一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)與方法，在不具備電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫自動維護(hù)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了未建模電器設(shè)備負(fù)荷特征自動生成功能，能夠自動檢測出受監(jiān)測電力負(fù)荷內(nèi)部存在的未建模電器設(shè)備，并自動提取其負(fù)荷特征參數(shù)，最終用以更新非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)的電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫，從而不再需要技術(shù)人員通過人工回訪用戶的方式來維護(hù)和更新電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫，既能通過及時更新電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫來保證系統(tǒng)的監(jiān)測性能在電力負(fù)荷內(nèi)部引入未建模電器設(shè)備時不受影響，又能通過節(jié)省人力成本來提高非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)的運行效率。
【專利說明】
一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電力負(fù)荷監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是涉及一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力 負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測（Non-intrusive Load Monitoring，NILM)是一種新穎的 電力負(fù)荷用電細(xì)節(jié)監(jiān)測技術(shù)，具體為通過在用電端口（如一戶居民或一幢樓宇，一條工業(yè)母 線或一個工廠車間、以至一個微電網(wǎng)）總口處安裝一個傳感器，通過分析負(fù)荷在總口的量測 信息(端電壓、總電流)來總負(fù)荷內(nèi)部的每種電器設(shè)備的用電信息實現(xiàn)(近乎)實時的跟蹤監(jiān) 測，獲取分項用電信息，包括但不限于所有電器設(shè)備的工作狀態(tài)、用電功率以及總用電量等 用電信息。這種技術(shù)突破了目前智能電表只能對電力負(fù)荷進(jìn)行用電總量監(jiān)測的現(xiàn)狀，將用 電信息監(jiān)測深入、細(xì)化到電力負(fù)荷內(nèi)部。對于獲取用電細(xì)節(jié)信息而言，同傳統(tǒng)的侵入式監(jiān)測 技術(shù)相比，非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)具有不可比擬的投資、部署和運行優(yōu)勢。
[0003] 到目前為止，非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)主要包括兩大類:基于穩(wěn)態(tài)分析的監(jiān)測 技術(shù)與基于暫態(tài)事件的監(jiān)測技術(shù)。對于基于穩(wěn)態(tài)分析的負(fù)載監(jiān)測技術(shù)，當(dāng)電器設(shè)備均處于 穩(wěn)態(tài)時，可以利用基于穩(wěn)態(tài)諧波分析的非侵入式電力負(fù)荷分解法，實現(xiàn)電力負(fù)荷采樣、分 解、疊加等一系列算法，從而獲得主要用電設(shè)備的電力負(fù)荷用電信息。
[0004] 建立負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)NILM的基礎(chǔ)。在許多關(guān)于NILM的研究中，例如《南方電 網(wǎng)技術(shù)》期刊中公開的名為"非侵入式居民電力負(fù)荷監(jiān)測與分解技術(shù)"的文獻(xiàn)，和專利號為 CN200810053059.1名為"非侵入式電力負(fù)荷實時分解方法"中均提到了建立電器設(shè)備負(fù)荷 特征數(shù)據(jù)庫的問題。受工程實際條件的限制，短期內(nèi)建立和維護(hù)一個關(guān)于現(xiàn)代社會中存在 的所有電器設(shè)備的負(fù)荷特征的"全局"數(shù)據(jù)庫是比較困難的，然而，基于對電器設(shè)備用電特 性的共性認(rèn)識，在NILM技術(shù)實用化推廣初期，建立和維護(hù)針對每個具體監(jiān)測（或應(yīng)用)場景 的"本地"負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫更具有實際意義和可操作性。
[0005] 負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)主要涉及兩項工作：（1)在NILM技術(shù)系統(tǒng)部署初期， 建立或預(yù)設(shè)負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫，（2)在用戶后期增加或更換電器設(shè)備時，維護(hù)和更新負(fù)荷特征 數(shù)據(jù)庫。目前，對于前者，一般是技術(shù)人員初到現(xiàn)場時直接對每個用戶現(xiàn)有電器設(shè)備進(jìn)行量 測來采集其用電特征參數(shù)以預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫；那么，在NILM技術(shù)系統(tǒng)部署實 施后，對于后者，通過技術(shù)人員定期人工回訪來維護(hù)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫顯然不是一 個好的選擇，原因在于這不能做到及時的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫更新與維護(hù)，這會使得系統(tǒng)的監(jiān) 測準(zhǔn)確性受新增電器設(shè)備的影響而下降，雖然提高回訪頻率能夠一定程度上保證更新的及 時性，但是由于用戶電器設(shè)備的新增或更換并不頻繁，且沒有規(guī)律可循，高頻率的人工回訪 實際上是低效的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于本領(lǐng)域存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力 負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)與方法，旨在解決傳統(tǒng)非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)因不具備電器設(shè)備負(fù) 荷特征數(shù)據(jù)庫自動維護(hù)功能而使其更新和維護(hù)不及時，最終導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性降低，以 及高成本、低效率的人工更新和維護(hù)方案使得非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)的實用性差，最 終有礙其技術(shù)推廣的問題。
