)

I_N(n₁)＝I_x(n₁)+jI_y(n₁)

其中，j为复数单位，则平均功率序列P及二次谐波序列im_s计算公式为：

其中，采样频率的范围为0.5kHz～2kHz，N取值为2的整数次幂。

其中，所述步骤S2中，功率及二次谐波在5秒后达到稳定，在1秒达到冲击最大值，设稳定功率抬升为ΔP_s，稳定二次谐波抬升为Δim_s，抬升过程中的冲击功率最大值为P_max，第一阈值为K，则有：

ΔP_s＝P(t_s+5)-P(t_s)

Δim_s＝im(t_s+5)-im(t_s)

P_max＝max(P(t_s～t_s+1))

其中，t_s为抬升起始点，单位为秒，max(P(t_s～t_s+1))表示对t_s至t_s+1时间段内的连续有功序列求取最大值，第一阈值K大于2.5。

其中，所述步骤S3中，设稳定功率下降为ΔP_e，给定第二阈值，即功率匹配误差阈值ΔP₀，如果有：

|ΔP_e-ΔP_s|<ΔP₀

则记录下降时间点t_e，判断t_s时刻的启动和t_e时刻的功率下降为同一电器的启停过程，功率下降是在很短时间内完成，推前0.5秒求取功率降落，则有：

ΔP_e＝P(t_e-0.5)-P(t_e)

Δim_s＝im(t_e-0.5)-im(t_e+0.1)

Δt＝t_e-t_s

Δt为自所述抬升时间点t_s至所述下降时间点t_e的持续时间。

其中，给定持续时间阈值ΔT，以及二次谐波增量阈值ΔIM_s，如果Δt>ΔT且Δim_s>ΔIM_s则判断为空调，否则判断为冲击钻。

本发明实施例的有益效果在于：本发明依据定频空调及冲击钻两者启动时的二次谐波特性以及持续时间特性的差异，能够简单高效的区分定频空调及冲击钻，从而提高了定频空调和冲击钻的辨识精度，细化了非侵入式负荷辨识结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法的流程示意图。

图2为本发明实施例一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法的具体流程示意图。

图3为本发明实施例中定频空调有功功率及二次谐波的计算结果图。

图4为本发明实施例中冲击钻有功功率及二次谐波的计算结果图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

请参照图1所示，本发明实施例提供一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法，包括以下步骤：

步骤S1，在一定的采样频率范围内，对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，并计算平均功率序列及二次谐波序列；

步骤S2，对所述平均功率序列计算稳定功率抬升，对所述二次谐波序列计算稳定二次谐波抬升，以及计算抬升过程中的冲击功率最大值，判断所述冲击功率最大值与所述稳定功率抬升的比值是否大于第一阈值，如是则记录抬升时间点；

步骤S3，对所述平均功率序列计算稳定功率下降，判断所述稳定功率上升与所述稳定功率下降的差值的绝对值是否小于第二阈值，如是则记录下降时间点，并计算自所述抬升时间点至所述下降时间点的持续时间；

步骤S4，判断所述持续时间和所述二次谐波抬升是否均大于相应阈值，如是则判断为定频空调，否则为冲击钻。

具体地，以下结合图2进一步说明。

步骤S1中，采样频率f的范围为0.5kHz～2kHz，设电压采样序列u和电流采样序列i，对电压采样序列u和电流采样序列i分别做快速傅里叶变换：

U_N＝FFT(u(t))

I_N＝FFT(i(t))

其中，t＝k+1,k+2,…,k+N，k为电流电压采样序列编号，FFT为快速傅里叶变换函数，对于N个点进行快速傅里叶变换后，得到的是N个复数点，则第n个点代表的频率为：

f_n＝f×_n/N

其中，n＝0,1,2,…,N-1，第0个点表示直流分量，求取基波f₀＝50Hz及二次谐波2f₀＝100Hz对应的点序列为：

n₀＝N×f₀/f

n₁＝2N×f₀/f

对于复数序列U_N、I_N记n₀、n₁个点对应的复数为：

U_N(n₀)＝U_x(n₀)+jU_y(n₀)

I_N(n₀)＝I_x(n₀)+jI_y(n₀)

I_N(n₁)＝I_x(n₁)+jI_y(n₁)

