CN113219268B - 一种多态电器的非侵入辨识方法及装置 - Google Patents

一种多态电器的非侵入辨识方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多态电器的非侵入辨识方法及装置，检测是否发生投切事件，若∆P(n)>120W则判定功率抬升，记录抬升时刻为t on (n)，计算有功功率的抬升值记为∆P up ，无功功率的抬升值记为∆Q up ，暂态电流冲击倍数I´ rate ，二次、三次、五次谐波电流的变化值∆i 2 、∆i 3 、∆ i 5 ，进入步骤（4）启动分类算法；若是∆P(n)<‑120W则判定功率跌落，记录跌落时刻为t off (n)，计算有功功率的跌落值∆P down ，无功功率的跌落值∆Q down ，二次、三次、五次谐波电流的变化值∆ i 2 、∆i 3 、∆i 5 ，进入步骤（5）关断匹配算法。本发明可准确感知多态电器的运行及所处状态，为实现多态电器的非侵入辨识提供了技术支撑。

Description

一种多态电器的非侵入辨识方法及装置
技术领域
本发明涉及一种多态电器的非侵入辨识方法及装置，属于智能用电技术领域。
背景技术
随着我国城镇居民生活水平的提高，居民用电呈现用电量飞速增长、用电行为复杂、综合能耗高、与电网互动能力弱等特点，居民用户对电网峰谷差和全社会综合能耗的影响越来越大，因此开展居民用户供需友好互动具有重要现实意义，引导科学合理用电，降低电网峰谷差，推动节能减排。用电行为感知技术是居民用户供需友好互动的基础支撑技术，负荷监测分解技术研究是用电行为感知技术的核心。负荷监测分解技术通过对用户总负荷数据进行采样与分析，监测用户内部每一类电器的运行状态，以获得居民用户每种电器的电能消耗情况和细粒度用电行为等信息，实现负荷辨识。
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，侵入式负荷监测分解技术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，影响用户的正常生活。非侵入式负荷监测分解技术是在每个用户的电力总入口处安装具有数据采集、监测与辨识功能的负荷监测装置，直接在用户侧实现非侵入式的负荷辨识，辨识结果经电力通信系统传输至电网侧，进行用电行为大数据分析。
随着科学技术的发展与生活水平的大幅提高，家用电器愈加智能化，尤其是功耗较大的厨房电器大部分都是多态电器，功能模式多样化，不同的功能模式对应不同的工作状态，运行过程中频繁切换工作状态，功率也处于频繁变化中，极大地增加了非侵入式监测辨识的难度。现有的非侵入式负荷辨识算法逻辑对多态电器的类别与实时工作状态很难实现准确辨识。
综上所述，NILMD技术已经逐渐成为一个研究热点，相关技术的突破和产业化对全社会的节能减排的目标具有重要意义。但目前NILMD技术的研究还停留在理论研究和初步实践阶段，尤其是对多态负荷分解辨识的准确度有待突破。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多态电器的非侵入辨识方法及装置。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种多态电器非侵入辨识方法，包括如下步骤：
步骤一：若ΔP(n)>第一有功阈值，则判定功率抬升，记录抬升时刻为ton(n)，计算有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入步骤二；若ΔP(n)<第二有功阈值，则判定功率跌落，记录跌落时刻为toff(n)，计算有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入步骤三；
步骤二：当无功功率变化量|ΔQup|<第一无功变化阈值时，满足ΔPup>第一有功变化阈值且Δi3<三次谐波电流变化阈值，则判断为电热设备启动，此时更新电热设备启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Prun＝Pon，当前工作状态为开启；并将电热设备启动态特征量存入启动电器表中的电热类；Pon、Qon、i2on、i3on、i5on、ton、Prun分别为电器启动态下的有功特征量、无功特征量、二次谐波电流特征量、三次谐波电流特征量、五次谐波电流特征量、启动时间特征量、运行功率值；
当无功功率变化量|ΔQup|>第二无功变化阈值时，满足Irate>暂态电流冲击倍数阈值且Δi2>二次谐波电流变化阈值，则判断为定频空调启动，此时更新定频空调启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Irate＝I′rate，Prun＝Pon，当前工作状态为开启；并将定频空调设备启动态特征量存入启动电器表中的定频空调类；Irate为电器启动态下的暂态电流冲击倍数特征量；