[0007] 在發(fā)明中，傳統(tǒng)非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)就是指不具備電器設(shè)備負(fù)荷特征 數(shù)據(jù)庫自動維護(hù)功能的系統(tǒng)，已知電器設(shè)備是指電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)包含其負(fù) 荷特征數(shù)據(jù)的電器設(shè)備，那么，隨著電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫的更新，已知電器設(shè)備的數(shù)量 和\或類型會發(fā)生變化，未建模電器設(shè)備是指在電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫中不包含其負(fù)荷 特征數(shù)據(jù)的電器設(shè)備，例如，在非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)部署之初，電力負(fù)荷內(nèi)部并 不存在，后來用戶增加的新的電器設(shè)備。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案 是:一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，包括電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模塊、 電力負(fù)荷用電特征獲取模塊、電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊、電器設(shè)備負(fù)荷特 征數(shù)據(jù)庫模塊、對外交互功能模塊，還包括未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊；
[0008] 所述的電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集電力負(fù)荷供電電源入口處的端電壓 和總電流；
[0009] 所述的電力負(fù)荷用電特征獲取模塊，對電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模塊采集到的電 壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、降噪，平滑等數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而獲取電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài) 監(jiān)測模塊所需的電力負(fù)荷特征；
[0010] 所述的電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊用于依據(jù)電力負(fù)荷用電特征獲 取模塊提供的電力負(fù)荷特征，采用合理的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測求解模型和求解方法，確 定電力負(fù)荷內(nèi)部每種電器設(shè)備類型的用電狀態(tài)，包括電器設(shè)備的工作狀態(tài)和/或用電功率 兩方面內(nèi)容；
[0011] 所述的電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫模塊用于存儲和管理電器設(shè)備的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)， 包括向電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊提供電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫的訪問接 口，以及接收并存儲未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊提供的未建模電器設(shè)備的負(fù)荷 特征數(shù)據(jù)；
[0012] 所述的對外交互功能模塊用于實現(xiàn)非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)中其他功能 模塊與外界之間必要的數(shù)據(jù)信息交互功能，包括但不限于監(jiān)測結(jié)果顯示、控制命令輸入與 輸出、及系統(tǒng)報告輸出；
[0013] 所述的未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊用于根據(jù)電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測 結(jié)果，自動檢測受監(jiān)測電力負(fù)荷內(nèi)部存在的未建模電器設(shè)備，自動獲取其負(fù)荷特征參數(shù)樣 本，進(jìn)一步地，所述的未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊，根據(jù)系統(tǒng)所采用的電器設(shè)備 用電狀態(tài)監(jiān)測方法的需要，將未建模電器設(shè)備的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)輸出給電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù) 據(jù)庫模塊并由所述電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫模塊保存。
[0014] 進(jìn)一步地，所述的電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模塊，采集電源入口處的強電壓、大電流 模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為電力負(fù)荷用電特征獲取模塊能夠處理的弱電壓和/或小電流模擬 信號，而后將所獲取的弱電壓和/或小電流模擬信號數(shù)字化，用于電力負(fù)荷用電特征獲取模 塊提取所需電力負(fù)荷用電特征。
[0015] 本發(fā)明還提供一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，應(yīng)用于前面所 述的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)中，包括以下步驟：
