CN114966275A - 非侵入式居民负荷监测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非侵入式居民负荷监测方法和装置。非侵入式居民负荷监测方法为：在电表处测量同一类别的各个居民负荷的载波输入阻抗（频谱），将各个居民负荷的载波输入阻抗（频谱）作为辨识特征量而实现对同一类别的各个居民负荷的辨识。非侵入式居民负荷监测装置包括载波信号收发单元、变压器、测量电阻、电容、电压电流测量模块和信号处理模块；载波信号收发单元、测量电阻与变压器的原边串联构成第一回路，电容、变压器的副边与待检测的居民负荷串联构成第二回路，电压电流测量模块与第二回路相连接，信号处理模块与电压电流测量模块相连接。本发明能够实现同类型居民负荷的有效辨识，解决了现有非侵入式负荷监测方案无法解决的难题。

Description

非侵入式居民负荷监测方法和装置

技术领域

本发明属于电力需求侧非侵入式负荷监测与分解领域，应用于电力企业的市场营销部门，服务于综合能源业务的开展与推广，具体涉及一种非侵入式居民负荷监测方法和装置。

背景技术

高级计量体系(advanced metering infrastructure，AMI)是实现供电企业与用能客户之间双向互动的支撑，传统的负荷监测采用的是侵入式的方法，需要在被监测的各个用电设备上安装特定传感器，但是现实情况下考虑到居民用户的用电设备属于用户资产，供电企业无权处理且存在潜在的侵犯用户隐私的风险，因此非侵入式负荷监测手段更容易被各方接受。

非侵入式负荷监测(non-intrusive load monitoring，NILM)由Hart于上世纪80年代提出，具体指的是基于电能表处的采集的总负荷数据进行处理与分析，实现对家庭各个用电设备及工作状态的辨识。用电设备在运行中所体现的独特的能反映用电状态的信息称为负荷印记(load signatures，LS)，是现有NILM依赖的主要判别依据。

现有的基于NILM居民用电行为分析实施架构如图1所示，依赖于智能电表采集的用电设备运行过程中的LS数据，其中历史数据用于负荷特征训练与分类器设计，实时数据与经过训练的历史数据比较，用于当前用电行为的分解与探知。当前的NILM尚未有突破此构架的方法。

随着NILM研究的不断深入和多种训练算法的引入，NILM的负荷辨识率得到明显的提升，但是仍有难题尚未得到有效解决。如图2右上角所示同种类型、同种参数与同种工况的冰箱一与冰箱二，在现有的NILM技术构架下难以实现有效辨识，是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效辨识同类别负荷的非侵入式居民负荷监测方法和装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种非侵入式居民负荷监测方法，用于对同一类别的多个居民负荷进行辨识，所述非侵入式居民负荷监测方法为：在电表处测量同一类别的各个所述居民负荷的载波输入阻抗，将各个所述居民负荷的载波输入阻抗作为辨识特征量而实现对同一类别的各个所述居民负荷的辨识。

在电表处测量同一类别的各个所述居民负荷的载波输入阻抗频谱，将各个所述居民负荷的载波输入阻抗频谱作为辨识特征量而实现对同一类别的各个所述居民负荷的辨识。

主动向所述居民负荷注入载波信号，从而得到各个所述居民负荷的载波输入阻抗。

主动向所述居民负荷注入不同频率的载波信号，从而得到各个所述居民负荷的载波输入阻抗频谱。

所述居民负荷的载波输入阻抗依赖于电力线载波输入阻抗。

所述非侵入式居民负荷监测方法应用于对居民负荷进行初步类别辨识和对每一类别的居民负荷进行数量判断之后。

一种非侵入式居民负荷监测装置，用于实现前述的非侵入式居民负荷监测方法，所述非侵入式居民负荷监测装置包括载波信号收发单元、变压器、测量电阻、电容、电压电流测量模块和信号处理模块；所述载波信号收发单元、所述测量电阻与所述变压器的原边串联构成第一回路，所述电容、所述变压器的副边与待检测的居民负荷串联构成第二回路，所述电压电流测量模块与所述第二回路相连接而用于测量所述待检测的居民负荷两端的电压和所述第二回路中的电流并输出对应测量信号，所述信号处理模块与所述电压电流测量模块相连接而用于进行数据处理而得到所述待检测的居民负荷的载波输入阻抗或载波输入阻抗频谱而实现对同一类别的各个所述居民负荷的辨识。

所述载波信号收发单元内嵌于所述电表中。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够实现同类型居民负荷的有效辨识，解决了现有非侵入式负荷监测方案无法解决的难题。