当以上两者均不满足，则根据待辨识负荷的有功功率的抬升值ΔPup，无功功率的抬升值ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，谐波电流变化量Δi2，Δi3，Δi5与负荷特征库中多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离匹配算法，选择特征值距离最小电器模型进行匹配，若与负荷特征库中电器模型成功匹配，根据匹配的电器类别和工作阶段更新对应设备的启动电器表。
步骤三：扫描启动电器表，遍历启动电器表中Prun，根据||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值进行关断匹配，若能满足||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值，则电器类别匹配成功，该设备关断，查询启动电器表中该设备的启动时刻ton，根据T＝toff-ton计算电器运行时长T，并将启动电器表中该设备的当前工作状态更新为关闭；若不能满足||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值，则进入负荷特征库选取启动电器表中运行设备的多态电器模型，将待辨识负荷的有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5与选取的多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，以距离最小作为匹配原则，匹配成功后根据辨识得到的电器类别返回启动电器表，更新启动电器表中的该设备的运行功率值Prun。
一种多态电器非侵入辨识装置，包括如下步骤：
负荷投切判断模块：若ΔP(n)>第一有功阈值，则判定功率抬升，记录抬升时刻为ton(n)，计算有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入启动匹配模块；若ΔP(n)<第二有功阈值，则判定功率跌落，记录跌落时刻为toff(n)，计算有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入关断匹配模块；
启动匹配模块：当无功功率变化量|ΔQup|<第一无功变化阈值时，满足ΔPup>第一有功变化阈值且Δi3<三次谐波电流变化阈值，则判断为电热设备启动，此时更新电热设备启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Prun＝Pon，当前工作状态为开启；并将电热设备启动态特征量存入启动电器表中的电热类；Pon、Qon、i2on、i3on、i5on、ton、Prun分别为电器启动态下的有功特征量、无功特征量、二次谐波电流特征量、三次谐波电流特征量、五次谐波电流特征量、启动时间特征量、运行功率值；
当无功功率变化量|ΔQup|>第二无功变化阈值时，满足Irate>暂态电流冲击倍数阈值且Δi2>二次谐波电流变化阈值，则判断为定频空调启动，此时更新定频空调启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Irate＝I′rate，Prun＝Pon，当前工作状态为开启；并将定频空调设备启动态特征量存入启动电器表中的定频空调类；Irate为电器启动态下的暂态电流冲击倍数特征量；
当以上两者均不满足，则根据待辨识负荷的有功功率的抬升值ΔPup，无功功率的抬升值ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，谐波电流变化量Δi2，Δi3，Δi5与负荷特征库中多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，选择特征值距离最小电器模型进行匹配，若与负荷特征库中电器模型成功匹配，根据匹配的电器类别和工作阶段更新对应设备的启动电器表。
关断匹配模块：扫描启动电器表，遍历启动电器表中Prun，根据||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值进行关断匹配，若能满足||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值，则电器类别匹配成功，该设备关断，查询启动电器表中该设备的启动时刻ton，根据T＝toff-ton计算电器运行时长T，并将启动电器表中该设备的当前工作状态更新为关闭；若不能满足||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值，则进入负荷特征库选取启动电器表中运行设备的多态电器模型，将待辨识负荷的有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5与选取的多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，以距离最小作为匹配原则，匹配成功后根据辨识得到的电器类别返回启动电器表，更新启动电器表中的该设备的运行功率值Prun。
