CN111983303B - 一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法，包括以下步骤：步骤1：用电压和电流传感器采集洗衣机进线端的电压、电流信号，形成电压和电流的采样序列u、i，步骤2：对实时平均功率进行频域分解，步骤3：将电热开关时间与洗衣机开关时间做比较，并记录电热的稳态功率；步骤4：重复多次执行步骤1、步骤2、步骤3操作，结合每次电热特性的稳态功率来判断电热是否为洗衣机辅热，是则执行步骤五；若不是则执行步骤六；步骤5：获取电热特性的稳态功率，计算其电量；步骤6：获取洗衣机特性中最大的功率，计算其电量；步骤7：计算洗衣机总电量。本发明准确的估算出洗衣机消耗的电量，且能判断出是否启动洗衣机电辅热。

Description

一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法

技术领域

本发明涉及一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法，属于智能控制技术领域。

背景技术

居民负荷作为电力负荷重要组成部分，其电能的消耗比重在逐渐增大，因此，建立可实现居民家庭用电可视化的智能用电系统成为一种迫切的需求，它有助于用户了解自身不同时段各电器设备电能的消耗情况，制定合理的节能计划，有针对性的选购节能设备，检验节能效果，从而降低能源消耗，减少电费开支。用电可视化也被认为是平抑高峰用电的有效手段之一，可促使用户选择夜间等低谷电价时段用电，达到削峰填谷的目标，可有效提高电力投资效益。

基于非侵入式负荷监测分解技术实现非干预式的居民家庭用电可视化的技术基础是居民负荷特性研究与负荷识别算法研究，负荷特性是指用电设备耗电时特有的电气特征，主要包括用电设备的电流、有功和无功、谐波、瞬时功率、开关暂态、V-I曲线等特性，家用电器负荷特征研究在电力需求侧管理和智能化应用中起到了基础性的作用。家用电器种类繁多，按用电元件可分为由电动机元件组成的电器和由加热电阻元件组成的电器两大类。与加热电阻类电器相比，电动机类电器运行状况更加复杂，电流和功率波动性大，启动过程存在冲击电流，同时伴有大量谐波，洗衣机是电动机类的典型电器。洗衣机等电动机类电器的工作会给用户整体用电的有功功率图谱上增加许多“尖峰”。

综上所述，现有的研究、文献已对洗衣机负荷的模型和运行特性进行了研究，指出了洗衣机类负荷对电网的供电质量产生一定的危害，但尚无文献提出一种准确、有效、快速辨识洗衣机类负荷的判据及其电量的估算方法，通过本发明可以具体计算出洗衣消耗的电量。洗衣机的电辅热加热的作用是有效的除菌功能，通过加热过程及高温浸泡，有效清除洗衣机底部水垢细菌，因此洗衣机在运行过程中都会伴随着电辅热加热清洗的过程，电辅热的原理就是电热，因此电量的消耗较大，其电量通常会占据洗衣机运行时的绝大部分，当用户在使用洗衣机时，不仅需要了解洗衣机清洗时所消耗的电量，也会需要了解其电辅热所消耗的电量，本发明可以较好的满足其需求。因此本发明有利于用户更好的了解自身的电能消耗构成，最大程度的降低电能消耗。也有助于电力公司精确了解用户电力负荷构成，为需求侧管理、负荷预测、系统规划提供更准确的基础数据。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法，其具体技术方案如下：

一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法，包括以下步骤：

步骤1：用电压和电流传感器采集洗衣机进线端的电压、电流信号，形成电压和电流的采样序列u、i，其中u、i为经过滤波、去噪预处理后的电压信号的采样序列，为保证所采集的电压电流数据质量同时又避免数据量过大给内存带来负担；

步骤2：选取一定长度窗口计算洗衣机实时平均功率，对实时平均功率进行频域分解，根据洗衣机和电热的特性获取洗衣机开关闭时间及电热的开关闭时间；

步骤3：将电热开关时间与洗衣机开关时间做比较，并记录电热的稳态功率；

步骤4：重复多次执行步骤1、步骤2、步骤3操作，结合每次电热特性的稳态功率来判断电热是否为洗衣机辅热，是则执行步骤五；若不是则执行步骤六；

步骤5：获取电热特性的稳态功率，计算其电量；

步骤6：获取洗衣机特性中最大的功率，计算其电量；

步骤7：计算洗衣机总电量。

进一步的，所述步骤2中对洗衣机的平均功率进行频域分解的具体过程为：频域分解选择用离散傅氏变换的快速算法FFT，通过离散傅氏变换的快速算法FFT对洗衣机实时平均功率序列进行频域分解，可得到洗衣机的幅频特性，