[0016] 步驟201:參數(shù)初始化，預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫；
[0017] 步驟202:采集電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)，提取當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)；
[0018]步驟203:利用有效的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷內(nèi)部 電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測；
[0019] 步驟204:根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，判斷并記錄當(dāng)前時刻電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器 設(shè)備類型，若相鄰的兩個判斷時刻中，有且只有其中一個時刻的電力負(fù)荷內(nèi)部存在未建模 電器設(shè)備類型;則執(zhí)行步驟205;否則轉(zhuǎn)至步驟208;
[0020] 步驟205:根據(jù)當(dāng)前和前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的 判斷時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，提取未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本，并將其存 儲在未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中；
[0021] 步驟206:若檢測到的存儲在未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中的未建模電器設(shè)備類 型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本的總數(shù)積累達(dá)到預(yù)設(shè)值lu，則執(zhí)行步驟207;否則轉(zhuǎn)至步驟208;
[0022]步驟207:從已經(jīng)積累的所有未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本中，確定不同未建模電器設(shè)備 類型的負(fù)荷特征參數(shù)，并將結(jié)果存儲在電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫中，同時將與已確定的未 建模電器設(shè)備相關(guān)的負(fù)荷特征參數(shù)樣本從未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中刪除；
[0023]步驟208:以當(dāng)前時刻的關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的判斷 結(jié)果更新前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的判斷時刻的判斷結(jié)果； 以當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)更新前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備 的判斷時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟202，循環(huán)執(zhí)行。
[0024]更進(jìn)一步地，對于步驟201，預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫前，預(yù)先對受監(jiān)測電力 負(fù)荷中的已知電器設(shè)備類型，獲取相應(yīng)負(fù)荷特征數(shù)據(jù);并將相應(yīng)負(fù)荷特征數(shù)據(jù)存儲在電器 設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫中，作為初始電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫。
[0025]預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫包括預(yù)先對受監(jiān)測電力負(fù)荷內(nèi)部的已知電器設(shè)備 類型，獲取相應(yīng)負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)負(fù)荷特征數(shù)據(jù)存儲在電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫中， 作為初始的電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫;參數(shù)初始化，包括預(yù)設(shè)未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷 特征參數(shù)樣本總數(shù)的預(yù)設(shè)值lu、有效簇所包含的負(fù)荷特征樣本數(shù)量的預(yù)設(shè)值k 2、未建模電器 設(shè)備判斷參數(shù)以及系統(tǒng)所采用非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法中的具體參數(shù)。
[0026] 更進(jìn)一步地，對于步驟204,根據(jù)與電器設(shè)備的用電狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果對應(yīng)的電力負(fù)荷 特征估計值和采集到的電力負(fù)荷特征實際值之間的偏差大小來判斷當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷 內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型。
[0027] 更進(jìn)一步地，還包括以下是否存在未建模電器設(shè)備類型判斷方法：
[0028] 步驟1、確定電力負(fù)荷特征向量的估計值(/);
[0029] 與電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果是一一對應(yīng)的，可以依據(jù)電器設(shè)備用電狀態(tài) 監(jiān)測結(jié)果和已知的電器設(shè)備負(fù)荷特征參數(shù)估計而得，計算方法如下式所示，