作为优选方案，根据匹配的电器类别和工作阶段更新对应设备的启动电器表，其具体步骤如下：
如果电器工作阶段为过程态，搜索启动电器表中对应类别设备，如果搜到，且启动电器表工作状态是开启，则更新启动电器表中该设备的当前运行功率值Prun，如果没有搜到，存入未知设备类，并更新启动态特征量；
如果电器工作阶段为启动态，搜索启动电器表中对应类别设备，如果搜到，且启动电器表工作状态是关闭，则将关闭更新为开启；否则，作为该类别电器的新设备加入启动电器表，并更新启动态特征量。
作为优选方案，特征值距离计算是计算待辨识负荷X与负荷特征库中多态电器模型k间的最小距离值Dk，计算公式如下：
Figure BDA0002994498720000061
其中，Ek表示包含k个电器模型的负荷特征库，e1表示电器的启动态模型，e2表示电器的过程态模型，e3表示电器的稳态模型，ln表示每个运行态包含n个负荷特征量，dk表示待辨识负荷X与负荷特征库中负荷电器模型k间的距离值。
作为优选方案，所述负荷特征库获取步骤如下：
多次采集主流品牌电器单独运行的电量数据；
统计分析各类电器的负荷特征量，分别确定启动态、过程态、稳态时的负荷标识；负荷特征量包括有功、无功功率变化增量、二、三、五次谐波电流变化增量、暂态电流冲击倍数、运行时长；
将各电器多态电器模型及多态电器模型对应的负荷标识组成负荷特征库；
所述多态电器模型表示单个多态电器在不同工作状态下的负荷标识，负荷标识为能够辨识该电器的负荷特征量；多态电器的每一种功能模式对应一种工作状态，每一工作状态对应一种稳态功率，电器从开启到某一工作状态下的稳态需要经历三个阶段：启动态阶段、过程态阶段、稳态阶段。
作为优选方案，以一定计算时间的滑动窗口扫描平均有功功率序列P(n)、平均无功功率序列Q(n)和谐波电流i2(n)、i3(n)、i5(n)的电量序列，获得有功功率增量ΔP(n)、无功功率增量ΔQ(n)、二次谐波电流增量Δi2(n)、三次谐波电流增量Δi3(n)、五次谐波电流增量Δi5(n)的电量序列，根据有功功率增量ΔP(n)、无功功率增量ΔQ(n)、二次谐波电流增量Δi2(n)、三次谐波电流增量Δi3(n)、五次谐波电流增量Δi5(n)的电量序列获得有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5。
有益效果：本发明提供的一种多态电器的非侵入辨识方法及装置，解决了目前典型多态电器如空调、电热器、电磁炉、微波炉、电蒸箱等在实际运行过程中功率频繁变化、工作状态频繁转变难以准确辨识负荷类别及状态的难题，通过提出的负荷特征距离匹配算法可准确感知多态电器的运行及所处状态，为实现多态电器的非侵入辨识提供了技术支撑。
本发明原理简单可靠，可以准确辨识大部分典型多态电器，准确率可以达到90％以上，具备应用推广的条件。
附图说明
图1为本发明的多态电器模型结构图；
图2为本发明的辨识方法流程图；
图3为电磁炉运行时有功功率波形图；
图4为电磁炉运行时无功功率波形图；
图5为电磁炉运行时二、三、五次谐波电流图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
一种多态电器非侵入辨识方法，该辨识方法包括如下步骤：
(1)以一定的采样频率对总电源进线的电压和电流信号进行采样，生成电压信号采样序列u(k)和电流信号采样序列i(k)，k为采样点编号，计算实时平均有功功率序列P(n)和实时平均无功功率序列Q(n)和二次、三次、五次谐波电流i2(n)、i3(n)、i5(n)的电量序列，n为序列编号；
所述步骤(1)中实时平均有功功率序列P(n)和实时平均无功功率序列Q(n)的的计算公式分别为
Figure BDA0002994498720000091
Figure BDA0002994498720000092
其中，m为计算时间窗口所含工频周期的数目，取m＝5，k为采样点编号，N为一个工频周期包含的采样点数目，N＝fs/50，fs为电流电压的采样频率；u(k)、i(k)为离散的电压采样序列和电流采样序列；下标i、R表示电压或电流的虚部、实部。
所述步骤(1)中谐波电流i2(n)、i3(n)、i5(n)的电量序列的计算公式为：
Fi[:]＝FFT(i[:])
fi(j)＝(j-1)*fs/Ns
ij＝Fi(j*50*Ns/fs+1)
其中，FFT表示快速傅里叶变换运算，Ns为参与本次快速傅里叶变换运算的电流采样序列中的样本数量，i[:]为维度是Ns的参与本次快速傅里叶变换运算的电流采样序列，Fi[:]是i[:]经过FFT运算后维度是Ns的幅值结果序列，fi(j)为实际频率结果序列，ij是j次稳态电流谐波。
