CN110426554A - 家用负荷电气特征提取方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种家用负荷电气特征提取方法，该方法包括：实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据，电参量数据包括有功功率、基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流；根据电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波；根据起始周波和结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算负荷投切事件的电气特征；将计算得到的电气特征与电气特征库中预设的电气特征进行匹配，确定负荷投切事件对应的负荷类型。本发明还公开了一种家用负荷电气特征提取装置以及计算机可读存储介质。本发明优化了家用负荷的电气特征提取方式，提高了非侵入式负荷监测时负荷辨识的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及非侵入式负荷监测技术领域，尤其涉及一种家用负荷电气特征提取方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
随着能源短缺问题的日益严重，节能成为重要研究课题。电能在能源消耗中占有十分重要的地位，并且其比重逐步增大。负荷用电情况的在线监测对需求侧响应、用户的用电管理以及节能降耗方面具有十分重要的意义。目前，负荷监测可分为“侵入式”与“非侵入式”两种方法。侵入式负荷监测方法是从直接从单个设备回路提取负荷电气特征，而非侵入式负荷监测方法是在电力入口处的多设备叠加回路中提取负荷电气特征，因而，非侵入式方法与侵入式方法相比，安装维护方便、成本低，不需要在系统内部单独安装传感器或者测量仪表，只需要在电力入口处安装表计即可。因此，非侵入式负荷监测因具有明显优势已经成为用电监测的主流研究方向。
非侵入式负荷监测的一个重要基础就是各类家用负荷的电气特征。负荷特征选取的好坏及辨析度的高低会很大程度影响负荷监测的效果。通过分析电器的工作原理，发现负荷的绝大多数电气特征具有较高的辨识度，如无功功率和功率因数能区分电阻类和感容类负荷以及感容性程度、线性和非线性负荷以及非线性程度，功率因数越接近于1，负荷越接近于电阻类，功率因数低的负荷大多是电感类负荷和/或非线性负荷，电流谐波含量及总谐波畸变能区分线性和非线性负荷以及非线性程度。
在选择确定负荷特征后，特征提取将直接影响负荷监测的结果。单负荷情况下，特征提取比较简单，负荷监测准确度也比较高。而在多负荷情况下，由于除有功功率以外的无功功率、视在功率、功率因数、谐波畸变不满足线性叠加性质，此时特征提取变得较为复杂，如果采用直接相减的方式，则提取的负荷特征与该负荷的固有特征差别很大，进而导致负荷监测准确度大大降低。因此，在非侵入式负荷监测技术领域，为保证负荷辨识准确度，设计准确有效的负荷特征提取方法是一个关键问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种家用负荷电气特征提取方法、装置及计算机可读存储介质，旨在解决在非侵入式负荷监测技术时负荷辨识准确度低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种家用负荷电气特征提取方法，所述家用负荷电气特征提取方法包括：
实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据，所述电参量数据包括有功功率、基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流；
根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波；
根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征；
将计算得到的电气特征与电气特征库中预设的电气特征进行匹配，确定所述负荷投切事件对应的负荷类型。
优选地，所述根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波的步骤，包括：
根据所述电参量数据中的有功功率判断第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值是否大于预设的第一功率阈值，所述第一周波为所述电参量数据中任一周波；
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波；
通过滑动窗口从所述起始周波开始滑动，并依次获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率；
计算所述滑动窗口中所有周波的有功功率的标准差，并判断所述标准差是否小于预设的第二功率阈值；
若是，则将所述滑动窗口中的起始周波作为所述负荷投切事件的结束周波。
优选地，所述若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波的步骤，包括：
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判断所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间是否大于预设时间阈值；
若所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间大于预设时间阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波。
优选地，所述根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征的步骤，包括：
根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流，计算所述负荷投切事件的谐波特征量；
