家庭用電細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹敏1,4，趙旭1,4，陳 婷2，師智良3，許睿2，沈 鑫

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明650217;

， 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南昆明 650217：

3.昆明能訊科技有限責(zé)任公司，云南昆明650217;

4.中國(guó)南方電網(wǎng)電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650217)

[摘要] 隨著社會(huì)用電量的持續(xù)增長(zhǎng)，能耗問(wèn)題日益突出，居民側(cè)作為電能消費(fèi)的重要組成部分，對(duì)其監(jiān)測(cè)用電細(xì)節(jié)、優(yōu)化用電行為具有重要意義。為了實(shí)現(xiàn)用電細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了家庭能源管理終端，進(jìn)行非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)，并完成數(shù)據(jù)交互和設(shè)備管理功能，為分析電器使用信息、制定優(yōu)化策略提供重要支撐。

關(guān)鍵詞 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè) 負(fù)荷特征 適應(yīng)度函數(shù) 特征學(xué)習(xí)

中圖分類(lèi)號(hào)TM76; TP273

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，家庭中的用電設(shè)備不斷增加，使人民的生活越來(lái)越便捷和豐富。但隨著用電量的增加、能耗問(wèn)題的日益突出，監(jiān)測(cè)電器用電細(xì)節(jié)、進(jìn)行能源管理重要性逐步凸顯。為了提高能源利用效率、方便管理設(shè)備，設(shè)計(jì)家用能源管理終端，作為能源管理系統(tǒng)電量統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷識(shí)別、網(wǎng)關(guān)的載體，實(shí)現(xiàn)電器用電細(xì)節(jié)的監(jiān)測(cè)和設(shè)備管理。

1 能源管理終端邏輯圖

能源管理終端邏輯圖如圖1所示，包括采集、計(jì)量、通訊、主控等功能模塊。通過(guò)采樣電路和AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)采樣電壓電流信息，處理模塊完成有功功率、功率因素、電壓電流的有效值的計(jì)算和諧波的提取，并根據(jù)負(fù)荷特征進(jìn)行負(fù)荷分解。通訊模塊包括網(wǎng)口、Wi- Fi、藍(lán)牙、ZigBee模塊等，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互和與用戶(hù)的互動(dòng)。分路開(kāi)關(guān)具有量測(cè)電參數(shù)和遙控開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功能，處理模塊通過(guò)485總線(xiàn)與分路開(kāi)關(guān)通訊，獲取相關(guān)電參數(shù)信息，遙控開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2負(fù)荷識(shí)別

2.1識(shí)別方法介紹

負(fù)荷識(shí)別用于分析電器工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電器用電細(xì)節(jié)的監(jiān)測(cè)，主要包括侵入式和非侵入式兩種方式。

侵入式居民電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)(intrusive residential loadmonitoring，ILM)為總負(fù)荷內(nèi)部每個(gè)電器配備帶有數(shù)字通信功能的傳感器，再經(jīng)本地局域網(wǎng)收集和送出用電信息。

非侵入式居民電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)與分解(.non - intrusiveload monitoring and decomposition，NILMD)僅在用戶(hù)入口處安裝一個(gè)傳感器，通過(guò)采集用戶(hù)用電總電流和端電壓，根據(jù)電器的負(fù)荷特征進(jìn)行分解，監(jiān)測(cè)戶(hù)內(nèi)每個(gè)電器的工作狀態(tài)，從而知曉居民家中每個(gè)電器的耗電狀態(tài)和用電規(guī)律。非侵入式負(fù)荷識(shí)別的成本、實(shí)施難度較低，雖然準(zhǔn)確性比侵入式稍差，但隨著信息采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、人工智能和各種優(yōu)化算法的發(fā)展，準(zhǔn)確性也在逐步提高。

負(fù)荷特征是用電設(shè)備在運(yùn)行中的電氣特性，是非侵入式負(fù)荷識(shí)別的基礎(chǔ)。負(fù)荷特征分為瞬態(tài)特征和穩(wěn)態(tài)特征。瞬態(tài)特征包括瞬時(shí)功率、投切瞬態(tài)電流波形、能量等。穩(wěn)態(tài)特征包括穩(wěn)態(tài)電流波形、電流諧波、穩(wěn)態(tài)有功功率、無(wú)功功率等。