[0031] 式中，Sn(t)表示時刻t第η種已知電器設(shè)備類型的用電狀態(tài)辨識結(jié)果，χη表示第η種 已知電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)典型值，根據(jù)系統(tǒng)所采用的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法 的不同，可以是采用相應(yīng)方法獲得的電器設(shè)備處于不同工作狀態(tài)下的電流和/或功率特征 的典型值，其中，ne {1，2,3，···，Ν丨，N表示電力負(fù)荷內(nèi)部已知電器設(shè)備類型的總數(shù)量；
[0032] 步驟2、建立判斷式
，若不等式成立，則表明在 時刻t，電力負(fù)荷內(nèi)部存在未建模的電器設(shè)備類型；
[0033] 式中，XL(t)表示在時刻t采集到的用于電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測的電力負(fù)荷特征向 量的實際值，表示電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測方法對時刻t的電力負(fù)荷特征向量的估計 值，U · I |P表示向量的Lp-范數(shù)，其中Ρ$1，ε表示判斷閾值，判斷閾值ε的最優(yōu)取值范圍為 5% ~20%〇
[0034]更進(jìn)一步地，對于步驟205,包括計算當(dāng)前和前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未 建模電器設(shè)備的判斷時刻的電力負(fù)荷特征參數(shù)的差值作為未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特 征參數(shù)樣本。
[0035]更進(jìn)一步地，對于步驟206,關(guān)于未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本總數(shù)的 預(yù)設(shè)值h，lu的取值不小于100。
[0036]更進(jìn)一步的，對于步驟207,包括利用聚類分析方法，對已經(jīng)積累的未建模電器設(shè) 備的負(fù)荷特征樣本進(jìn)行聚類分析，在聚類結(jié)果中，所有包含負(fù)荷特征樣本數(shù)量大于預(yù)設(shè)值 k2的簇分別對應(yīng)一種未建模電器設(shè)備類型，每個簇中包含的所有負(fù)荷特征樣本皆是由與之 對應(yīng)的未建模電器設(shè)備類型產(chǎn)生的，并以簇的聚類中心作為未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特 征的典型值;k 2的取值不小于5。對于聚類分析方法，本發(fā)明可以采用任意現(xiàn)有技術(shù)，例如， k_均值算法、k-中心值算法、DBSCAN算法及基于網(wǎng)格的聚類(grid-basedclustering)算法 [Jiawei Han,Micheline Kamber,Jian Pei.Data Mining:Concepts and Techniques[M] ? Elsevier, 2011]等。
[0037] 本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果是:提出了一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù) 荷監(jiān)測系統(tǒng)，并提出了一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，利用本發(fā)明技 術(shù)成果，非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)能夠自動檢測出受監(jiān)測電力負(fù)荷內(nèi)部存在的未建 模電器設(shè)備，并自動提取負(fù)荷特征參數(shù)，最終用以更新非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)的 電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫，從而不再需要技術(shù)人員通過人工回訪用戶的方式來維護(hù)和更新 電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫；既能在電力負(fù)荷內(nèi)部新增和/或更換電器設(shè)備時保證系統(tǒng)監(jiān)測 性能不受影響，又能大大節(jié)省了人力成本，提高非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)的運行效 率，因此，能夠極大地提高非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)的實用性;基于非侵入式電力負(fù)荷監(jiān) 測技術(shù)的電力大數(shù)據(jù)可極大地幫助電力公司積累優(yōu)良的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，升級其現(xiàn)有功能與業(yè) 務(wù)，如：電網(wǎng)規(guī)劃與運行管理、電力需求側(cè)管理、客戶服務(wù)等，并可拓展公司職能和業(yè)務(wù)范 疇;同時，能夠幫助電力用戶節(jié)約用電，最終促進(jìn)全社會節(jié)能減排。
【附圖說明】
[0038] 圖1是本發(fā)明一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)架圖；
[0039] 圖2是本發(fā)明一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法的流程圖；
[0040] 圖3是本發(fā)明一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)與方法的模擬測 試電路圖（一）；
[0041] 圖4是本發(fā)明一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)與方法的模擬測 試電路圖（二）。
【具體實施方式】
[0042] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述:應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0043] 如圖1-4所示，本發(fā)明通過下述實施例進(jìn)行說明
[0044]如圖1所示，一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，包括電力負(fù)荷用 電數(shù)據(jù)采集模塊，電力負(fù)荷用電特征獲取模塊，電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊， 電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫、對外交互功能模塊這五個傳統(tǒng)非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng) 所含有的功能模塊之外，還包括未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊。