根据所述谐波特征量计算所述负荷投切事件的电气特征，其中，所述负荷投切事件的电气特征包括谐波电流含有率、电流总谐波畸变、基波有功功率、谐波有功功率、基波无功功率、视在功率、基波视在功率、电流畸变功率、非有功功率、基波功率因数、功率因数、基波阻抗和谐波阻抗中的至少之一。
优选地，通过如下计算公式分别计算所述谐波电流含有率和所述电流总谐波畸变：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，Ih为第h次谐波电流的有效值，I为电流包括基波和谐波的有效值，HRIh为谐波电流含有率，THDI为电流总谐波畸变。
优选地，通过如下计算公式分别计算所述基波有功功率、所述谐波有功功率、所述基波无功功率、所述视在功率、所述基波视在功率、所述电流畸变功率、所述非有功功率、所述基波功率因数和所述功率因数：
P1＝Ure(1)Ire(1)+Uim(1)Iim(1)；
Ph＝Ure(h)Ire(h)+Uim(h)Iim(h)；
Q1＝Uim(1)Ire(1)-Ure(1)Iim(1)；
DI＝S1(THDI)；
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3…，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，P1为基波有功功率，Ph为第h次谐波有功功率，P为包括基波和谐波的有功功率，Q1为基波无功功率，S为视在功率，S1为基波视在功率，D1为电流畸变功率，NP为非有功功率，PF1为基波功率因数，PF为包括基波和谐波的功率因数。
优选地，通过如下计算公式分别计算所述基波阻抗和所述谐波阻抗：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3…，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，X1为基波阻抗，Xh为第h次谐波阻抗。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种家用负荷电气特征提取装置，所述家用负荷电气特征提取装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的家用负荷电气特征提取程序，所述家用负荷电气特征提取程序被所述处理器执行时实现如上所述家用负荷电气特征提取方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有家用负荷电气特征提取程序，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时实现如上所述家用负荷电气特征提取方法的步骤。
本发明通过实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据，并根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波，然后分别将起始周波和结束周波对应的电参量数据中的谐波电压以及谐波电流的实部和虚部提取出来，以此计算各次谐波的谐波特征量，再根据各次谐波的谐波特征量计算所述负荷投切事件的电气特征，最后将计算得到的电气特征与电气特征库中预设的各负荷的电气特征进行匹配，确定所述负荷投切事件对应的负荷类型，从而优化了家用负荷的电气特征提取方式，提高了非侵入式负荷监测时负荷辨识的准确度。
附图说明
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的装置结构示意图；
图2为本发明家用负荷电气特征提取方法的第一实施例的流程示意图；
图3为图2中根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波的步骤的细化流程示意图；
图4为图2中根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征的步骤的细化流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的装置结构示意图。
本发明实施例装置可以是PC，也可以是智能手机、平板电脑、便携计算机等终端设备。
如图1所示，该装置可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线1002，用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选的用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
可选地，装置还可以包括摄像头、RF(Radio Frequency，射频)电路，传感器、音频电路、WiFi模块等等。其中，传感器比如光传感器、运动传感器以及其他传感器。具体地，光传感器可包括环境光传感器及接近传感器，其中，环境光传感器可根据环境光线的明暗来调节显示屏的亮度，接近传感器可在移动装置移动到耳边时，关闭显示屏和/或背光。作为运动传感器的一种，重力加速度传感器可检测各个方向上(一般为三轴)加速度的大小，静止时可检测出重力的大小及方向，可用于识别移动装置姿态的应用(比如横竖屏切换、相关游戏、磁力计姿态校准)、振动识别相关功能(比如计步器、敲击)等；当然，移动装置还可配置陀螺仪、气压计、湿度计、温度计、红外线传感器等其他传感器，在此不再赘述。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的装置结构并不构成对装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及家用负荷电气特征提取程序。
在图1所示的装置中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接客户端(用户端)，与客户端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的家用负荷电气特征提取程序，并执行以下操作：
