CN112034281A - 一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法，包括：使用电流高频采样装置采集单个用电设备的瞬时电流，并从中提取稳态电流；对稳态电流数据进行处理形成电流的特征值，计算有效值、均值和峰谷差；由有效值、均值和峰谷差形成每个设备的特征矩阵并组成系统标准矩阵；使用电流高频采样装置采集寝室进线的实际总瞬时电流；提取实际总瞬时电流的稳态电流数据，并由提取的稳态电流数据处理形成各设备电流的特征值，计算有效值、均值和峰谷差；由三个特征值形成实际运行特征矩阵，与系统标准矩阵组成矩阵方程；利用罚函数求解矩阵方程的最优解；本发明方法在用电设备较少或大多数用电设备处于稳态情况下时具有良好的辨识效果。

Description

一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法

技术领域

本发明属于非侵入式负荷辨识领域，具体地说是一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法。

背景技术

非侵入式负荷辨识算法是实现非侵入负荷辨识的核心技术，其算法好坏直接影响辨识的准确度、速度，以及对硬件性能的要求。现有大多数非侵入式负荷辨识算法采用滤波、时域频域转换、智能算法等方法，应用场景多停留在居民用电环境中，其时间与空间复杂度较高，且对检测硬件具有较高要求，难以直接应用到寝室用电环境中，易造成时间、资源的浪费。而本发明的方法时间与空间复杂度较低，对检测硬件要求较低，易于应用于寝室用电环境，寝室用电作为一种特殊的用电环境，具有负荷数量少、负荷种类有限、管理需求高等特点。

发明内容

本发明的目的是克服了现有技术针对寝室用电环境的不足，提供一种针对用电设备种类单一且大多用电设备已知的寝室特定环境下，运用非侵入式设备通过基于罚函数的负荷辨识方法分析用电状况，该方法能在只测量稳态电流数据的同时保证方法的速度与正确率。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

步骤1、使用电流高频采样装置采集单个用电设备的瞬时电流，并从中提取稳态电流。

步骤2、对步骤1中提取的稳态电流数据进行处理形成电流的特征值，计算有效值、均值和峰谷差。

步骤3、由步骤2得到的有效值、均值和峰谷差形成每个设备的特征矩阵并组成系统标准矩阵。

下面对实际测量的电流数据进行处理。

步骤4、使用电流高频采样装置采集寝室进线的实际总瞬时电流。

步骤5、提取实际总瞬时电流的稳态电流数据，并由提取的稳态电流数据处理形成各设备电流的特征值，计算有效值、均值和峰谷差。

步骤6、由步骤5中得出的三个特征值形成实际运行特征矩阵，与系统标准矩阵组成矩阵方程。

步骤7、利用罚函数求解矩阵方程的最优解。解只能为0、1构成的向量，对应元素为0表示负荷关闭，对应元素为1表示负荷开启，由此确定待识别负荷。

进一步的，步骤1中测量单个用电设备的瞬时电流i_z，在一定时间周期内判断下式是否成立：

(i_z-i_z-1)²<δ

其中i_z和i_z-1是相邻的瞬时电流，δ是稳态判断阈值。

记录所有满足上式条件下的稳态电流i(k)，i(k)即为第k个采样点的稳态电流。1≤k≤K，其中K为满足上式条件下的稳态电流i(k)的总个数。

进一步的，步骤2中将利用公式

对稳态电流进行处理，式中I_rms为稳态电流的有效值，I_mean为稳态电流的均值，I_pp为稳态电流的峰谷差。上述特征提取运算复杂度都不超过二阶运算，适合于寝室电器种类固定且较少的特点。

进一步的，步骤3中第n个设备的特征矩阵为I_n＝(I_rmsn I_meann I_ppn)^T，实际运行特征矩阵为A＝(I₁ I₂ Λ I_n)。

其中，In表示第n个设备的特征矩阵。

其中I_rmsn、I_meann、I_ppn分别为第n个设备的电流的有效值、电流的均值、电流的峰谷差。

进一步的，步骤6中矩阵方程为

式中X为x₁ x₂Λx_n的列矩阵，x_i(i＝1,2,Λ,n)是第i个设备的工作情况，当x_i＝1时，则认为第i个设备处于工作状态；当x_i＝0时，则认为第i个设备处于非工作状态。

进一步的，步骤7中求p的最小值，利用罚函数

求解矩阵方程最优解，式中inf为一个极大数。上述罚函数最值求解过程实质为n元方程的最值求解过程，易于在大多数硬件设备上搭建算法。

本发明的有益效果是：

在寝室用电环境中，用电设备种类较为单一，硬件设备搭建成本不宜过高，本发明的方法具有良好的识别正确率及稳定性，且具有较快的运算速度，对硬件要求较低。本发明方法在用电设备较少或大多数用电设备处于稳态情况下时具有良好的辨识效果。