所述步骤(1)中的采样频率范围为fs＝0.8kHz～7kHz。
(2)以一定计算时间的滑动窗口扫描平均有功功率序列P(n)、平均无功功率序列Q(n)和谐波电流i2(n)、i3(n)、i5(n)的电量序列，计算有功功率增量ΔP(n)、无功功率增量ΔQ(n)、二次谐波电流增量Δi2(n)、三次谐波电流增量Δi3(n)、五次谐波电流增量Δi5(n)的电量序列；
(3)检测是否发生投切事件，若ΔP(n)>120W则判定功率抬升，记录抬升时刻为ton(n)，计算有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入步骤(4)启动分类算法；若是ΔP(n)<-120W则判定功率跌落，记录跌落时刻为toff(n)，计算有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入步骤(5)关断匹配算法；
(4)启动分类算法根据电器启动态特征量的不同对负荷投入进行分类预判：当无功功率变化量|ΔQup|<15Var时，满足ΔPup>200W且Δi3<0.035A，则判断为电热设备启动，此时更新电热设备启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Prun＝Pon，当前工作状态为开启。并将电热设备启动态特征量存入启动电器表中的电热类；Pon、Qon、i2on、i3on、i5on、ton、Prun分别为电器启动态下的有功特征量、无功特征量、二次谐波电流特征量、三次谐波电流特征量、五次谐波电流特征量、启动时间特征量、运行功率值。
当无功功率变化量|ΔQup|>15Var时，满足Irate>2.5且Δi2>0.5A则判断为定频空调启动，此时更新定频空调启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Irate＝I′rate，Prun＝Pon，当前工作状态为开启。并将定频空调设备启动态特征量存入启动电器表中的定频空调类；Irate为电器启动态下的暂态电流冲击倍数特征量。
当以上两者均不满足，则根据待辨识负荷的有功功率的抬升值ΔPup，无功功率的抬升值ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，谐波电流变化量Δi2，Δi3，Δi5与前期建立的负荷特征库中多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，选择特征值距离最小电器模型进行匹配，若与负荷特征库中电器模型成功匹配，根据匹配的电器类别和工作阶段进行对应设备启动电器表的更新。
如果电器工作阶段为过程态，搜索启动电器表中对应类别设备，如果搜到，且启动电器表工作状态是开启，则更新启动电器表中该设备的当前运行功率值Prun，如果没有搜到，存入未知设备类，并更新启动态特征量。
如果电器工作阶段为启动态，搜索启动电器表中对应类别设备，如果搜到，且启动电器表工作状态是关闭，则将关闭更新为开启；否则，作为该类别电器的新设备加入启动电器表，并更新启动态特征量。
所述步骤(4)中特征值距离计算是计算待辨识负荷X与负荷特征库中多态电器模型k间的最小距离值Dk，计算公式如下：
Figure BDA0002994498720000111
其中Ek表示包含k个电器模型的负荷特征库，e1表示电器的启动态模型，e2表示电器的过程态模型，e3表示电器的稳态模型，ln表示每个运行态包含n个负荷特征量，dk表示待辨识负荷X与负荷特征库中负荷电器模型k间的距离值。
(5)关断匹配算法首先扫描启动电器表，遍历启动电器表中Prun，根据||ΔPdown|-Prun|<50W进行关断匹配，若能满足||ΔPdown|-Prun|<50W，则电器类别匹配成功，该设备关断，查询启动电器表中该设备的启动时刻ton，根据T＝toff-ton计算电器运行时长T，并将启动电器表中该设备的当前工作状态更新为关闭；若不能满足||ΔPdown|-Prun|<50W，则进入负荷特征库选取启动电器表中运行设备的多态电器模型，将待辨识负荷的有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5与选取的多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，以距离最小作为匹配原则，匹配成功后根据辨识得到的电器类别返回启动电器表，更新启动电器表中的该设备的运行功率值Prun。
如表1所示，启动电器表是辨识过程中已启动负荷的实际特征量数据库，按照电热类、空调类、厨房电器(包括微波炉，烤箱、电磁炉、电饭煲)、未知设备这四类分别存储各类负荷的启动态特征量和辨识结果，辨识结果是指通过启动分类算法得出的负荷类型、当前工作状态(启动或者关闭)、运行时长T、当前运行功率值Prun，Prun是指已启动设备当前运行的有功功率值，Prun＝Pon+ΔP(n)。