实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据，所述电参量数据包括有功功率、基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流；
根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波；
根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征；
将计算得到的电气特征与电气特征库中预设的电气特征进行匹配，确定所述负荷投切事件对应的负荷类型。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的家用负荷电气特征提取程序，还执行以下操作：
根据所述电参量数据中的有功功率判断第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值是否大于预设的第一功率阈值，所述第一周波为所述电参量数据中任一周波；
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波；
通过滑动窗口从所述起始周波开始滑动，并依次获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率；
计算所述滑动窗口中所有周波的有功功率的标准差，并判断所述标准差是否小于预设的第二功率阈值；
若是，则将所述滑动窗口中的起始周波作为所述负荷投切事件的结束周波。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的家用负荷电气特征提取程序，还执行以下操作：
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判断所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间是否大于预设时间阈值；
若所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间大于预设时间阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的家用负荷电气特征提取程序，还执行以下操作：
若所述标准差大于或等于预设的第二功率阈值，则继续滑动所述滑动窗口，并获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的家用负荷电气特征提取程序，还执行以下操作：
根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流，计算所述负荷投切事件的谐波特征量；
根据所述谐波特征量计算所述负荷投切事件的电气特征，其中，所述负荷投切事件的电气特征包括谐波电流含有率、电流总谐波畸变、基波有功功率、谐波有功功率、基波无功功率、视在功率、基波视在功率、电流畸变功率、非有功功率、基波功率因数、功率因数、基波阻抗和谐波阻抗中的至少之一。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的家用负荷电气特征提取程序，还执行以下操作：
通过如下计算公式分别计算所述谐波电流含有率和所述电流总谐波畸变：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，Ih为第h次谐波电流的有效值，I为电流包括基波和谐波的有效值，HRIh为谐波电流含有率，THDI为电流总谐波畸变。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的家用负荷电气特征提取程序，还执行以下操作：
通过如下计算公式分别计算所述基波有功功率、所述谐波有功功率、所述基波无功功率、所述视在功率、所述基波视在功率、所述电流畸变功率、所述非有功功率、所述基波功率因数和所述功率因数：
P1＝Ure(1)Ire(1)+Uim(1)Iim(1)；
Ph＝Ure(h)Ire(h)+Uim(h)Iim(h)；
Q1＝Uim(1)Ire(1)-Ure(1)Iim(1)；
DI＝S1(THDI)；
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3…，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，P1为基波有功功率，Ph为第h次谐波有功功率，P为包括基波和谐波的有功功率，Q1为基波无功功率，S为视在功率，S1为基波视在功率，D1为电流畸变功率，NP为非有功功率，PF1为基波功率因数，PF为包括基波和谐波的功率因数。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的家用负荷电气特征提取程序，还执行以下操作：
通过如下计算公式分别计算所述基波阻抗和所述谐波阻抗：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3…，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，X1为基波阻抗，Xh为第h次谐波阻抗。
本发明家用负荷电气特征提取装置的具体实施例与下述家用负荷电气特征提取方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
参照图2，图2为本发明家用负荷电气特征提取方法的第一实施例的流程示意图，所述家用负荷电气特征提取方法方法包括：
步骤S10，实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据，所述电参量数据包括有功功率、基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流。
