一種非侵入式家庭用電負荷分解方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種非侵入式家庭用電負荷分解方法，基于進制擬合算法的非侵入式負荷分解方法，通過家用智能電表采集電器負荷數據，由最優擬合算法獲得各最優參數，最終實現用電負荷的分解。能夠準確的計算出電器開啟時間、已運行時間和運行模式，并能將同種電器投入使用的情況進行準確分解。實現家庭用電負荷的分解，得到各家電的負荷信息，負荷分解的結果可以有效指導用戶用電行為的改變，促進家庭節能計劃的智能，同時也能對電力部門制定相應的需求側管理提供數據支持，使得家庭用電向著更加節能、高效的方向改變。
【專利說明】一種非侵入式家庭用電負荷分解方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明提供了一種非侵入式家庭用電負荷分解方法，同時還公開了實現該方法的裝置，屬于電力計量方法及裝置【技術領域】。
【背景技術】
[0002]最接近的現有技術有兩種分別是侵入式電力負荷分解方法和非侵入式負荷分解方法。
[0003]I)侵入式負荷分解；該方法即在各個家用電器的電源端口安裝電壓、電流傳感器，實時獲取家電的負荷數據。其優點為得到的數據比較準確；缺點為價格偏高，設備復雜，無法使用現有電表或智能電表進行低速率采樣，不適于推廣應用。
[0004]可見，侵入式負荷分解存在的顯著缺點為:投入較大，安裝工作需要進入負荷內部，影響電力用戶正常的生產和生活，不適宜全面推廣。
[0005]2)非侵入式負荷分解；該方法即指在用戶的入口安裝電壓和電流傳感器，實時采集電壓、電流數據，用軟件進行分析，便可得到負荷內部不同用電設備實時的功率消耗比例，從而實現電力負荷分解。這需要負荷檢測裝置不間斷地捕捉電力負荷每一個變化信息，對軟、硬件的要求非常高。當出現不同類型用電設備同時啟動或退出運行時，這種方法就無法進行有效地負荷跟蹤分解，方法存在極大的盲區。
[0006]非侵入式分解技術的概念提出后，國內外對其進行了廣泛的研究，大致可以分為以下幾類:
第一類是基于電器負荷(功率，電壓等)特性映射圖的分類方法，該方法將電器穩態工作時的負荷特性映射到坐標平面上，由于不同電器的負荷特性會聚類在平面的不同區域，因此可通過聚類分析方法將負荷分類；
第二類是基于短時負荷信號特征的分類方法，這類方法中又可分為以下幾種形式，一種是根據不同電器在開啟時式會產生不同的暫態脈沖，從而對投入使用的用電設備進行判另O。另一種是利用小波分解方法，對短時間內的負荷特性進行分析，進而分解。也有研究者通過電器穩態工作時，電器短時電流(電壓)特性的不同，來對負荷進行分解。
[0007]第三類是基于統計的負荷分解方法，此方法能較好地適用于電力負荷按行業分類的分解。
[0008]以上方法都在一定程度上實現了非侵入式負荷分解的功能，但都存在問題:第一類方法對于多個用電設備同時投入時會造成誤判，且只能判斷所使用電器類別，不能將負荷分解；第二類方法要求檢測設備在短時間內采集大量數據(空調啟動時的暫態特性脈沖持續時間只有0.2s，有些甚至更短，而采集電器穩態工作時一個周期的負荷波形，則需要更高的采集頻率)，現有的常規電力設備無法滿足要求；第三類方法是基于歷史數據統計的分解方法，對于電網小用戶來說，由于用戶的用電行為具有很大的隨機性，因此統計方法在分解精度方面存在很大問題。
[0009]綜上分析，非侵入式負荷分解缺點概括為:首先，這種方法依托稍縱即逝的用電設備投/切信息(實測得到的空調投入暫態過程持續時間約為0.2秒左右，一些設備甚至更短)，為了不遺漏這些有用投/切信息，需要裝置對負荷進行不間斷地檢測，捕捉每一個變化信息，故監測系統對軟、硬件的要求很高；其次，當不同類型的用電設備大量同時投/切時，這種方法就無法有效的進行負荷跟蹤分解，其應用存在一定的局限性。
[0010]此外，當前通用家用智能電表雖然不同于一般的多功能電能表，其在自動化和智能化的功能上更加豐富、強大，其主要功能為雙向計量、雙向通信、智能開關控制。但它不存在實現對總體用電負荷的分解及實時顯示的功能，而該功能正是制定階梯電價等需求側管理的重要基礎。
【發明內容】
[0011]本發明公開一種非侵入式家庭用電負荷分解方法，解決了現有家用智能電表對家庭所有電器用電負荷無法分解與顯示的不足。
[0012]本發明公開一種非侵入式家庭用電負荷分解方法，具體解決方案如下:
基于進制擬合算法的非侵入式負荷分解方法，通過家用智能電表采集電器負荷數據，由最優擬合算法獲得各最優參數，最終實現用電負荷的分解。其特征在于是能夠準確的計算出電器開啟時間、已運行時間和運行模式，并能將同種電器投入使用的情況進行準確分解。
[0013]具體步驟如下:
第一步:負荷數據集的建 立，存儲各家用電器的負荷參數；
