CN208849456U - 基于非侵入式分解的负荷检测系统 - Google Patents

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赖承中
杨金明
黄钦雄
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Abstract

本实用新型公开的基于非侵入式分解的负荷检测系统，包含电流感应器模块、单片机模块、显示屏模块、蓝牙模块；单片机模块分别与电流感应器模块、显示屏模块、蓝牙模块连接；电流感应模块用于将用电总线上的电流信号转换为微电压信号，并输入到单片机模块中；单片机模块用于微电压信号进行处理和识别，并存储；显示屏模块与单片机模块连接，用于输出实时用电信息；蓝牙模块与单片机模块连接，用于与移动设备进行通信；本实用新型采用电流感应器串联用电总线收集用电信号，用单片机处理和储存用电信息，通过显示器输出实时用电信息，并通过蓝牙输出到移动端，安装简便，成本低，更加方便地获取用电信息。

Description

基于非侵入式分解的负荷检测系统
技术领域
本实用新型涉及电负荷检测的研究领域，特别涉及基于非侵入式分解的负荷检测系统。
背景技术
当前的负荷监测技术分为侵入式负荷监测技术和非侵入式负荷监测技术。传统的负荷监测采取侵入式(ILM)的方法应用的较为广泛，其在用户的各用电设备上都安装传感器记录其使用情况。该法优点在于监测数据准确可靠，缺点是实际可操作性差、实施成本高、用户接受程度较低，这些缺点导致了在国内负荷检测技术推广的很慢，而负荷检测技术是大数据挖掘在电力系统中应用的重要领域，对智能电网、节能减排理念的推广有着重要意义。现今也有一些关于非侵入式负荷检测的研究，但几乎全部都只停留在计算机仿真的阶段，缺少发展到应用的作品。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于非侵入式分解的负荷检测系统。
本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：
基于非侵入式分解的负荷检测系统，包含电流感应器模块、单片机模块、显示屏模块、蓝牙模块；
所述电流感应器模块一端与单片机模块连接，电流感应器模块另一端连接在用电总线上，电流感应模块用于将用电总线上的电流信号转换为微电压信号，并输入到单片机模块中；
所述单片机模块用于微电压信号进行处理和识别，并将识别的用电负荷类型和数量存储到单片机模块中；
所述显示屏模块与单片机模块连接，显示模块用于输出实时用电信息；
所述蓝牙模块与单片机模块连接，蓝牙模块用于与移动设备进行通信。
进一步地，所述电流感应器模块，电流感应器模块GND端连接单片机模块 GND端；所述电流感应器模块VCC端连接直流电压源；所述电流感应器模块OUT 端连接单片机模块PA4端；
进一步地，所述蓝牙模块，蓝牙模块GND端连接单片机模块GND端；蓝牙模块VCC端连接单片机5V端；蓝牙模块TX端连接单片机模块PA10端；蓝牙模块RX端连接单片机模块PA9端；
进一步地，所述电流感应器模块为ACS712霍尔电流感应器模块；
进一步地，所述单片机模块为STM32F103；为了平衡成本和性能即一次稳态分解周期的长短；
进一步地，所述显示屏模块为LCD显示屏；为了让用电信息即时可视化；
进一步地，所述蓝牙模块为BT08B蓝牙串口模块。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本实用新型采用一种类似于普通电表的串联于用电总线的安装方式，利用电流感应器收集用电信号，用单片机芯片处理和储存用电信息，并直接通过显示器输出实时用电信息，用蓝牙输出用电信息。解决了传统检测技术安装麻烦、成本高昂的缺陷，可以更加方便地获取用电信息。
附图说明
图1为本实用新型所述基于非侵入式分解的负荷检测系统结构图。
图中，1-电流感应器模块，2-单片机模块，3-显示屏模块，4-蓝牙模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例：
基于非侵入式分解的负荷检测系统，包含电流感应器模块1、单片机模块2、显示屏模块3、蓝牙模块4；
所述电流感应器模块一端与单片机模块连接，电流感应器模块另一端连接在用电总线上，即电流感应器模块GND端连接单片机模块GND端；所述电流感应器模块VCC端连接直流电压源；所述电流感应器模块OUT端连接单片机模块 PA4端；电流感应模块用于将用电总线上的电流信号转换为微电压信号，并输入到单片机模块中；
所述单片机模块用于微电压信号进行处理和识别，并将识别的用电负荷类型和数量存储到单片机模块中；
所述显示屏模块与单片机模块连接，显示屏模块用于输出实时用电信息；
所述蓝牙模块与单片机模块连接，蓝牙模块用于与移动设备进行通信，即蓝牙模块GND端连接单片机模块GND端；蓝牙模块VCC端连接单片机5V端；蓝牙模块TX端连接单片机模块PA10端；蓝牙模块RX端连接单片机模块PA9端。
进一步地，所述电流感应器模块为ACS712霍尔电流感应器模块；
进一步地，所述单片机模块为STM32F103；
进一步地，所述显示屏模块为LCD显示屏；
进一步地，所述蓝牙模块为BT08B蓝牙串口模块。
其工作过程如下：
1、从用电总线感应电流信息并输出到单片机：
本发明为了使的安装更加简便、成本更加低廉以增强其可推广性，只设置串联霍尔电流感应器在用电总线获取电流信息。
描述霍尔效应的公式为：
式中UH为霍尔电压，也是输出到单片机的电压；B正比于输入电流；I为接到单片机VCC驱动的直流电流；RH为霍尔系数；d为霍尔元件厚度。