附图说明

图1是方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

根据寝室内可能用到的用电设备情况，选取电灯、电热水器、空调、冰箱、吹风机5种常见用电设备作为实验样本。

使每个设备分别接入电路，测量瞬时电流i_z，在一定时间周期内判断下式是否成立：

(i_z-i_z-1)²<δ(z＝2,3,Λ,m)

其中δ是稳态判断阈值，一般取δ为0.25。

并按照下式计算各设备稳态特征量：

最终算得的特征量如以下表1所示：

表1

	电灯	电热水器	空调	冰箱	吹风机
						I<sub>rmstotal</sub>(A)	3.1312	12.3991	21.4684	16.8852	6.3007
I<sub>meantotal</sub>(A)	3.0513	12.1487	20.0571	16.0960	5.0792
						I<sub>pptotal</sub>(A)	2.0979	7.0986	21.6972	14.6984	11.2963

按照获取的各设备稳态特征量，组建各设备稳态电流特征向量：

I_total＝(I_rmstotal I_meantotal I_pptotal)^T

由各设备稳态特征向量组建该6个用电设备的寝室用电系统下的特征矩阵：

在用电设备中只有电灯、冰箱、吹风机处于开启状态情况下，测量寝室内总瞬时电流，按照步骤1得到稳态瞬时电流，按照步骤1、2得到该稳态状态下特征向量I_total＝(40.2355 39.2043 36.2727)^T。

取inf＝10000，计算如下罚函数的最小值点：

算得x₁＝1,x₂＝0,x₃＝0,x₄＝0,x₅＝1,x₆＝1时上式取得最小值p＝3.4717，即判断该稳态状态下只有电灯、冰箱、吹风机处于开启状态。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1、使用电流高频采样装置采集单个用电设备的瞬时电流，并从中提取稳态电流；

步骤2、对步骤1中提取的稳态电流数据进行处理形成电流的特征值，计算有效值、均值和峰谷差；

步骤3、由步骤2得到的有效值、均值和峰谷差形成每个设备的特征矩阵并组成系统标准矩阵；

步骤4、使用电流高频采样装置采集寝室进线的实际总瞬时电流；

步骤5、提取实际总瞬时电流的稳态电流数据，并由提取的稳态电流数据处理形成各设备电流的特征值，计算有效值、均值和峰谷差；

步骤6、由步骤5中得出的三个特征值形成实际运行特征矩阵，与系统标准矩阵组成矩阵方程；

步骤7、利用罚函数求解矩阵方程的最优解；解只能为0、1构成的向量，对应元素为0表示负荷关闭，对应元素为1表示负荷开启，由此确定待识别负荷。

2.根据权利要求1所述的一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法，其特征是：步骤1中测量单个用电设备的瞬时电流i_z，在一定时间周期内判断下式是否成立：

(i_z-i_z-1)²<δ

其中i_z和i_z-1是相邻的瞬时电流，δ是稳态判断阈值；

记录所有满足上式条件下的稳态电流i(k)，i(k)即为第k个采样点的稳态电流，1≤k≤K，其中K为满足上式条件下的稳态电流i(k)的总个数。

3.根据权利要求1所述的一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法，其特征是：所述步骤2中将利用公式：

对稳态电流进行处理，式中I_rms为稳态电流的有效值，I_mean为稳态电流的均值，I_pp为稳态电流的峰谷差。

4.根据权利要求1所述的一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法，其特征是：步骤3中第n个设备的特征矩阵为I_n＝(I_rmsn I_meann I_ppn)^T，系统标准矩阵为A＝(I₁ I₂ ΛI_n)；

其中，I_n表示第n个设备的特征矩阵；

其中I_rmsn、I_meann、I_ppn分别为第n个设备的电流的有效值、电流的均值、电流的峰谷差。

5.根据权利要求1所述的一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法，其特征是：步骤6中矩阵方程为：

式中X为x₁ x₂Λx_n的列矩阵，x_i(i＝1,2,Λ,n)是第i个设备的工作情况，当x_i＝1时，则认为第i个设备处于工作状态；当x_i＝0时，则认为第i个设备处于非工作状态。

6.根据权利要求1所述的一种在寝室用电环境下的非侵入式负荷辨识方法，其特征是：步骤7中求p的最小值，利用罚函数：

求解矩阵方程最优解，式中inf为一个极大数。

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