本发明实施例装置可以是PC，也可以是智能手机、平板电脑、便携计算机等终端设备。为方便说明，后续实施例均以PC为例。通过在用电户总电源进线处设置采集电参量数据的传感器或仪表，并将采集的电参量数据发送至PC端，PC端接收电参量数据并将其保存至本地、服务器或者云端。需要说明的是，该电参量数据包括有功功率、基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流等。PC端保存固定周波数的电参量数据，基波及谐波分成实部和虚部两部分来保存，其中有功功率采用序列AP＝{AP(i)}保存，AP(i)表示第i个周波的有功功率，基波及谐波电压采用二维序列URe＝{URe(i)(h)}和UIm＝{UIm(i)(h)}保存，URe(i)(h)表示第i个周波的h次谐波电压实部，其中，当h为1时为基波，UIm(i)(h)表示第i个周波的h次谐波电压虚部，基波及谐波电流采用二维序列IRe＝{IRe(i)(h)}和IIm＝{IIm(i)(h)}保存，IRe(i)(h)表示第i个周波的h次谐波电流实部，IIm(i)(h)表示第i个周波的h次谐波电流虚部，其中N为最大周波数，NH为谐波最高次数，i＝{1,2,3,…,N}，h＝{1,2,3,…,NH}。
作为最优实施方式，由于大多数家用负荷的启停持续时间均在0.1s～3s之间，因此将电参量所需保存的最大周波数N取值为250(250个周波换算成为时间约为5s)，并根据所有家用负荷高次谐波很少，故将谐波最高次数NH取值为15，即可完全囊括家用负荷的谐波特性。本领域技术人员可以认为，上述举例仅为最佳实施方式，当然，最大周波数N和谐波最高次数NH还可以设置成其他值，本实施例不作限制。
步骤S20，根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波。
PC端根据电参量数据中有功功率的变化差值来判断家用负荷启停，因而需要选定任一周波作为第一周波，并判断第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值是否大于预设的第一功率阈值，且所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间是否大于预设时间阈值；若同时满足这两个条件，则判定为检测到新的负荷投切事件，并将所述第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波P1。
作为优选实施方式，由于大多数家用负荷工作时的功率均不低于100W，故将用于家用负荷开关判断的第一功率阈值取值为100W。同时为了避免家用负荷开关判断过程中漏检其他负荷事件或一次真实事件检测出多个事件的情况，将相邻负荷事件的预设时间阈值取为5个周波(5个周波换算成为时间约为0.1s)。本领域技术人员可以认为，上述举例仅为最佳实施方式，当然，第一功率阈值和预设时间阈值还可以设置成其他值，本实施例不作限制。
在确定负荷投切事件的起始周波P1后，通过滑动窗口从所述起始周波开始滑动，并依次获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率。具体地，需要预先设置所述滑动窗口的长度，假如为Ls，则从功率序列AP中取固定长度Ls的一组数据，然后计算这组数据的标准差，并判断所述标准差是否小于预设的第二功率阈值。若是，则将所述滑动窗口中的起始周波即第一个周波作为所述负荷投切事件的结束周波P2。作为优选实施方式，可将滑动窗口长度Ls设置为10个周波，第二功率阈值设置为20W。当然，本领域技术人员可以认为，上述举例仅为最佳实施方式，滑动窗口长度Ls和第二功率阈值还可以设置成其他值，本实施例不作限制。
步骤S30，根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征。
从PC采集的电参量数据中找到起始周波P1和结束周波P2对应的基波及谐波电压、基波及谐波电流，并在基波及谐波电压的二维序列中获取起始周波P1和结束周波P2的谐波电压实部以及谐波电压虚部，在基波及谐波电流的二维序列中获取起始周波P1和结束周波P2的谐波电流实部和谐波电流虚部，基于上述举例，提取的数据可记为URe(p1)(h)、UIm(p1)(h)、IRe(p1)(h)、IIm(p1)(h)、URe(p2)(h)、UIm(p2)(h)、IRe(p2)(h)、IIm(p2)(h)，其中h＝{1,2,3,…,NH}，当h为1时为基波，当h为2,3,…,NH时为各次谐波。
根据上述获得的起始周波P1和结束周波P2对应的电压数据和电流数据，计算所述负荷投切事件的谐波特征量。
Ure(h)＝URe(p2)(h)-URe(p1)(h)；
Uim(h)＝UIm(p2)(h)-UIm(p1)(h)；
Ire(h)＝IRe(p2)(h)-IRe(p1)(h)；
Iim(h)＝IIm(p2)(h)-IIm(p1)(h)；
其中，h为谐波次数，h＝1,2,3,…,NH，Ure(h)、Uim(h)、Ire(h)、Iim(h)分别为负荷事件的第h次谐波电压实部、谐波电压虚部、谐波电流实部、谐波电流虚部，计算时h依次取值1到NH，即可得到负荷事件的第1至NH次谐波特征量。
根据上述计算得到的谐波特征量计算所述负荷投切事件的电气特征，其中，所述负荷投切事件的电气特征包括谐波电流含有率、电流总谐波畸变、基波有功功率、谐波有功功率、基波无功功率、视在功率、基波视在功率、电流畸变功率、非有功功率、基波功率因数、功率因数、基波阻抗和谐波阻抗等。本实施例选取上述列举的所有电气特征作为负荷投切事件的电气特征，当然，作为另一种实施方式，可以任意选取其中一种或多种电气特征作为负荷投切事件的电气特征，也可以与其他电气特征组合使用，本实施例不作限制。
步骤S40，将计算得到的电气特征与电气特征库中预设的电气特征进行匹配，确定所述负荷投切事件对应的负荷类型。
在PC端中预先对各家用负载的电气特征进行训练学习，并将各家用负载的电气特征保存至电气特征库中。PC端再将获得到的上述负荷投切事件的电气特征与电气特征库中的各负荷的电气特征进行匹配，从而确定上述负荷投切事件对应的负荷类型。当上述负荷投切事件为多种家电负荷同时工作，同样只需要提取起始周波P1和结束周波P2的电参量数据，并分别计算起始周波P1和结束周波P2两者之间的谐波电压实部差值、谐波电压虚部差值、谐波电流实部差值以及谐波电流虚部差值，进而计算得到该负荷投切事件的电气特征，从而判断为哪几种家用负荷工作。