其中，j为复数单位，则平均功率序列P及二次谐波序列im_s计算公式为：

其中N为进行快速傅里叶分析的点数，为了提高准确性，一般为2的整数次幂，arctan()为反正切函数，求取的角度为弧度制。

步骤S2中，功率及二次谐波在5秒后达到稳定，在1秒达到冲击最大值，设稳定功率抬升为ΔP_s，稳定二次谐波抬升为Δim_s，抬升过程中的冲击功率最大值为P_max，第一阈值为K，则有：

ΔP_s＝P(t_s+5)-P(t_s)

Δim_s＝im(t_s+5)-im(t_s)

P_max＝max(P(t_s～t_s+1))

其中，t_s为抬升起始点，单位为秒，max(P(t_s～t_s+1))表示对t_s至t_s+1时间段内的连续有功序列求取最大值，第一阈值K一般大于2.5。

判断k＝P_max/ΔP_s>K是否成立，如是，则为空调或者冲击钻，记录抬升时间点t_s。

步骤S3中，设稳定功率下降为ΔP_e，给定第二阈值，即功率匹配误差阈值ΔP₀，如果有：

|ΔP_e-ΔP_s|<ΔP₀

则记录下降时间点t_e，判断t_s时刻的启动和t_e时刻的功率下降为同一电器的启停过程，功率下降是在很短时间内完成，推前0.5秒求取功率降落，则有：

ΔP_e＝P(t_e-0.5)-P(t_e)

Δim_s＝im(t_e-0.5)-im(t_e+0.1)

Δt＝t_e-t_s

Δt即为自所述抬升时间点t_s至所述下降时间点t_e的持续时间。

步骤S4中，给定第三阈值——即持续时间阈值ΔT，以及第四阈值——二次谐波增量阈值ΔIM_s，如果Δt>ΔT且Δim_s>ΔIM_s则判断为空调，否则判断为冲击钻。换言之，如果一个启动冲击倍数超过阈值的完整启停过程，其持续时间及启动时二次谐波增量均大于相应的给定阈值，则判断为空调，否则为冲击钻。

Δt<ΔT且Δim_s<ΔIM_s，则判断为冲击钻。

请再参照图3和图4所示，分别为采用本发明实施例的辨识方法对定频空调有功功率及二次谐波的计算结果图和对冲击钻有功功率及二次谐波的计算结果图。假设采样频率f＝800Hz，取5个周波的前4个周波共64个点进行快速傅里叶变换，然后计算平均功率序列P及二次谐波序列im_s，则求取结果为0.1秒一个平均功率点和二次谐波点。

对于图3，给定第一阈值K＝2.5，则有：

ΔP_s＝P(t_s+5)-P(t_s)＝692-97.2＝594.8(W)

Δim_s＝im(t_s+5)-im(t_s)＝(176.2-7.515)/500＝0.337(A)

P_max＝max(P(t_s～t_s+1))＝4061-92.7＝3968.3(W)

则k＝P_max/ΔP_s＝6.67>2.5，记录时刻t_s＝26.6(s)

ΔP_e＝P(t_e-0.5)-P(t_e)＝776.5-95.25＝681.25(W)

给定第二阈值ΔP₀＝100(W)，则有|ΔP_e-ΔP_s|＝86.45<ΔP₀，记录t_e＝332.4(s)。

对于图4，给定第一阈值K＝2.5，则有：

ΔP_s＝P(t_s+5)-P(t_s)＝1026-287.1＝738.9(W)

Δim_s＝im(t_s+5)-im(t_s)＝(14.23-3.418)/500＝0.0216(A)

P_max＝max(P(t_s～t_s+1))＝3051-287.1＝2763.9(W)

则k＝P_max/ΔP_s＝3.74>2.5，记录时刻t_s＝2.3(s)

ΔP_e＝P(t_e-0.5)-P(t_e)＝1106-292.2＝813.8(W)