負(fù)荷分解算法主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(包括誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(backpropagation ANN，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(radial- base - function ANN.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))等]，構(gòu)建最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化算法(包括確定性算法，啟發(fā)式算法如遺傳算法、粒子群算法、差分進(jìn)化算法等）。

2.2特征選取與分解算法設(shè)計(jì)

由于穩(wěn)態(tài)特征易于采集和檢測(cè)，而有功功率和電流諧波是穩(wěn)態(tài)特征中比較典型的特征，所以選取穩(wěn)態(tài)有功功率和電流諧波作為負(fù)荷特征。電流諧波采用基2快速傅里葉圖1能源管理終端框圖 變換(Radix -2 FFT)算法求取。

本設(shè)計(jì)中，根據(jù)選取的家電負(fù)荷特征，利用功率和電流諧波構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)F脅。采用整數(shù)規(guī)劃算法，進(jìn)行負(fù)荷分解。

其中，S(n)表示電器工作狀態(tài)矩陣，PF表示電器的功率特征矩陣，HF表示電器的諧波特征矩陣，￡p、￡h分別表示功率、諧波誤差，II.II表示絕對(duì)值。

使得適應(yīng)度函數(shù)Fn。。。值最小的解，即為當(dāng)前狀態(tài)的最優(yōu)解。采用鄰域搜索的方法，計(jì)算電器某種狀態(tài)組合下的適應(yīng)度函數(shù)值，設(shè)計(jì)最優(yōu)值偏差和最大迭代次數(shù)兩個(gè)收斂準(zhǔn)則，求取當(dāng)前狀態(tài)的解，并根據(jù)實(shí)際偏差值判斷是否陷入局部最優(yōu)。

2.3程序設(shè)計(jì)

程序包括特征學(xué)習(xí)和負(fù)荷識(shí)別兩部分，流程圖如圖2所示。進(jìn)入程序后，用戶(hù)根據(jù)需要選擇工作模式，i如果采集新電器的負(fù)荷特征，選擇特征學(xué)習(xí);如果對(duì)已學(xué)習(xí)過(guò)電器進(jìn)行識(shí)別，選擇負(fù)荷識(shí)別。

特征學(xué)習(xí)模式下，采集N個(gè)周期的電流電壓數(shù)據(jù)，逐周期提取有功功率和諧波，并對(duì)N個(gè)周期的特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算平均值、最大/最小值，標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差判斷特征量的一致性，如果一致性滿(mǎn)足要求，則將平均值作為該電器的負(fù)荷特征存儲(chǔ)到特征庫(kù)中。如果特征量一致性不滿(mǎn)足要求則提示統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由用戶(hù)決定是重新學(xué)習(xí)或退出。

負(fù)荷識(shí)別模式下，采集M個(gè)周期的電流電壓數(shù)據(jù)，逐周期提取有功功率和諧波，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后根據(jù)已經(jīng)學(xué)習(xí)的電器特征進(jìn)行負(fù)荷分解，若分解結(jié)果的近似度小于閾值且未達(dá)到最大分解次數(shù)，則重新采集數(shù)據(jù)后分解，反之則顯示識(shí)別結(jié)果，結(jié)束分解。

由于電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)和電器載荷的波動(dòng)，數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)對(duì)M個(gè)周期的功率進(jìn)行平滑濾波，并根據(jù)電網(wǎng)電壓諧波的擾動(dòng)程度，將電壓諧波乘以衰減系數(shù)后與電流諧波作差，其絕對(duì)值作為電流諧波的修正值。

3數(shù)據(jù)交互

處理模塊完成電參數(shù)計(jì)量、負(fù)荷識(shí)別，用電細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)后，相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)通訊模塊與能源管理系統(tǒng)、手機(jī)、智能插座等設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互和與用戶(hù)的互動(dòng)。并通過(guò)485總線(xiàn)、ZigBee等方式轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)或用戶(hù)對(duì)分路開(kāi)關(guān)、智能插座的信息查詢(xún)，工作狀態(tài)控制等指令。

4結(jié)束語(yǔ)

能源管理終端作為能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與辨識(shí)、通訊管理的載體，實(shí)現(xiàn)電器用電細(xì)節(jié)的監(jiān)測(cè)和設(shè)備管理。能源管理系統(tǒng)和用戶(hù)根據(jù)獲取的用電細(xì)節(jié)信息和設(shè)備工作情況，制定并實(shí)施改進(jìn)策略，對(duì)實(shí)現(xiàn)用電行為優(yōu)化，提高經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義。

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