第二步:根據用戶實際用電情況，進行總負荷數據的采集和處理；
第三步:由用戶擁有電器種類，合成擬合信號；
第四步:根據擬合信號和用戶總負荷數據信號計算適應函數；
第五步:以最優函數取最大值為最優目標，基于進制擬合算法，對負荷存在系數和負荷開啟時間系數進行最優求解；
第六步:根據求得的最優負荷存在系數和負荷開啟時間系數，結合數據集中的家電負荷數據，完成對總負荷的分解，并將分解結果顯示在LCD屏幕上。
[0014]所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于:
可以對用戶長時間段負荷的分解，能夠準確實現電器同時開啟、不同時開啟、用電模式以及對于同種電器的負荷分解。
[0015]所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于所述家電負荷的參數存儲如下形式:
設各家用電器分別為A、B.....L，數據集中對應的負荷數曲線數據分別為
【權利要求】
1.一種非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于包括如下步驟: 第一步:負荷數據集的建立，存儲各家用電器的負荷參數； 第二步:根據用戶實際用電情況，進行總負荷數據的采集和處理； 第三步:由用戶擁有電器種類，合成擬合信號； 第四步:根據擬合信號和用戶總負荷數據信號計算適應函數； 第五步:以最優函數取最大值為最優目標，基于進制擬合算法，對負荷存在系數和負荷開啟時間系數進行最優求解； 第六步:根據求得的最優負荷存在系數和負荷開啟時間系數，結合數據集中的家電負荷數據，完成對總負荷的分解，并將分解結果顯示在LED屏幕上。
2.根據權利要求1所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于: 可以對用戶長時間段負荷的分解，能夠準確實現電器同時開啟、不同時開啟、用電模式以及對于同種電器的負荷分解。
3.根據權利要求1所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于所述家電負荷的參數存儲如下形式: 設各家用電器分別為A、B.....L，數據集中對應的負荷數曲線數據分別為
4.根據權利要求1所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于，第二步驟所述對用戶總負荷數據的采集與處理，其中的)為用戶總負荷波形采樣點數據，其集合表示形式為
5.根據權利要求1所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于，第三步驟所述的擬合信號的合成由如下方式獲得:由用戶選定其所使用的家用負荷類型，分別表示為A、B、...、L ,公式如下所示:
6.根據權利要求1所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于，第四步驟中所述的適應函數的計算如下放下方式:取擬合信號和用戶總負荷信號的內積作為適應函數^ ^的值表示擬合信號和負荷信號的相關程度，求解公式為:
7.根據權利要求1所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于，第五步驟中所述的負荷存在系數和負荷時間系數的計算如下放下方式: 首先設定擬合信號，它是由樣本集合I的元素按照存在系數配比加和而成:F (η) = GtlX1 +α^?；2 +…+ --(6) 式中:?.?,...?是樣本集合Z的元素；^吒，...,?為存在系數，其可用矩陣表示0(?) = 1巧,吒,...,％]存在系數0(?；)的各元素取值有兩種可能: 當^ = I時，表示擬合向量中含有對應元素； 當q = O時，表示擬合向量中不含有對應元素，不同的Ω(?)對應不同的擬合向量，ι = 1，2，.ι』為采樣點個數； 設S/F是由存在系數按順序組成的二進制數，即: BIN= {2--...?(7) 式中:0--...?是胤V的位值，是最聞位，?ι是最低位； 公式(4)中的參數Ω0)和參數都會對適應函數1*產生影響，在利用最優組合算法求解最優參數時，需要將〒考慮進去，因此在進行進制擬合算法時，參加運算的父組合為DEC1X1H ,則N組父組合可以用矩陣表示為:
8.根據權利要求1所述的非侵入式家庭用電負荷分解方法，其特征在于，第六步驟中所述的負荷分解最終的實現結果為:由求得的存在系數來確定開啟電器的種類，對應的?=ι表示對應電器開啟否則表示未開啟；由求得的最優開啟時間系數7_0)可確定開啟電器的開啟時間；通過這兩組參數及其對應電器的負荷數據便可分解出被測時間段各個開啟電器的負荷波形。