给定第二阈值ΔP₀＝100(W)，则有|ΔP_e-ΔP_s|＝74.9<ΔP₀，记录t_e＝23.1(s)。

然后给定第三阈值ΔT＝30(s)、第四阈值ΔIM_s＝0.1(A)，则根据上述的计算结果可知，图3所示同时满足以下条件：

Δt>ΔT

Δim_s>ΔIM_s

则辨识图3所示为定频空调；而图4所示的计算结果不同时满足上述条件，则辨识为冲击钻。

通过上述说明可知，本发明实施例的有益效果在于，本发明依据定频空调及冲击钻两者启动时的二次谐波特性以及持续时间特性的差异，能够简单高效的区分定频空调及冲击钻，从而提高了定频空调和冲击钻的辨识精度，细化了非侵入式负荷辨识结果。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种区分定频空调与冲击钻的非侵入负荷辨识方法，包括以下步骤：

步骤S1，在一定的采样频率范围内，对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，并计算平均功率序列及二次谐波序列；

步骤S2，对所述平均功率序列计算稳定功率抬升，对所述二次谐波序列计算稳定二次谐波抬升，以及计算抬升过程中的冲击功率最大值，判断所述冲击功率与所述稳定功率抬升的比值是否大于第一阈值，如是则记录抬升时间点；

步骤S3，对所述平均功率序列计算稳定功率下降，判断所述稳定功率上升与所述稳定功率下降的差值的绝对值是否小于第二阈值，如是则记录下降时间点，并计算自所述抬升时间点至所述下降时间点的持续时间；

步骤S4，判断所述持续时间和所述二次谐波抬升是否均大于相应阈值，如是则判断为定频空调，否则为冲击钻。

2.如权利要求1所述的辨识方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

设电压采样序列u和电流采样序列i，对电压采样序列u和电流采样序列i分别做快速傅里叶变换：

U_N＝FFT(u(t))

I_N＝FFT(i(t))

其中，t＝k+1,k+2,…,k+N，k为电流电压采样序列编号，FFT为快速傅里叶变换函数，对于N个点进行快速傅里叶变换后，得到的是N个复数点，则第n个点代表的频率为：

f_n＝f×_n/N

其中，n＝0,1,2,…,N-1，第0个点表示直流分量，求取基波f₀＝50Hz及二次谐波2f₀＝100Hz对应的点序列为：

n₀＝N×f₀/f

n₁＝2N×f₀/f

对于复数序列U_N、I_N记n₀、n₁个点对应的复数为：

U_N(n₀)＝U_x(n₀)+jU_y(n₀)

I_N(n₀)＝I_x(n₀)+jI_y(n₀)

I_N(n₁)＝I_x(n₁)+jI_y(n₁)

其中，j为复数单位，则平均功率序列P及二次谐波序列im_s计算公式为：

3.如权利要求2所述的辨识方法，其特征在于，采样频率的范围为0.5kHz～2kHz，N取值为2的整数次幂。

4.如权利要求1所述的辨识方法，其特征在于，所述步骤S2中，功率及二次谐波在5秒后达到稳定，在1秒达到冲击最大值，设稳定功率抬升为ΔP_s，稳定二次谐波抬升为Δim_s，抬升过程中的冲击功率最大值为P_max，第一阈值为K，则有：

ΔP_s＝P(t_s+5)-P(t_s)

Δim_s＝im(t_s+5)-im(t_s)

P_max＝max(P(t_s～t_s+1))

其中，t_s为抬升起始点，单位为秒，max(P(t_s～t_s+1))表示对t_s至t_s+1时间段内的连续有功序列求取最大值，第一阈值K大于2.5。

5.如权利要求1所述的辨识方法，其特征在于，所述步骤S3中，设稳定功率下降为ΔP_e，给定第二阈值，即功率匹配误差阈值ΔP₀，如果有：

|ΔP_e-ΔP_s|<ΔP₀

则记录下降时间点t_e，判断t_s时刻的启动和t_e时刻的功率下降为同一电器的启停过程，功率下降是在很短时间内完成，推前0.5秒求取功率降落，则有：

ΔP_e＝P(t_e-0.5)-P(t_e)

Δim_s＝im(t_e-0.5)-im(t_e+0.1)

Δt＝t_e-t_s

Δt为自所述抬升时间点t_s至所述下降时间点t_e的持续时间。

6.如权利要求1所述的辨识方法，其特征在于，所述步骤S4中，给定持续时间阈值ΔT，以及二次谐波增量阈值ΔIM_s，如果Δt>ΔT且Δim_s>ΔIM_s则判断为空调，否则判断为冲击钻。