由此可见，只需控制电流I即可控制输入电流与输出电压的比值，这个比值就是霍尔电流感应器的转移导纳。
本发明工作时，针对不同的工况，安装不同规格和不同转移导纳的电流感应器实时提取用电信息并输适当数量级的电压信息给单片机，如学校宿舍使用额定电流5A，转移导纳为185mS的电流感应器。
2、单片机对电流信息进行负荷分解得到用电负荷信息：
单片机芯片得到电流感应器获取的信息后，每隔15min提取十个周期的电流信息，首先经过其内置的AD转换器将电流信息的模拟信号转换为计算使用的数字信号，而后对数字信号进行整合处理得到相对测量误差较小的一个周期的电流信息，再对此时的电流信息用非侵入式负荷分解的办法并以遗传算法实现，得到具体用电负荷信息并暂时储存在单片机芯片的主存里。
以下是单片机提取负荷信息后进行的负荷分解运算的原理：
负荷识别需解决的问题，是对给定的用电设备特征库及从量测数据中提取的负荷特征，辨识总负荷的成分，以实现负荷分解。对这个问题进行一般化的数学描述：
假定
Ha＝[A1,A2,…,AM]，
Aj i＝[fj i1,fj i2,…,fj in]T，
D＝[F1,F2,…,Fn]T，
β＝[β1 1,β1 2,…,βM k]T，
其中，Ha表示特征库中M个用电设备的特征信息矩阵；Aj i表示第i个用电设备的第j种运行状态的特征信息向量，fj in表示其第n个特征信息，D表示检测到的特征信息，Fn表示其第n个特征信息；β为总负荷的特征信息列向量，其元素βM k表示第k个设备的第M种运行状态，取值为1表示当前状态运行中，取值为0表示当前状态被切除；
求满足以下式子的解β：
其中，d(C,D)为总负荷与负荷库中各负荷可能组合间的特征距离，βj i表示第i个设备的第j种运行状态。
B由电流感应器检测暂态和稳态的电流信息后经算法运算处理生成，β的求解由遗传算法完成。
用电信息被储存在单片机主存里面后，可以通过LCD显示屏直接显示或者通过蓝牙传送到用户的手机软件中。
在LCD显示屏上，使用者能直接查询自己实时的用电信息如功率，更加了解自己的用电情况。
3、手机软件部分处理负荷信息并交互迭代生产智慧用电计划：
在手机软件中获取用电信息时，手机软件通过蓝牙模块(4)从单片机主存中获取负荷信息，使用者每隔一段时间获取储存在单片机主存中的用电负荷信息并同时清空单片机主存以腾出储存空间，使用者可以随时进行用电详细情况的查询操作，若软件检测到使用者有危险用电情况比如说功率过大加快电缆老化等，软件会进行警告。同时，软件最主要的功能为对使用者的用电习惯进行评估，并通过和使用者不断交互得到个性化的智慧用电计划。
以下是软件部分对用电计划评估的流程和逻辑：
在获取用电详细信息后软件会将其以不同时段如8:00-14:00、 14:00-20:00、20:00-次日8:00以及用电器种类进行分类，并以该时段用电器使用的时长作为矩阵的元素；而后将这些信息生成一个矩阵与标准用电模板进行比对，在与标准用电模板相差距比较大的几个时段生成用电建议(如关掉不必要的电灯或者调整空调功率)。其中标准用电模板由调研和大数据分析得到的数据结合实时的环境参数如当天的气温、日出日落时间、是否周末等生成；同时在得到用电建议与计划后，考虑到每人如体感温度等不一样，使用者可以对给出的建议进行交互式地操作与评价，软件会根据使用者的评价对标准用电模板进行一个反馈的调节，结合调研数据不断迭代生成个性化的用电模板，更加有针对性与个性地给出用电建议，实现不降低使用者用电体验又为其节省用电开销以及降低了能源的消耗。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于非侵入式分解的负荷检测系统，其特征在于，包含电流感应器模块、单片机模块、显示屏模块、蓝牙模块；
所述电流感应器模块一端与单片机模块连接，电流感应器模块另一端连接在用电总线上，电流感应模块用于将用电总线上的电流信号转换为微电压信号，并输入到单片机模块中；
所述单片机模块用于微电压信号进行处理和识别，并将识别的用电负荷类型和数量存储到单片机模块中；
所述显示屏模块与单片机模块连接，显示模块用于输出实时用电信息；
所述蓝牙模块与单片机模块连接，蓝牙模块用于与移动设备进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于非侵入式分解的负荷检测系统，其特征在于，所述电流感应器模块，电流感应器模块GND端连接单片机模块GND端；所述电流感应器模块VCC端连接直流电压源；所述电流感应器模块OUT端连接单片机模块PA4端。
3.根据权利要求1所述的基于非侵入式分解的负荷检测系统，其特征在于，所述蓝牙模块，蓝牙模块GND端连接单片机模块GND端；蓝牙模块VCC端连接单片机5V端；蓝牙模块TX端连接单片机模块PA10端；蓝牙模块RX端连接单片机模块PA9端。
4.根据权利要求1所述的基于非侵入式分解的负荷检测系统，其特征在于，所述电流感应器模块为ACS712霍尔电流感应器模块。
5.根据权利要求1所述的基于非侵入式分解的负荷检测系统，其特征在于，所述单片机模块为STM32F103。
6.根据权利要求1所述的基于非侵入式分解的负荷检测系统，其特征在于，所述显示屏模块为LCD显示屏。
7.根据权利要求1所述的基于非侵入式分解的负荷检测系统，其特征在于，所述蓝牙模块为BT08B蓝牙串口模块。
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CN111443236A (zh) * 2020-04-09 2020-07-24 国网山东省电力公司电力科学研究院 一种非侵入式负荷识别控制系统及方法

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