[0045]電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集電力負(fù)荷供電電源入口處的端電壓和總電 流，具體包括將電源入口處的強電壓、大電流模擬信號轉(zhuǎn)換為電力負(fù)荷用電特征獲取模塊 能夠處理的弱電壓和/或小電流模擬信號，并為電力負(fù)荷用電特征獲取模塊能夠獲取所需 的電力負(fù)荷用電特征而以滿足要求的采樣頻率完成弱電壓和/或小電流模擬信號的數(shù)字 化，前者可采用電壓、電流互感器實現(xiàn)。
[0046] 電力負(fù)荷用電特征獲取模塊用于在完成電壓、電流數(shù)據(jù)濾波、降噪等必要的數(shù)據(jù) 預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用必要的數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)方法獲取電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀 態(tài)監(jiān)測模塊所需的電力負(fù)荷特征，例如，若需要獲取電壓、電流諧波特征，則可采用傅里葉 變換(FFT)對電壓、電流信號進(jìn)行分析，若需提取負(fù)荷事件特征，則可采用變點檢測方法[張 學(xué)新.變點檢測問題最新進(jìn)展綜述[J].江漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012,40(2): 18-24.] 從電力負(fù)荷用電功率曲線中檢測負(fù)荷事件，再提取負(fù)荷事件相關(guān)負(fù)荷特征[Jian Liang， Ng,Simon K.K.,Kendall,G.,et al.Load Signature Study-Part I_Basic Concept, Structure,and Methodology[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(2): 551-560]。
[0047] 電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊用于依據(jù)電力負(fù)荷用電特征獲取模塊 提供的電力負(fù)荷特征，采用合理的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測求解模型和求解方法，確定電力 負(fù)荷內(nèi)部每種電器設(shè)備類型的用電狀態(tài)，包括電器設(shè)備的工作狀態(tài)和/或用電功率兩方面 內(nèi)容，所述非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測求解模型和求解方法可以是但不限于[專利號為 C N 2 0 0 8 1 0 0 5 3 0 5 9 · 1名為"非侵入式電力負(fù)荷實時分解方法"] [G.ff.Hart.Nonintrusiveappliance load monitoring[J].Proceedings of IEEE，1992， 80(12)：1870-1891.][Steven B.Leeb, Steven R.Shaw,James L.Kirtley . Transient event detection in spectral envelope estimates for nonintrusive load monitoring[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10(3):1200_1210·]等報 道公開的求解模型和求解方法。
[0048]電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫模塊用于存儲和管理電器設(shè)備的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，包括向 電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊提供電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫的訪問接口，以及接收并存儲未 建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊提供的未建模電器設(shè)備的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)。
[0049] 對外交互功能模塊用于實現(xiàn)非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)中其他功能模塊與 外界之間必要的數(shù)據(jù)信息交互功能，包括但不限于監(jiān)測結(jié)果顯示、控制命令輸入與輸出及 系統(tǒng)報告輸出。
[0050] 未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊用于根據(jù)電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，自 動檢測出受監(jiān)測電力負(fù)荷內(nèi)部存在的未建模電器設(shè)備，并自動獲取其負(fù)荷特征參數(shù)樣本， 最后根據(jù)系統(tǒng)所采用的電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測方法的需要，將未建模電器設(shè)備的負(fù)荷特征 數(shù)據(jù)輸出給電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫模塊并存儲。
[0051] 如圖2所示，一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法；
[0052]步驟201:參數(shù)初始化，預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫；
[0053]步驟202:采集電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)，提取當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)；
[0054]步驟203:利用有效的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷內(nèi)部 電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測；