表1启动电器表
Figure BDA0002994498720000121
Figure BDA0002994498720000131
Figure BDA0002994498720000141
如图1所示，多态电器模型表示多态电器在不同工作状态下的负荷标识，负荷标识即为能够辨识该电器的负荷特征量。多态电器的每一种功能模式对应一种工作状态，每一工作状态对应一种稳态功率，电器从开启到某一工作状态下的稳态需要经历三个阶段：启动态阶段、过程态阶段、稳态阶段，过程态阶段是指启动后到稳态经历的若干过渡阶段，电器工作状态间可以转换，一般是稳态切换至另一工作状态的稳态，模型结构如图1所示。
负荷特征库的基本组成单元是高耗能电器的多态电器模型，居民用户家中耗能较大的电器通常为空调、厨房电器和长时运行的电热设备。为保证负荷特征库的普适性，前期多次采集主流品牌电器单独运行的电量数据，统计分析各类电器的负荷特征量，包括有功、无功功率变化增量、二三五次谐波电流变化增量、暂态电流冲击倍数、运行时长，分别确定启动态、过程态、稳态时的负荷标识，从而组成包括各电器多态电器模型的负荷特征库。
实施例1：
如图2所示，本发明公开了一种多态电器的非侵入辨识方法，具体的流程步骤如下：
(1)取采样频率fs＝6400Hz，使用电流传感器和电压传感器对总电源进线的电压和电流进行采样，形成电压信号采样序列u(k)和电流信号采样序列i(k)，k为采样点编号。
(2)取计算时间窗口m＝5个工频周期，一个工频周期包含的采样点数目N＝128，计算总电源进线处的实时平均有功功率序列P(n)和无功功率序列Q(n)，对电流序列进行快速傅里叶分解，计算总电源进线处的二、三、五次谐波电流序列i2(n)、i3(n)、i5(n)，其中
P(n)的计算公式为，
Figure BDA0002994498720000151
Q(n)的计算公式为，
Figure BDA0002994498720000152
电磁炉的功能模式可以分为两种，当功能设置功率高于1000W时，电磁炉以高功率模式运行，第一次启动运行时有功功率需要约2s的时间从功率最低点抬升至新的有功功率稳定点，中间200W至300W的档位差值一般要0.5s～1s的时间消化，而有功功率的下降可在0.1s以内完成；运行期间无功功率波动较大，波动的最大值可达199Var左右，这使得无功在加减档过程中变化并不明显。当功能设置功率低于1000W时，电磁炉以1300W的功率间歇运行，运行时长相对固定，单次运行时长为7.8s左右，通过控制间歇时长的占空比来调节功率大小；无功功率在电磁炉运行时段波动较大，且在有功功率抬升的同时刻下降，变化正好相反。
电磁炉运行期间三次、五次谐波电流明显，不论在低功率档位或在高功率档位运行都会产生1A左右的三次谐波电流，切换档位时三次谐波电流也会发生相应的变化，当电磁炉在功率最高档运行是三次谐波电流下降，而同时刻五次谐波电流上升。
在一定计算时间窗口内扫描实时平均有功功率序列P(n)和实时平均无功功率序列Q(n)，计算有功功率增量ΔP(n)、无功功率增量ΔQ(n)、二次谐波电流增量Δi2(n)、三次谐波电流增量Δi3(n)、五次谐波电流增量Δi5(n)。
(3)检测是否发生投切事件，若ΔP(n)>120W则判定功率抬升，记录抬升时刻为ton(n)，计算有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入步骤(4)启动分类算法；若是ΔP(n)<-120W则判定功率跌落，记录跌落时刻为toff(n)，计算有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入步骤(5)关断匹配算法；
如图3、图4所示，电磁炉在高功率模式运行期间，启动时刻功率阶跃上升约1994W左右，运行期间功率变化在130～300W范围内，电磁炉在低功率模式运行期间，功率阶跃上升约1300W左右，以1300W左右的功率间歇运行，两种模式下功率变化均大于判据中的阈值120W，若是判定为功率抬升，将抬升时刻记为ton(n)，如图3所示的ton(1)、ton(2)，有功功率的抬升值记为ΔPup(n)，无功功率的抬升值记为ΔQup(n)，并且将ΔPup(n)、ΔQup(n)、ton(n)记入启动电器表，进入启动分类算法；若是判定为功率下降，则进入关断匹配算法。
(4)启动分类算法根据电器启动态特征的不同对负荷投入进行分类预判：当无功功率变化量|ΔQ|<15时，满足ΔPup>200且ΔI3<0.035则判断为电热设备启动Pon＝ΔPup，将启动信息存入启动电器表中电热类；当无功功率变化量|ΔQ|>15时，满足Iimpact>2.5且ΔI2>0.5则判断为定频空调启动，将启动信息存入启动电器表中定频空调类；当两者均不满足则与前期建立的负荷特征库中多态电器模型进行特征值距离匹配算法，若与库中电器模型成功匹配，根据辨识结果搜索启动电器表中设备，判断是否为已启动设备的运行过程态，若是过程态则更新启动电器表中该设备的功率状态Prun，否则再次判断是否是新设备启动态，若是新设备则加入启动电器表，否则存入未知电器表；