附图说明

附图1为基于NILM居民用电行为分析实施架构图。

附图2为现有NILM难以辨识的相同负荷问题示意图。

附图3为本发明的非侵入式居民负荷监测方法的流程图。

附图4为本发明的非侵入式居民负荷监测装置的示意图。

附图5为电力线分布参数式模型示意图。

附图6为单分支节点的电力线示意图。

附图7为四芯电缆电力线的剖面示意图。

附图8为电力线载波通信信道阻抗测量方法示意图。

附图9为电力线载波阻抗时频图。

附图10为居民负荷分解示意图。

附图11为情景一下电力线载波阻抗频谱图。

附图12为情景二下电力线载波阻抗频谱图。

附图13为情景三下电力线载波阻抗频谱图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图3所示，对居民负荷的辨识，包括两部分：基于现有的NILM方法对居民负荷进行初步类别辨识和对每一类别的居民负荷进行数量判断、在对居民负荷进行初步类别辨识和对每一类别的居民负荷进行数量判断之后的对同一类别的多个居民负荷进行辨识。

第一部分的具体方法为：利用电表采集居民用户的用电数据而得到对应的负荷印记数据，利用这些数据进行符合特征训练，进而结合实时的用电数据对用电设备进行初步辨识，即进行类别辨识，还对各类别用电设备的数量进行判断。

第二部分即本发明的非侵入式居民负荷监测方法，其用于对同一类别的多个居民负荷进行辨识。该非侵入式居民负荷监测方法为：在电表处测量同一类别的各个居民负荷的载波输入阻抗，将各个居民负荷的载波输入阻抗作为辨识特征量而实现对同一类别的各个居民负荷的辨识。进一步的，可以在电表处测量同一类别的各个居民负荷的载波输入阻抗频谱，将各个居民负荷的载波输入阻抗频谱作为辨识特征量而实现对同一类别的各个居民负荷的辨识。居民负荷的载波输入阻抗依赖于电力线载波输入阻抗。

该非侵入式居民负荷监测方法主要包括以下步骤：在确认了相同负荷辨识需求后，输入(扫频)载波阻抗数据，从而进行相同类别负荷树润阻抗(频谱)特性的确认，得到辨识结果。

实施上述方案时，主动向居民负荷注入载波信号，从而得到各个居民负荷的载波输入阻抗，或者主动向居民负荷注入不同频率的载波信号，从而得到各个居民负荷的载波输入阻抗频谱。

如附图4所示，一种用于实现前述的非侵入式居民负荷监测方法的非侵入式居民负荷监测装置，包括载波信号收发单元(载波信号发生器)、变压器、测量电阻、电容、电压电流测量模块和信号处理模块。载波信号收发单元、测量电阻与变压器的原边串联构成第一回路，电容、变压器的副边与待检测的居民负荷串联构成第二回路，电压电流测量模块与第二回路相连接而用于测量待检测的居民负荷两端的电压和第二回路中的电流并输出对应测量信号，信号处理模块与电压电流测量模块相连接而用于进行数据处理而得到待检测的居民负荷的载波输入阻抗或载波输入阻抗频谱而实现对同一类别的各个居民负荷的辨识。载波信号收发单元内嵌于电表中。

对于上述方案，解释说明如下：

1)电力线分布式参数模型

为了解决相同负荷的辨识问题，在此引入电力线载波输入阻抗的概念。电力线载波通讯是当前低压台区广泛采用的独有通讯方式，基本原理是利用传输电能的电力线线路传输载波通讯信号实现短距离内的数据传输，无需搭建专用的通讯线路。由于电力线载波采用高频发射源，在用户侧负荷网络的距离尺度下应采用分布式参数模型，如图5所示。

如图3所示，假定距离始端x处的微小长度元dx中电流为i，端电压为u，则该dx后面下一段微元中的电流为

而端电压u_BC在计及微小增量后应为

根据基尔霍夫电压定律得到回路ABCDA的方程如式(1)所示：

整理后可得：

又根据基尔霍夫电流定律得节点B的方程为：

忽略二阶无穷小后可得：

将式子进行整理，得到分布式参数电路的电报方程为：

设传输线上的电压u和电流i对应的旋转向量可分别表示为

和

将其带入到式(2)与式(4)，可得：

令Z₀＝R₀+jωL₀，Y₀＝G₀+jωC₀，则可将式(7)与式(8)改写为：

令

为电力线的传播常数，对上两式进行一次求导并整理可得：

上述两式求解得：

式中：K₁～K₄为积分常数，取决于电力线的边界条件。令

称为电力线的特性阻抗，K₁～K₄之间的关系可表示为：

K₃＝K₁/Z_c,K₄＝-K₂/Z_c (15)

已知电力线的始端电压与电流为

和

代入式(13)与(14)得：

因此电力线传输方程的表达式为：

电力线上电压、电流的瞬时值表达式为：

式中：δ为电力线特性阻抗Z_c的幅角。上述分析是基于无损传输线，在实际工况需考虑线路衰减的情况，如图6所示。

图6为简单的包含三条分支线路的电力线，但是由于存在多径反射，电力线上存在着无数条传输路径，每条路径的传输因子是反射系数r和传输系数t的乘积，其值小于等于1。电力线传输信道的衰减与频率和传输距离有关，信道的衰减A(f,x)可表示为：