在本实施例中通过将负荷投切事件的谐波电压和谐波电流的实部和虚部分开提取，计算各谐波的谐波特征量，然后在谐波特征量的基础上计算家用负荷的电气特征。本发明方法提取的所有电气特征，包括满足线性叠加性的有功功率和不满足线性叠加性的无功功率、视在功率、功率因数、谐波总畸变、负荷阻抗等电气特征，均能真实体现家用负荷的实际特征，为提高负荷监测准确度提供有力支撑和保障。
进一步的，参照图3，图3为图2中根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波的步骤的细化流程示意图，基于上述图2所示的实施例，所述根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波，包括：
步骤S201，根据所述电参量数据中的有功功率判断第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值是否大于预设的第一功率阈值，所述第一周波为所述电参量数据中任一周波。
PC端根据电参量数据中有功功率的变化差值来判断家用负荷启停，因而选定所述电参量数据中任一周波作为第一周波，并判断第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值是否大于预设的第一功率阈值，再根据判断结果确定是否产生负荷投切事件。作为优选实施方式，由于大多数家用负荷工作时的功率均不低于100W，故将用于家用负荷开关判断的第一功率阈值取值为100W。本领域技术人员可以认为，上述举例仅为最佳实施方式，第一功率阈值还可以设置成其他值，本实施例不作限制。
步骤S202，若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波。
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波。若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值小于或等于预设的第一功率阈值，则判定未发生负荷投切事件，并返回上述步骤S10：实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据。
步骤S203，通过滑动窗口从所述起始周波开始滑动，并依次获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率。
在确定负荷投切事件的起始周波P1后，通过滑动窗口从所述起始周波开始滑动，并依次获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率。具体地，需要预先设置所述滑动窗口的长度，假如为Ls，则从功率序列AP中取固定长度Ls的一组数据。作为优选实施方式，可将滑动窗口长度Ls设置为10个周波，当然，本领域技术人员可以认为，上述举例仅为最佳实施方式，滑动窗口长度Ls还可以设置成其他值，本实施例不作限制。
步骤S204，计算所述滑动窗口中所有周波的有功功率的标准差，并判断所述标准差是否小于预设的第二功率阈值。
计算滑动窗口中所有周波的有功功率的标准差，并判断所述标准差是否小于预设的第二功率阈值。若是，则将所述滑动窗口中的起始周波即第一个周波作为所述负荷投切事件的结束周波P2。作为优选实施方式，可将第二功率阈值设置为20W。当然，本领域技术人员可以认为，上述举例仅为最佳实施方式，第二功率阈值还可以设置成其他值，本实施例不作限制。
步骤S205，若是，则将所述滑动窗口中的起始周波作为所述负荷投切事件的结束周波。
若所述标准差小于预设的第二功率阈值，则将所述滑动窗口中的起始周波作为所述负荷投切事件的结束周波。若所述标准差大于或等于预设的第二功率阈值，则继续滑动所述滑动窗口，并获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率。
当判断当前滑动窗口内的所有有功功率的标准差大于或等于预设的第二功率阈值，则表示当前负荷投切事件还未结束，需要继续移动滑动窗口至功率序列AP的下一个数据，重新获取新的滑动窗口内的所有有功功率继续判断，依次循环往复，直至滑动窗口内的所有有功功率的标准差小于预设的第二功率阈值。
在本实施例通过有功功率的变化判断是否有新的负荷投切事件产生，有利于及时发现是否有新的家用负荷启停，便于后续及时对该家用负荷的电气特征进行提取，从而使得家用负荷的辨识准确度提高。
作为另一种实施方式，为了避免不同的负荷投切事件的起始周波和结束周波重叠在一起，导致家用负荷电气特征提取出错，故需要对每个负荷投切事件的起始周波和结束周波进行区分，来避免不同的负荷投切事件的起始周波和结束周波重叠在一起。因此，上述步骤S202：若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波包括：
步骤S206，若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判断所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间是否大于预设时间阈值。
PC端选定所述电参量数据中任一周波作为第一周波，并判断第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值是否大于预设的第一功率阈值，当PC端判定第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值时，需要进一步判断所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间是否大于预设时间阈值。将第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间的差值进行计算，判断该差值是否大于预设时间阈值，从而确定是否产生新的负荷投切事件。
作为优选实施方式，由于大多数家用负荷工作时的功率均不低于100W，故将用于家用负荷开关判断的第一功率阈值取值为100W。同时为了避免家用负荷开关判断过程中漏检其他负荷事件或一次真实事件检测出多个事件的情况，将相邻负荷事件的预设时间阈值取为5个周波(5个周波换算成时间约为0.1s)。本领域技术人员可以认为，上述举例仅为最佳实施方式，当然，第一功率阈值和预设时间阈值还可以设置成其他值，本实施例不作限制。