具体为通过启动态的特征值来对待辨识负荷进行分类，若是满足【|ΔQ|<15+ΔPup>200+ΔI3<0.035】则说明该负荷运行不存在无功，可以归至电热类负荷进行辨识，若是满足【|ΔQ|>15+Iimpact>2.5+ΔI2>0.5】则说明符合定频空调的启动态判据，将其归至定频空调类负荷进行辨识；两者都不满足的情况下进入特征值距离匹配算法，将待辨识负荷多维特征值与负荷特征库的电器模型进行距离计算，距离越小则相似度越高；若匹配成功则搜索启动列表中运行设备，若匹配结果是表中运行设备的过程态则更新表中该设备的功率状态，否则再次判断是否匹配为新设备的启动态，若是新设备启动则加入启动电器表。
如图3、4、5所示，ton(1)时刻提取到的ΔPup(1)、ΔQup(1)和谐波增量ΔI2(1)、ΔI3(1)、ΔI5(1)，不满足电热类、定频空调类的启动判定条件，进入特征值距离匹配算法，将待辨识负荷的特征量与库中电器模型的各辨识特征组进行距离计算，距离越小则表示相似度越高，ton(1)时刻的特征量与电磁炉启动态距离最小，则判别为电磁炉启动，加入启动电器表；后续检测到的ΔPup(2)、ΔPup(3)等特征量与电磁炉过程态距离最小，则在启动电器表更新当前电磁炉运行功率；ton(2)时刻电磁炉再次开启，ΔPup(7)、ΔQup(7)以及相关谐波特征量在距离匹配时与电磁炉低功率模式启动态匹配成功，更新启动电器表中电磁炉状态，再次打开电磁炉。
(5)关断匹配算法首先扫描启动电器表根据功率ΔPdown≈Prun进行启停匹配，若能匹配成功则计算电器运行时长T，并更新启动电器表中该设备的运行状态，若不能匹配则遍历启动电器表中运行设备的电器模型进行特征值距离匹配，匹配成功则更新启动电器表中的运行电器功率状态。
具体为扫描启动电器表根据功率ΔPdown≈Prun进行启停匹配，若能匹配成功则根据启动时刻ton(i)、关断时刻toff(i)计算电器运行时长T，并更新启动电器表中该设备的运行状态(关闭)，若不能匹配则说明可能是运行设备的过程态，则遍历启动电器表中运行设备的电器模型进行特征值距离匹配，匹配成功则更新启动电器表中的运行电器的各个特征量。
如图3、4、5所示，当检测到有功功率下降时进入关断匹配算法，扫描启动电器表根据功率ΔPdown≈Prun进行启停匹配，ΔPdown(1)、ΔPdown(2)、ΔPdown(3)、ΔPdown(4)和ΔPdown(5)与Prun不能匹配，遍历启动电器表中运行设备，此时电磁炉在运行中，与电磁炉的电器模型进行特征值距离匹配，匹配成功则更新启动电器表中电磁炉的运行功率Prun，当电磁炉关断时ΔPdown(6)≈Prun，匹配成功此时刻记为toff(1)，计算运行时长T，将启动电器表中电磁炉状态更新为关闭。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多态电器的非侵入辨识方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：若ΔP(n)>第一有功阈值，则判定功率抬升，记录抬升时刻为ton(n)，计算有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入步骤二；若ΔP(n)<第二有功阈值，则判定功率跌落，记录跌落时刻为toff(n)，计算有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，进入步骤三；ΔP(n)为有功功率增量；
步骤二：当无功功率变化量|ΔQup|<第一无功变化阈值时，满足ΔPup>第一有功变化阈值且Δi3<三次谐波电流变化阈值，则判断为电热电器启动，此时更新电热电器启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Prun＝Pon，当前工作状态为开启；并将电热电器启动态特征量存入启动电器表中的电热类；Pon、Qon、i2on、i3on、i5on、ton、Prun分别为电器启动态下的有功特征量、无功特征量、二次谐波电流特征量、三次谐波电流特征量、五次谐波电流特征量、启动时间特征量、运行功率值；
当无功功率变化量|ΔQup|>第二无功变化阈值时，满足Irate>暂态电流冲击倍数阈值且Δi2>二次谐波电流变化阈值，则判断为定频空调启动，此时更新定频空调启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Irate＝I′rate，Prun＝Pon，当前工作状态为开启；并将定频空调启动态特征量存入启动电器表中的定频空调类；Irate为电器启动态下的暂态电流冲击倍数特征量；