式中：i为电力线路径编号；k为衰减系数，0.5＜k＜1；a₀、a₁为衰减系数；d_i为路径i的长度。在一条电力线传输的通用模型为：

式中：g_i为i条路径的加权系数，τ_i为路径i的时延。考虑到电力线载波通讯中存在的多径效应，因此电力线的传输函数模型为：

式中：N_T为可能存在的电力线传输路径总数。

图7为居民负荷网络中最常用的四芯电缆电力线，由于在用户侧负荷网络中将电力线视作网络的一部分，电力线的基本物理参数会直接影响到线路的特性阻抗和传播常数等参数，电导率σ_C、相对介电常数ε_r、相对磁导率μ_r以及各个导体之间的空间位置等电力线参数都会对电力线单位长度的电阻R₀、单位长度的电感L₀、单位长度导线间的电导G₀和单位长度导线间的电容C₀产生影响。

2)电力线载波输入阻抗与测量

在传输线暂态模型下，传输线方程的时域解u(x,t)和i(x,t)可表示为：

式中：f₊表示载波的正向行波，f_-表示载波的反向行波，载波在电力线传输的过程中存在着发生、传播和反射现象。假定终端的负载阻抗矩阵为Z_l，反射系数矩阵为Γ_V，负荷网络的电压变换矩阵为T_V，终端与始端的反射系数矩阵为：

Γ_V(l)＝[Z_l-Z_c]·[Z_l+Z_c]^-1 (26)

Γ_V(0)＝T_V·e^-γl·T_V ^-1·Γ_V(0)·T_V·e^-γl·T_V ^-1 (27)

因此对应的测量点的输入阻抗为：

Z_x＝Z_c·[I_N+Y_C·Γ_V(x)·Z_c]·[I_N-Y_C·Γ_V(x)·Z_c]^-1 (28)

式中：I_N为用户侧网络N×N电流矩阵，Y_C为特性导纳矩阵。

由于在分布式参数下将传输线路看成负荷网络结构的一部分，因此同种类型、同种参数与同种工况的用电负荷在电表处表现的输入阻抗是不同的，如图8所示，为典型的电力线载波通信信道阻抗测量的方法。

为施加的变频载波信号源，实现对测量点输入载波的频谱扫描。测量点电力线载波通信信道输入阻抗等效为

与

串联一个高精度测量阻抗

它的值是已知且低温漂的。

上的电压

与

上的电压

可以精确的测量得到，可以视作为已知量，利用式(29)就可知电力线阻抗

的具体数值。

式中：U_XX为电力线输入阻抗上分担的电压实部；U_XY为电力线输入阻抗上分担的电压虚部，U_SX为高精度测量阻抗上分担的电压实部，U_SY为高精度测量阻抗上分担的电压虚部。载波收发单元的原理图如图4所示。

在实际工作环境下，载波发射接收单元内嵌于智能电表中，载波信号通过1:1的变压器与电容元件连接形成耦合电路，一方面将发送信号耦合到低压电力线信道中，另一方面起到隔离强电，避免工频电能信号对测量结果的干扰，提高信噪比的作用。图4中，B₁、B₂点之间的电压U_B与电流I_B的比值就是信道的输入阻抗，在变压器变比为1:1时，U_C可近似看作与U_B相等，I_C可近似看作与I_B相等，且I_C＝U_S/Z_S。因此系统输入阻抗的模值为：

依托载波发射单元注入不同频率的载波信号得到不同频率下的阻抗值实现阻抗扫频，相较于传统的NILM无需引入新的算法就可以实现相同负荷的辨识。基于电力线载波阻抗特性的电力系统负荷网络主动感知方法是对现有NILM技术的继承与发展，提出的用户侧负荷网络解决了现有方法无法实现负荷位置定位和不处于工作状态的用电设备状态监督问题，基于电力线载波阻抗解决了现有方法无法实现同种类型、同种参数与同种工况用电设备的辨识问题。

本方案针对电力需求侧负荷感知与辨识，专利在现有NILM的基础上，提出了基于电力线载波阻抗特性的电力系统负荷网络主动感知方法。为了应对当前NILM尚未解决的问题，提出了电力线载波输入阻抗频谱分析的方法。基于载波高频分布式参数模型，将电力线本身的特性阻抗视作电力负荷网络的一部分，实现了同种类型、同种参数与同种工况负荷的有效区分，克服了现有非侵入式负荷监测与分解方法难以辨识相同负荷的难题，实现了电力需求侧的主动感知申请的技术方案较现有技术的优点可归纳为以下三点：