步骤S207，若所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间大于预设时间阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波。
若所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间大于预设时间阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波。若所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间小于或等于预设时间阈值，则判定未发生负荷投切事件，并返回上述步骤S10：实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据。
在本实施例中通过增加第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间是否大于预设时间阈值的判断条件，进一步提高对负荷投切事件判断的准确性，同时也提高了负荷投切事件的电气特征提取的准确性。
参照图4，图4为图2中根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征的步骤的细化流程示意图，基于上述图2所示的实施例，所述根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征，包括：
步骤S301，根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流，计算所述负荷投切事件的谐波特征量。
从PC采集的电参量数据中找到起始周波P1和结束周波P2对应的基波及谐波电压、基波及谐波电流，并在基波及谐波电压的二维序列中获取起始周波P1和结束周波P2的谐波电压实部以及谐波电压虚部，在基波及谐波电流的二维序列中获取起始周波P1和结束周波P2的谐波电流实部和谐波电流虚部，基于上述举例，提取的数据可记为URe(p1)(h)、UIm(p1)(h)、IRe(p1)(h)、IIm(p1)(h)、URe(p2)(h)、UIm(p2)(h)、IRe(p2)(h)、IIm(p2)(h)，其中h＝{1,2,3,…,NH}，当h为1时为基波，当h为2,3,…,NH时为各次谐波。
根据上述获得的起始周波P1和结束周波P2对应的电压数据和电流数据，计算所述负荷投切事件的谐波特征量。
Ure(h)＝URe(p2)(h)-URe(p1)(h)；
Uim(h)＝UIm(p2)(h)-UIm(p1)(h)；
Ire(h)＝IRe(p2)(h)-IRe(p1)(h)；
Iim(h)＝IIm(p2)(h)-IIm(p1)(h)；
其中，h为谐波次数，h＝1,2,3,…,NH，Ure(h)、Uim(h)、Ire(h)、Iim(h)分别为负荷事件的第h次谐波电压实部、谐波电压虚部、谐波电流实部、谐波电流虚部，计算时h依次取值1到NH，即可得到负荷事件的第1至NH次谐波特征量。
步骤S302，根据所述谐波特征量计算所述负荷投切事件的电气特征，其中，所述负荷投切事件的电气特征包括谐波电流含有率、电流总谐波畸变、基波有功功率、谐波有功功率、基波无功功率、视在功率、基波视在功率、电流畸变功率、非有功功率、基波功率因数、功率因数、基波阻抗和谐波阻抗中的至少之一。
具体地，通过如下计算公式分别计算所述谐波电流含有率和所述电流总谐波畸变：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，Ih为第h次谐波电流的有效值，I为电流包括基波和谐波的有效值，HRIh为谐波电流含有率，THDI为电流总谐波畸变。
具体地，通过如下计算公式分别计算所述基波有功功率、所述谐波有功功率、所述基波无功功率、所述视在功率、所述基波视在功率、所述电流畸变功率、所述非有功功率、所述基波功率因数和所述功率因数：
P1＝Ure(1)Ire(1)+Uim(1)Iim(1)；
Ph＝Ure(h)Ire(h)+Uim(h)Iim(h)；
Q1＝Uim(1)Ire(1)-Ure(1)Iim(1)；
DI＝S1(THDI)；
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3...，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，P1为基波有功功率，Ph为第h次谐波有功功率，P为包括基波和谐波的有功功率，Q1为基波无功功率，S为视在功率，S1为基波视在功率，D1为电流畸变功率，NP为非有功功率，PF1为基波功率因数，PF为包括基波和谐波的功率因数。
具体地，通过如下计算公式分别计算所述基波阻抗和所述谐波阻抗：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3...，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，X1为基波阻抗，Xh为第h次谐波阻抗。
根据上述步骤S301计算得到的谐波特征量Ure(h)、Uim(h)、Ire(h)、Iim(h)分别计算所述负荷投切事件的电气特征，所述负荷投切事件的电气特征包括：谐波电流含有率、电流总谐波畸变、基波有功功率、谐波有功功率、基波无功功率、视在功率、基波视在功率、电流畸变功率、非有功功率、基波功率因数、功率因数、基波阻抗和谐波阻抗中至少一种。作为最优实施方式，本实施例选取上述所有的电气特征作为本实施例的电气特征，包括满足线性叠加性的有功功率和不满足线性叠加性的无功功率、视在功率、功率因数、谐波总畸变、负荷阻抗等电气特征，这些电气特征均能在谐波特征量的基础上计算得到，且不会因为多种家用负荷叠加而影响真实结果。
当然，作为另一种实施方式，可以任意选取其中一种或多种电气特征作为负荷投切事件的电气特征，也可以与其他电气特征组合使用，本实施例不作限制。