具体公式及过程如下所示：

Fp(j)＝fft(P(i),Nf) (i＝1,2,…,Ns；j＝1,2,…,Nf) (1)

f＝n*fs/Nf (n＝0,1,2,…,Ns-1) (2)

式(1)中Fp(j)为利用FFT函数对洗衣机实时平均功率进行快速Fourier变换后的序列，P(i)为实时平均功率序列，Nf为FFT所用采样点数，Ns为实时平均功率的数据个数；式(2)中f为将洗衣机实时平均功率频域分解后的实际频率，fs为采样频率。

进一步的，所述步骤2中根据洗衣机和电热的特性获取洗衣机开关闭时间及电热的开关闭时间的具体过程为：从是否具有洗衣机特性来判断洗衣机的开启和关闭，其特性为洗衣机稳定工作时的平均功率为150W左右，并在5秒内，三次谐波的启动增量大于0.2A，则此时判断洗衣机开始，同样，不存在此特性时，则是洗衣机的关闭时间；电热的开启时间T_电开为突变平均功率大于300W且突变时间小于0.5s的位置，关闭时间T_电关为突变平均功率下降值大于300W且突变时间小于0.5s的位置，计算公式如下：

ΔP＝P₂-P₁ (3)

ΔT＝T₂-T₁ (4)

式(3)和(4)中，P₂为突变后的稳态功率，P₁为突变前的稳态功率，T₁，T₂为突变前后所对应的时间。

进一步的，所述步骤3中电热开关时间和洗衣机开关时间做比较具体为：比较电热的开始时间晚于(即大于)洗衣机的开始时间，电热的关闭时间早于(即小于)洗衣机的关闭时间；

若电热开关时间和洗衣机开关时间比较均成立，步骤3中电热的稳态功率为电热开启时突变后平均功率。

进一步的，所述步骤4中判断洗衣机辅热的方法为：在判断为电热开关后，每次电热特性的稳态功率P_电1，P_电2，P_电3……P_电n，绝对值小于50W，其公式如下：

选取最小的电热的稳态功率P_电i，其计算电量的公式如下:

D_电＝P_电i×(T_电关-T_电开) (n+3)，

选取第i次洗衣机的功率序列中最大功率，其计算电量的公式如下:

若有洗衣机辅热，则洗衣机的总电量加入辅热电量，若没有洗衣机辅热电量则不加辅热电量，此时辅热电量为0，其计算公式如下：

D_洗总＝D_电+D_洗 (n+5)。

进一步的，所述步骤4重复三次次执行步骤1、步骤2、步骤3操作。

本发明的有益效果是：

本发明可以较为准确的估算出洗衣机消耗的电量，且能判断出是否启动洗衣机电辅热，有利于用户了解自身的电能消耗构成，最大程度的降低电能消耗。有助于电力公司精确了解用户电力负荷构成，为需求侧管理、负荷预测、系统规划提供更准确的基础数据。

附图说明

图1是本发明的总体流程图，

图2是本发明第一次运行滚筒洗衣机实时平均功率图，

图3是本发明第二次运行滚筒洗衣机实时平均功率图，

图4是本发明第三次运行滚筒洗衣机实时平均功率图，

图5是本发明第三次运行滚筒洗衣机三次谐波电流的启动及工作特性。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明，图1为本发明的总体流程图，图2-4选取滚筒洗衣机为例说明本发明的实际应用中的计算过程。

本发明提出的一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法，具体的流程步骤如下：

步骤1：用电压和电流传感器采集洗衣机进线端的电压、电流信号，形成电压和电流的采样序列u、i。其中u、i为经过滤波、去噪等预处理后的电压信号的采样序列，为保证所采集的电压电流数据质量同时又避免数据量过大给内存带来负担；

步骤2：选取一定长度窗口计算洗衣机实时平均功率，对实时平均功率进行频域分解，根据洗衣机和电热的特性获取洗衣机开关闭时间及电热的开关闭时间；

频域分析方法可选择用FFT(离散傅氏变换的快速算法)，通过FFT对洗衣机实时平均功率序列进行频域分解，可得到洗衣机的幅频特性。

具体公式及过程如下所示：

Fp(j)＝fft(P(i),Nf) (i＝1,2,…,Ns；j＝1,2,…,Nf) (1)

f＝n*fs/Nf (n＝0,1,2,…,Ns-1) (2)