9.一種非侵入式家庭用電負荷分解的裝置，其特征在于: 本裝置的核心處理器主要負責整個裝置的運行控制和內嵌算法的計算； 電能計量單元由電能計量芯片、互感電路、測量插排構成；其中測量插排用來連接用戶的未知電器；互感電路負責測量插排與電能計量芯片以及用戶負荷總線與電能計量芯片的連接，以將未知電器及用戶負荷總線的三項電流、三項電壓傳輸給電能計量芯片；電能計量芯片主要根據互感電路傳遞過來的電壓、電流值，測量出未知電器或者用戶負荷總線的實時電流、電壓、有功功率及無功功率，并將這些值轉化為數字量，同時將這些數字量傳輸到核心處理器中，供負荷分解使用；通信單元主要由電平轉換芯片、串口轉換器、雙絞線構成，負責本裝置與PC機的通信，用戶可以將電力部門提供的電器負荷數據下載，或將用戶未知電器的負荷數據通過PC機上傳給電力部門，進一步完善電器負荷數據庫；其中，電平轉換芯片負責將核心處理器的通信端口的TTL電平信號轉換為PC機常用的RS-232接口信號；串口轉換器負責RS-232接口信號與RS-485接口信號的轉換，之所以將RS-232接口信號轉換為RS-485接口信號，是因為RS-485接口信號傳輸距離更遠，更穩定；雙絞線主要負責將裝置與遠處的PC機連接，實現數據的遠距離穩定傳輸； 存儲單元由存儲器和SD卡接口構成，其中，存儲器負責存儲用戶家庭所使用電器的負荷數據、負荷分解歷史結果，為負荷分解提供數據支撐；SD卡接口將用戶在數據庫中選擇的家電負荷數據轉存到智能電表的存儲器上； 控制顯示單元由IXD顯示屏和控制鍵盤構成，IXD顯示屏主要用來顯示用戶負荷總線的負荷波形以及負荷分解得來的各使用電器負荷波形；鍵盤控制負責本裝置的功能控制，通過鍵盤用戶進行負荷數據下載、未知電器負荷測量及上傳、用戶總負荷實時分解、歷史數據上傳、歷史數據清除； 供電電路負責將220V交流電轉換為裝置內不同芯片所要求的不同幅值的直流電源。
10.一種非侵入式家庭用電負荷分解的裝置，其特征在于: 未知電器通過測量插排和互感電路與電能計量芯片連接，互感電路的模擬電流接電能計量芯片的V3P和V3N管腳，互感電路的模擬電壓接電能計量芯片的V4P和V4N管腳，實現電能計量芯片對位置電器負荷數據的測量；用戶負荷總線通過互感電路，將對應的模擬電流接在電能計量芯片的VlP 和 VlN管腳，模擬電壓接在電能計量芯片的V2P和V2N管腳；電能質量芯片ATT7022C通過CS、SCLK、DIN、DOUT四個通訊接口端分別與核心處理器S3C2440A的CSO、SCLK, DIN、DOUT四個管腳相連，實現核心處理器對電能計量芯片的控制；電能計量芯片的CFl、CF2分別是瞬時有功功率和瞬時無功功率輸出端，CFl與核心處理器的DAO管腳連接，CF2與核心處理器的DAl管腳連接，實現電能計量芯片與核心處理器之間的數據傳輸; 電平轉換芯片MAX232的T1IN、RlOUT分別與核心處理器的RXD1、TXDl連接，MAX232的T2IN管腳接串口轉換器(NS485-Z)①的TXDO管腳、MAX232的T20UT管腳接串口轉換器(NS485-Z)①的RXDO管腳，將核心處理器串口通信端口 TTL電平信號轉換為PC機常用的RS-232接口信號；串口轉換器(NS485-Z)①通過雙絞線與另一塊串口轉換器(NS485-Z)②連接，串口轉換器(NS485-Z)①的TXDl管腳接串口轉換器(NS485-Z)②的RXDO管腳，串口轉換器(NS485-Z)①的RXDl管腳接串口轉換器(NS485-Z)②的TXDO管腳，實現RS-232接口信號與RS-485接口信號的轉換；串口轉換器(NS485-Z)②的RXD1、TXDI與PC機對應端口連接實現相互通信； 存儲器的DQ端與核心處理器的DA3管腳連接，實現數據的傳輸，存儲器的AD端與核心處理器的AD管腳連接，實現存儲器與核心處理器的地址溝通，存儲器完成對用戶家庭所使用電器的負荷數據、負荷分解歷史結果的存儲；SD卡接口的DAT、CLK、GND依次與核心處理器的SDDATA、SDCLK, GND管腳連接，實現本裝置內部數據與外部數據的連接； LCD顯示屏的CS、CLK、MOS1、MISO管腳依次與核心處理器的CS1、CLK、MOS1、MISO四個管腳連接，實現用戶負荷總線的負荷波形以及、負荷分解得來的各使用電器負荷波形的實時顯示； 鍵盤控制與核心處理器的對應I/o端口連接，通過鍵盤用戶可以實現負荷數據下載、未知電器負荷測量及上傳、用戶總負荷實時分解、歷史數據上傳、歷史數據清除；供電電路的輸出端與核心處理器的VDD端連接，實現核心處理器的電能供應。
【文檔編號】H02J13/00GK103675378SQ201310434292
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】曲朝陽, 朱莉, 于華濤, 王蕾, 曲楠, 王敬東 申請人:東北電力大學