在本实施例中通过采用负荷投切事件的谐波实部和虚部数据分开提取的方式，然后在所提取的谐波特征量的基础上计算家用负荷电气特征，使得计算的电气特征均能真实体现家用负荷的实际特征，从而提高了负荷监测的准确度。
此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有家用负荷电气特征提取程序，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时实现如下操作：
实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据，所述电参量数据包括有功功率、基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流；
根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波；
根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征；
将计算得到的电气特征与电气特征库中预设的电气特征进行匹配，确定所述负荷投切事件对应的负荷类型。
进一步地，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时还实现如下操作：
根据所述电参量数据中的有功功率判断第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值是否大于预设的第一功率阈值，所述第一周波为所述电参量数据中任一周波；
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波；
通过滑动窗口从所述起始周波开始滑动，并依次获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率；
计算所述滑动窗口中所有周波的有功功率的标准差，并判断所述标准差是否小于预设的第二功率阈值；
若是，则将所述滑动窗口中的起始周波作为所述负荷投切事件的结束周波。
进一步地，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时还实现如下操作：
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判断所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间是否大于预设时间阈值；
若所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间大于预设时间阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波。
进一步地，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时还实现如下操作：
若所述标准差大于或等于预设的第二功率阈值，则继续滑动所述滑动窗口，并获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率。
进一步地，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时还实现如下操作：
根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流，计算所述负荷投切事件的谐波特征量；
根据所述谐波特征量计算所述负荷投切事件的电气特征，其中，所述负荷投切事件的电气特征包括谐波电流含有率、电流总谐波畸变、基波有功功率、谐波有功功率、基波无功功率、视在功率、基波视在功率、电流畸变功率、非有功功率、基波功率因数、功率因数、基波阻抗和谐波阻抗中的至少之一。
进一步地，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时还实现如下操作：
通过如下计算公式分别计算所述谐波电流含有率和所述电流总谐波畸变：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，Ih为第h次谐波电流的有效值，I为电流包括基波和谐波的有效值，HRIh为谐波电流含有率，THDI为电流总谐波畸变。
进一步地，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时还实现如下操作：
通过如下计算公式分别计算所述基波有功功率、所述谐波有功功率、所述基波无功功率、所述视在功率、所述基波视在功率、所述电流畸变功率、所述非有功功率、所述基波功率因数和所述功率因数：
P1＝Ure(1)Ire(1)+Uim(1)Iim(1)；
Ph＝Ure(h)Ire(h)+Uim(h)Iim(h)；
Q1＝Uim(1)Ire(1)-Ure(1)Iim(1)；
DI＝S1(THDI)；
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3...，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，P1为基波有功功率，Ph为第h次谐波有功功率，P为包括基波和谐波的有功功率，Q1为基波无功功率，S为视在功率，S1为基波视在功率，D1为电流畸变功率，NP为非有功功率，PF1为基波功率因数，PF为包括基波和谐波的功率因数。
进一步地，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时还实现如下操作：
通过如下计算公式分别计算所述基波阻抗和所述谐波阻抗：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3...，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，X1为基波阻抗，Xh为第h次谐波阻抗。
本发明计算机可读存储介质的具体实施例与上述家用负荷电气特征提取方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，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 (10)