式(2)中Fp(j)为利用FFT函数对洗衣机实时平均功率进行快速Fourier变换后的序列，P(i)为实时平均功率序列，Nf为FFT所用采样点数，Ns为实时平均功率的数据个数；式(2)中f为将洗衣机实时平均功率频域分解后的实际频率，fs为采样频率。

从是否具有洗衣机特性来判断洗衣机的开启和关闭，其特性为洗衣机稳定工作时的平均功率为150W左右，并在5秒内，三次谐波的增量大于0.2A，则此时判断洗衣机开始，同样，不存在此特性时，则是洗衣机的关闭时间；

如图4中，第三次运行的滚筒洗衣机其稳定运行时的平均功率约150W，如图5中在5秒之内，洗衣机三次谐波的增量为0.27满足条件，则由图2，图3，图4可知洗衣机的开关闭时间为T_洗开-1＝6.1s，T_洗关-1＝339.6s，T_洗开-2＝5.2s，T洗_关-2＝338.4s，T_洗开-3＝5.3s，T_洗关-3＝338.3s；

电热的开启时间T_电开为突变平均功率大于300W且突变时间小于0.5s的位置,关闭时间T_电关为突变平均功率下降值大于300W且突变时间小于0.5s的位置,计算公式如下：

ΔP＝P₂-P₁ (3)

ΔT＝T₂-T₁ (4)

式(3)和(4)中，P₂为突变后的稳态功率，P₁为突变前的稳态功率，T₁，T₂为突变前后所对应的时间。

电热的开关闭时间计算如下：图2中电热开启时间位置ΔP＝P₂-P₁＝1932W-86W＝1846W>300W且ΔT＝T₂-T₁＝88.5s-88.3s＝0.2s<0.5s满足，则图2中电热的开启时间为88.3s，电热关闭时间位置ΔP＝P₂-P₁＝|40W-1875W|＝1835W>300W且ΔT＝T₂-T₁＝144.6s-144.4s＝0.2s<0.5s满足，则电热的关闭时间为144.6s；

图3中电热开启时间位置ΔP＝P₂-P₁＝1929W-64W＝1865W>300W且ΔT＝T₂-T₁＝74.9s-74.7s＝0.2s<0.5s满足，则图2中电热的开启时间为74.9s，电热关闭时间位置ΔP＝P₂-P₁＝|63W-1886W|＝1823W>300W且ΔT＝T₂-T₁＝127s-126.8s＝0.2s<0.5s满足，则电热的关闭时间为127s；

图4中电热开启时间位置ΔP＝P₂-P₁＝1876W-14W＝1862W>300W且ΔT＝T₂-T₁＝77.8s-77.7s＝0.1s<0.5s满足，则图2中电热的开启时间为77.7s，电热关闭时间位置ΔP＝P₂-P₁＝|86W-1929W|＝1843W>300W且ΔT＝T₂-T₁＝127.2s-126.9s＝0.3s<0.5s满足，则电热的关闭时间为127.2s

步骤3：将电热开关时间与洗衣机开关时间做比较，并记录电热的稳态功率；电热开关时间和洗衣机开关时间做比较，其比较如下电热的开始时间大于洗衣机的开始时间，电热的关闭时间小于洗衣机的关闭时间。电热的稳态功率为步骤2中的电热开启时突变后平均功率；

由步骤2中各洗衣机的开关闭时间可知，图2，图3，图4都满足电热的开始时间大于洗衣机的开始时间，电热的关闭时间小于洗衣机的关闭时间。

步骤4：重复三次执行步骤1，步骤2，步骤3操作，结合每次电热特性的稳态功率来判断电热是否为洗衣机辅热，是则执行步骤五；若不是则执行步骤六；

判断洗衣机辅热的方法为在满足步骤3的前提下，每次电热特性的稳态功率P_电1，P_电2，P_电3,绝对值小于50W，其计算如下：|P_电1-P_电2|＝|1846-1865|＝19W满足，|P_电1-P_电3|＝|1846-1862|＝16W满足，|P_电2-P_电3|＝|1865-1862|＝3W满足；

步骤5：获取电热特性的稳态功率，计算其电量；

选取第三次电热的稳态功率，其计算电量并换算成千瓦时的方式如下:

步骤6：获取洗衣机特性中最大的功率，计算其电量；

选取第三次洗衣机的功率序列中最大功率，其计算电量并换算成千瓦时的方式如下:

由图4周可知，洗衣机特性中的最大功率为

步骤7：计算洗衣机总电量。

若有洗衣机辅热，则洗衣机的总电量加入辅热电量，若没有洗衣机辅热电量则不加辅热电量，此时辅热电量为0，其计算方式如下：

D_洗总＝D_电+D_洗＝0.0256kwh+0.0105kwh＝0.0361kwh。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：用电压和电流传感器采集洗衣机进线端的电压、电流信号，形成电压和电流的采样序列u、i，其中u、i为经过滤波、去噪预处理后的电压、电流信号的采样序列，为保证所采集的电压电流数据质量同时又避免数据量过大给内存带来负担；

步骤2：选取一定长度窗口计算洗衣机实时平均功率，对实时平均功率进行频域分解，根据洗衣机和电热的特性获取洗衣机开关闭时间及电热的开关闭时间；

对洗衣机的平均功率进行频域分解的具体过程为：频域分解选择用离散傅氏变换的快速算法FFT，通过离散傅氏变换的快速算法FFT对洗衣机实时平均功率序列进行频域分解，可得到洗衣机的幅频特性，

具体公式及过程如下所示：

Fp(j)＝fft(P(i),Nf) (1)

f＝n*fs/Nf (2)

式中i＝1,2,…,Ns；j＝1,2,…,Nf；n＝0,1,2,…,Ns-1；

式(1)中Fp(j)为利用FFT函数对洗衣机实时平均功率进行快速Fourier变换后的序列，P(i)为实时平均功率序列，Nf为FFT所用采样点数，Ns为实时平均功率的数据个数；式(2)中f为将洗衣机实时平均功率频域分解后的实际频率，fs为采样频率；

根据洗衣机和电热的特性获取洗衣机开关闭时间及电热的开关闭时间的具体过程为：从是否具有洗衣机特性来判断洗衣机的开启和关闭，其特性为洗衣机稳定工作时的平均功率为150W左右，并在5秒内，三次谐波的启动增量大于0.2A，则此时判断洗衣机开始，同样，不存在此特性时，则是洗衣机的关闭时间；电热的开启时间T_电开为突变平均功率大于300W且突变时间小于0.5s的位置，关闭时间T_电关为突变平均功率下降值大于300W且突变时间小于0.5s的位置，计算公式如下：

ΔP＝P₂-P₁ (3)

ΔT＝T₂-T₁ (4)

式(3)和(4)中，P₂为突变后的稳态功率，P₁为突变前的稳态功率，T₁，T₂为突变前后所对应的时间；

步骤3：将电热开关时间与洗衣机开关时间做比较，并记录电热的稳态功率；电热开关时间和洗衣机开关时间做比较具体为：比较电热的开始时间晚于洗衣机的开始时间，电热的关闭时间早于洗衣机的关闭时间；

若电热开关时间和洗衣机开关时间比较均成立，步骤3中电热的稳态功率为电热开启时突变后平均功率；

步骤4：重复多次执行步骤1、步骤2、步骤3操作，结合每次电热特性的稳态功率来判断电热是否为洗衣机辅热，是则执行步骤5；若不是则执行步骤6；

判断洗衣机辅热的方法为：在判断为电热开关后，每次电热特性的稳态功率P_电1，P_电2，P_电3……P_电n，绝对值小于50W，其公式如下：

选取最小的电热的稳态功率P_电i，其计算电量的公式如下:

D_电＝P_电i×(T_电关-T_电开) (n+3)，

选取第i次洗衣机的功率序列中最大功率，其计算电量的公式如下:

若没有洗衣机辅热电量则不加辅热电量，此时辅热电量为0，若有洗衣机辅热，则洗衣机的总电量加入辅热电量，其计算公式如下：

D_洗总＝D_电+D_洗 (n+5)；

步骤5：获取电热特性的稳态功率，计算其电量；

步骤6：获取洗衣机特性中最大的功率，计算其电量；

步骤7：计算洗衣机总电量。

2.根据权利要求1所述的一种基于占空比分解的洗衣机非侵入电量估算方法，其特征在于：所述步骤4重复三次执行步骤1、步骤2、步骤3操作。