当以上两者均不满足，则根据待辨识负荷的有功功率的抬升值ΔPup，无功功率的抬升值ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，谐波电流变化量Δi2、Δi3、Δi5与负荷特征库中多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，选择特征值距离最小电器模型进行匹配，若与负荷特征库中多态电器模型成功匹配，根据匹配的电器类别和工作阶段更新对应电器的启动电器表；
步骤三：扫描启动电器表，遍历启动电器表中Prun，根据||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值进行关断匹配，若能满足||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值，则电器类别匹配成功，该电器关断，查询启动电器表中该电器的启动时间特征量ton，根据T＝toff-ton计算电器运行时长T，并将启动电器表中该电器的当前工作状态更新为关闭；若不能满足||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值，则进入负荷特征库选取启动电器表中运行电器的多态电器模型，将待辨识负荷的有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5与选取的多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，以距离最小作为匹配原则，匹配成功后根据辨识得到的电器类别返回启动电器表，更新启动电器表中的该电器的运行功率值Prun；
根据匹配的电器类别和工作阶段更新对应电器的启动电器表，其具体步骤如下：
如果电器工作阶段为过程态，搜索启动电器表中对应类别电器，如果搜到，且启动电器表工作状态是开启，则更新启动电器表中该电器的当前运行功率值Prun，如果没有搜到，存入未知电器类，并更新启动态特征量；
如果电器工作阶段为启动态，搜索启动电器表中对应类别电器，如果搜到，且启动电器表工作状态是关闭，则将关闭更新为开启；否则，作为该类别电器的新电器加入启动电器表，并更新启动态特征量；所述特征值距离计算是计算待辨识负荷X与负荷特征库中多态电器模型k间的最小距离值Dk，计算公式如下：
Figure FDA0003784024490000031
其中，Ek表示包含k个电器模型的负荷特征库，e1表示电器的启动态模型，e2表示电器的过程态模型，e3表示电器的稳态模型，ln表示每个运行态包含n个负荷特征量，dk表示待辨识负荷X与负荷特征库中负荷电器模型k间的距离值；
所述负荷特征库获取步骤如下：
多次采集主流品牌电器单独运行的电量数据；
统计分析各类电器的负荷特征量，分别确定启动态、过程态、稳态时的负荷标识；负荷特征量包括有功、无功功率变化增量、二、三、五次谐波电流变化增量、暂态电流冲击倍数、运行时长；
将各电器多态电器模型及多态电器模型对应的负荷标识组成负荷特征库；
所述多态电器模型表示单个多态电器在不同工作状态下的负荷标识，负荷标识为能够辨识该电器的负荷特征量；多态电器的每一种功能模式对应一种工作状态，每一工作状态对应一种稳态功率，电器从开启到某一工作状态下的稳态需要经历三个阶段：启动态阶段、过程态阶段、稳态阶段。
2.根据权利要求1所述的一种多态电器的非侵入辨识方法，其特征在于：以一定计算时间的滑动窗口扫描平均有功功率序列P(n)、平均无功功率序列Q(n)和谐波电流i2(n)、i3(n)、i5(n)的电量序列，获得有功功率增量ΔP(n)、无功功率增量ΔQ(n)、二次谐波电流增量Δi2(n)、三次谐波电流增量Δi3(n)、五次谐波电流增量Δi5(n)的电量序列，根据有功功率增量ΔP(n)、无功功率增量ΔQ(n)、二次谐波电流增量Δi2(n)、三次谐波电流增量Δi3(n)、五次谐波电流增量Δi5(n)的电量序列获得有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5。
3.一种多态电器的非侵入辨识装置，其特征在于：包括如下模块：
负荷投切判断模块：若ΔP(n)>第一有功阈值，则判定功率抬升，记录抬升时刻为ton(n)，计算有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，运行启动匹配模块；若ΔP(n)<第二有功阈值，则判定功率跌落，记录跌落时刻为toff(n)，计算有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5，运行关断匹配模块；ΔP(n)为有功功率增量；