1.一种家用负荷电气特征提取方法，其特征在于，所述家用负荷电气特征提取方法包括：
实时采集总电源进线处各周波对应的电参量数据，所述电参量数据包括有功功率、基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流；
根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波；
根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征；
将计算得到的电气特征与电气特征库中预设的电气特征进行匹配，确定所述负荷投切事件对应的负荷类型。
2.如权利要求1所述的家用负荷电气特征提取方法，其特征在于，所述根据所述电参量数据中有功功率确定负荷投切事件的起始周波和结束周波的步骤，包括：
根据所述电参量数据中的有功功率判断第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值是否大于预设的第一功率阈值，所述第一周波为所述电参量数据中任一周波；
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波；
通过滑动窗口从所述起始周波开始滑动，并依次获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率；
计算所述滑动窗口中所有周波的有功功率的标准差，并判断所述标准差是否小于预设的第二功率阈值；
若是，则将所述滑动窗口中的起始周波作为所述负荷投切事件的结束周波。
3.如权利要求2所述的家用负荷电气特征提取方法，其特征在于，所述若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波的步骤，包括：
若第一周波的有功功率与所述第一周波相邻的上一周波的有功功率的差值大于预设的第一功率阈值，则判断所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间是否大于预设时间阈值；
若所述第一周波对应时间与前一负荷投切事件的结束周波对应时间大于预设时间阈值，则判定发生负荷投切事件，并将第一周波作为所述负荷投切事件的起始周波。
4.如权利要求2所述的家用负荷电气特征提取方法，其特征在于，在所述计算所述滑动窗口中所有周波的有功功率的标准差，并判断所述标准差是否小于预设的第二功率阈值的步骤之后，还包括：
若所述标准差大于或等于预设的第二功率阈值，则继续滑动所述滑动窗口，并获取所述滑动窗口中所有周波的有功功率。
5.如权利要求1所述的家用负荷电气特征提取方法，其特征在于，所述根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流计算所述负荷投切事件的电气特征的步骤，包括：
根据所述起始周波和所述结束周波对应的基波电压、谐波电压、基波电流和谐波电流，计算所述负荷投切事件的谐波特征量；
根据所述谐波特征量计算所述负荷投切事件的电气特征，其中，所述负荷投切事件的电气特征包括谐波电流含有率、电流总谐波畸变、基波有功功率、谐波有功功率、基波无功功率、视在功率、基波视在功率、电流畸变功率、非有功功率、基波功率因数、功率因数、基波阻抗和谐波阻抗中的至少之一。
6.如权利要求5所述的家用负荷电气特征提取方法，其特征在于，通过如下计算公式分别计算所述谐波电流含有率和所述电流总谐波畸变：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，Ih为第h次谐波电流的有效值，I为电流包括基波和谐波的有效值，HRIh为谐波电流含有率，THDI为电流总谐波畸变。
7.如权利要求5所述的家用负荷电气特征提取方法，其特征在于，通过如下计算公式分别计算所述基波有功功率、所述谐波有功功率、所述基波无功功率、所述视在功率、所述基波视在功率、所述电流畸变功率、所述非有功功率、所述基波功率因数和所述功率因数：
P1＝Ure(1)Ire(1)+Uim(1)Iim(1)；
Ph＝Ure(h)Ire(h)+Uim(h)Iim(h)；
Q1＝Uim(1)Ire(1)-Ure(1)Iim(1)；
DI＝S1(THDI)；
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3…，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，P1为基波有功功率，Ph为第h次谐波有功功率，P为包括基波和谐波的有功功率，Q1为基波无功功率，S为视在功率，S1为基波视在功率，D1为电流畸变功率，NP为非有功功率，PF1为基波功率因数，PF为包括基波和谐波的功率因数。
8.如权利要求5所述的家用负荷电气特征提取方法，其特征在于，通过如下计算公式分别计算所述基波阻抗和所述谐波阻抗：
其中，h为谐波次数，NH为最大谐波次数，h＝2，3…，NH，Ure(h)为第h次谐波电压的实部，Uim(h)为第h次谐波电压的虚部，Ire(h)为第h次谐波电流的实部，Iim(h)为第h次谐波电流的虚部，X1为基波阻抗，Xh为第h次谐波阻抗。
9.一种家用负荷电气特征提取装置，其特征在于，所述家用负荷电气特征提取装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的家用负荷电气特征提取程序，所述家用负荷电气特征提取程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述家用负荷电气特征提取方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有家用负荷电气特征提取程序，其特征在于，所述家用负荷电气特征提取程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述家用负荷电气特征提取方法的步骤。
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