(1)将电力线认为是负荷网络的一部分，在高频分布式参数模型下实现居民负荷输入阻抗与负载阻抗的有效区分，为居民负荷网络的精确辨识提供了基础，延展了电网营销部门监测的领域；

(2)将信号注入的方法引入到NILM之中，变被动的负荷印记为主动的网络感知，依赖于主动注入得到的电力线载波阻抗频谱实现对负荷的监测与辨识。即使是长时间不处于运行工况的家用电器，也能在阻抗频谱图中得到显现；

(3)针对同种类型、同种参数与同种工况的负荷问题，考虑距离测量点的电力线物理距离是不尽相同的，依赖于提出的电力线载波阻抗频谱实现相同负荷的区分与辨别。

为了验证所提出方法的有效性与科学性，设计一组试验为现实工况下的居民负荷，含有的相同负荷为三台同种类型、同种参数与同种工况的空调。典型的电力线载波阻抗时频图如图9所示。

(1)相同工况空调试验

在某居民家庭进行试验验证，居民家庭的用电设备详情如表1所示，“√”表示运行，“×”表示不运行，其中包含三台同种类型、同种参数与同种工况的空调，采用的是三相四线制供电。

表1某居民家庭用电设备

如图10所示，为此户家庭某日用电曲线情况，由于电能表的采样周期为15min，因此为96个采样点。

在情景一下，居民家庭处于工作状态的其它用电设备较少，A1与A2分别代表两台不同位置的但参数相同的空调处于相同工作状态，电力线载波阻抗频谱图如图11所示。

在情景二下，居民家庭处于工作状态的其它用电设备较多，B1与B2分别代表两台不同位置的但参数相同的空调处于相同工作状态，电力线载波阻抗频谱图如图12所示。

在情景三下，居民家庭处于工作状态的其它用电设备适中，C1、C2与C3分别代表三台不同位置的但参数相同的空调处于相同工作状态，电力线载波阻抗频谱图如图13所示。

如图11至13所示，在不同实际工况下根据电力线载波阻抗频谱图均能实现三台相同空调的辨识与区分，解决了当前NILM应用的问题，实现了提出方法的实用性检验。值得注意的是，在实际工况下，当在大负荷强干扰下相同用电设备负荷较小时，如在实际工况下相同负荷为小功率照明灯时，未能实现对其的定位与辨识。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非侵入式居民负荷监测方法，用于对同一类别的多个居民负荷进行辨识，其特征在于：所述非侵入式居民负荷监测方法为：在电表处测量同一类别的各个所述居民负荷的载波输入阻抗，将各个所述居民负荷的载波输入阻抗作为辨识特征量而实现对同一类别的各个所述居民负荷的辨识。

2.根据权利要求1所述的非侵入式居民负荷监测方法，其特征在于：在电表处测量同一类别的各个所述居民负荷的载波输入阻抗频谱，将各个所述居民负荷的载波输入阻抗频谱作为辨识特征量而实现对同一类别的各个所述居民负荷的辨识。

3.根据权利要求1所述的非侵入式居民负荷监测方法，其特征在于：主动向所述居民负荷注入载波信号，从而得到各个所述居民负荷的载波输入阻抗。

4.根据权利要求2所述的非侵入式居民负荷监测方法，其特征在于：主动向所述居民负荷注入不同频率的载波信号，从而得到各个所述居民负荷的载波输入阻抗频谱。

5.根据权利要求1所述的非侵入式居民负荷监测方法，其特征在于：所述居民负荷的载波输入阻抗依赖于电力线载波输入阻抗。

6.根据权利要求1所述的非侵入式居民负荷监测方法，其特征在于：所述非侵入式居民负荷监测方法应用于对居民负荷进行初步类别辨识和对每一类别的居民负荷进行数量判断之后。

7.一种非侵入式居民负荷监测装置，用于实现如权利要求3或4所述的非侵入式居民负荷监测方法，其特征在于：所述非侵入式居民负荷监测装置包括载波信号收发单元、变压器、测量电阻、电容、电压电流测量模块和信号处理模块；所述载波信号收发单元、所述测量电阻与所述变压器的原边串联构成第一回路，所述电容、所述变压器的副边与待检测的居民负荷串联构成第二回路，所述电压电流测量模块与所述第二回路相连接而用于测量所述待检测的居民负荷两端的电压和所述第二回路中的电流并输出对应测量信号，所述信号处理模块与所述电压电流测量模块相连接而用于进行数据处理而得到所述待检测的居民负荷的载波输入阻抗或载波输入阻抗频谱而实现对同一类别的各个所述居民负荷的辨识。

8.根据权利要求7所述的非侵入式居民负荷监测装置，其特征在于：所述载波信号收发单元内嵌于所述电表中。

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