启动匹配模块：当无功功率变化量|ΔQup|<第一无功变化阈值时，满足ΔPup>第一有功变化阈值且Δi3<三次谐波电流变化阈值，则判断为电热电器启动，此时更新电热电器启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Prun＝Pon，当前工作状态为开启；并将电热电器启动态特征量存入启动电器表中的电热类；Pon、Qon、i2on、i3on、i5on、ton、Prun分别为电器启动态下的有功特征量、无功特征量、二次谐波电流特征量、三次谐波电流特征量、五次谐波电流特征量、启动时间特征量、运行功率值；
当无功功率变化量|ΔQup|>第二无功变化阈值时，满足Irate>暂态电流冲击倍数阈值且Δi2>二次谐波电流变化阈值，则判断为定频空调启动，此时更新定频空调启动态特征量Pon＝ΔPup、Qon＝ΔQup，i2on＝Δi2，i3on＝Δi3，i5on＝Δi5，ton＝ton(n)，Irate＝I′rate，Prun＝Pon，当前工作状态为开启；并将定频空调启动态特征量存入启动电器表中的定频空调类；Irate为电器启动态下的暂态电流冲击倍数特征量；
当以上两者均不满足，则根据待辨识负荷的有功功率的抬升值ΔPup，无功功率的抬升值ΔQup，暂态电流冲击倍数I′rate，谐波电流变化量Δi2、Δi3、Δi5与负荷特征库中多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，选择特征值距离最小电器模型进行匹配，若与负荷特征库中多态电器模型成功匹配，根据匹配的电器类别工作阶段更新对应电器的启动电器表；
关断匹配模块：扫描启动电器表，遍历启动电器表中Prun，根据||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值进行关断匹配，若能满足||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值，则电器类别匹配成功，该电器关断，查询启动电器表中该电器的启动时间特征量ton，根据T＝toff-ton计算电器运行时长T，并将启动电器表中该电器的当前工作状态更新为关闭；若不能满足||ΔPdown|-Prun|<功率变动阈值，则进入负荷特征库选取启动电器表中运行电器的多态电器模型，将待辨识负荷的有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5与选取的多态电器模型对应的负荷标识进行特征值距离计算，以距离最小作为匹配原则，匹配成功后根据辨识得到的电器类别返回启动电器表，更新启动电器表中的该电器的运行功率值Prun；
根据匹配的电器类别和工作阶段更新对应电器的启动电器表，其具体步骤如下：
如果电器工作阶段为过程态，搜索启动电器表中对应类别电器，如果搜到，且启动电器表工作状态是开启，则更新启动电器表中该电器的当前运行功率值Prun，如果没有搜到，存入未知电器类，并更新启动态特征量；
如果电器工作阶段为启动态，搜索启动电器表中对应类别电器，如果搜到，且启动电器表工作状态是关闭，则将关闭更新为开启；否则，作为该类别电器的新电器加入启动电器表，并更新启动态特征量；
所述特征值距离计算是计算待辨识负荷X与负荷特征库中多态电器模型k间的最小距离值Dk，计算公式如下：
Figure FDA0003784024490000061
其中，Ek表示包含k个电器模型的负荷特征库，e1表示电器的启动态模型，e2表示电器的过程态模型，e3表示电器的稳态模型，ln表示每个运行态包含n个负荷特征量，dk表示待辨识负荷X与负荷特征库中负荷电器模型k间的距离值；
所述负荷特征库获取步骤如下：
多次采集主流品牌电器单独运行的电量数据；
统计分析各类电器的负荷特征量，分别确定启动态、过程态、稳态时的负荷标识；负荷特征量包括有功、无功功率变化增量、二、三、五次谐波电流变化增量、暂态电流冲击倍数、运行时长；
将各电器多态电器模型及多态电器模型对应的负荷标识组成负荷特征库；
所述多态电器模型表示单个多态电器在不同工作状态下的负荷标识，负荷标识为能够辨识该电器的负荷特征量；多态电器的每一种功能模式对应一种工作状态，每一工作状态对应一种稳态功率，电器从开启到某一工作状态下的稳态需要经历三个阶段：启动态阶段、过程态阶段、稳态阶段。
4.根据权利要求3所述的一种多态电器的非侵入辨识装置，其特征在于：以一定计算时间的滑动窗口扫描平均有功功率序列P(n)、平均无功功率序列Q(n)和谐波电流i2(n)、i3(n)、i5(n)的电量序列，获得有功功率增量ΔP(n)、无功功率增量ΔQ(n)、二次谐波电流增量Δi2(n)、三次谐波电流增量Δi3(n)、五次谐波电流增量Δi5(n)的电量序列，根据有功功率增量ΔP(n)、无功功率增量ΔQ(n)、二次谐波电流增量Δi2(n)、三次谐波电流增量Δi3(n)、五次谐波电流增量Δi5(n)的电量序列获得有功功率的抬升值记为ΔPup，无功功率的抬升值记为ΔQup，有功功率的跌落值ΔPdown，无功功率的跌落值ΔQdown，二次、三次、五次谐波电流的变化值Δi2、Δi3、Δi5。
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