[0055] 步驟204:根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，判斷并記錄當(dāng)前時刻電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器 設(shè)備類型，若相鄰的兩個判斷時刻中，有且只有其中一個時刻的電力負(fù)荷內(nèi)部存在未建模 電器設(shè)備類型;則執(zhí)行步驟205;否則轉(zhuǎn)至步驟208;
[0056] 步驟205:根據(jù)當(dāng)前和前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的 判斷時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，提取未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本，并將其存 儲在未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中；
[0057] 步驟206:若檢測到的存儲在未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中的未建模電器設(shè)備類 型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本的總數(shù)積累達(dá)到預(yù)設(shè)值lu，則執(zhí)行步驟207;否則轉(zhuǎn)至步驟208;
[0058]步驟207:從已經(jīng)積累的所有未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本中，確定不同未建模電器設(shè)備 類型的負(fù)荷特征參數(shù)，并將結(jié)果存儲在電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫中，同時將與已確定的未 建模電器設(shè)備相關(guān)的負(fù)荷特征參數(shù)樣本從未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中刪除；
[0059] 步驟208:以當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的判斷結(jié)果 更新前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的判斷時刻的判斷結(jié)果；以當(dāng) 前時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)更新前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備的判 斷時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟202，循環(huán)執(zhí)行。
[0060] 具體地，在步驟201中，進(jìn)行參數(shù)初始化，預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫時，具體包 括，為本發(fā)明方法中涉及系統(tǒng)所用技術(shù)方法(包括本發(fā)明創(chuàng)新技術(shù)方法）中相關(guān)參數(shù)設(shè)置取 值，包括負(fù)荷特征參數(shù)樣本總數(shù)的預(yù)設(shè)值ki，有效簇所包含的負(fù)荷特征樣本數(shù)量的預(yù)設(shè)值 k2,未建模電器設(shè)備判斷閾值ε，式(2)中參數(shù)p的取值，以及所采用非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測 方法中的具體參數(shù)，如專利號為CN200810053059.1名為"非侵入式電力負(fù)荷實時分解方法" 中原始電壓、電流信號的采樣頻率，預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫，包括根據(jù)電器設(shè)備用電 狀態(tài)監(jiān)測方法的需要，預(yù)先對受監(jiān)測電力負(fù)荷內(nèi)部的已知電器設(shè)備類型，獲取相應(yīng)負(fù)荷特 征數(shù)據(jù)并存儲在電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法的不同，所 采用的負(fù)荷特征會有所不同，如專利號為CN200810053059.1名為"非侵入式電力負(fù)荷實時 分解方法"中采用的是電流諧波特征。在本文中，與未建模電器設(shè)備類型相對應(yīng)，已知電器 設(shè)備類型也被稱為已建模電器設(shè)備。
[0061] 步驟204中，本發(fā)明根據(jù)與電器設(shè)備的用電狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果對應(yīng)的電力負(fù)荷特征估 計值和采集到的電力負(fù)荷特征實際值之間的偏差大小來判斷當(dāng)前時刻電力負(fù)荷中是否存 在未建模電器設(shè)備類型；
[0062] 首先，確定電力負(fù)荷特征向量的估計值X, (/)
[0063] &(?)與電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果是一一對應(yīng)，可以依據(jù)電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān) 測結(jié)果和已知的電器設(shè)備負(fù)荷特征參數(shù)估計而得，計算方法如下式所示，
[0065] 式中，sn(t)表示時刻t第η種已知電器設(shè)備類型的用電狀態(tài)辨識結(jié)果，Xn表示第η種 已知電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)典型值，根據(jù)系統(tǒng)所采用的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法 的不同，可以是采用相應(yīng)方法獲得的電器設(shè)備處于不同工作狀態(tài)下的電流和/或功率特征 的典型值，其中，11￡{1，2,3，一少}，~表示電力負(fù)荷內(nèi)部已知電器設(shè)備類型的總數(shù)量 ；
[0066]若下式(2)所示不等式成立，則表明在時刻t，電力負(fù)荷內(nèi)部存在未建模的電器設(shè) 備類型：
[0068] 式中，XL(t)表示在時刻t采集到的用于電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測的電力負(fù)荷特征向 量的實際值，.U：)表示電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測方法對時刻t的電力負(fù)荷特征向量的估計 值，I I · I |p表示向量的Lp-范數(shù)，其中P彡1，ε表示判斷閾值；
[0069] 對于判斷閾值ε，技術(shù)人員或用戶可以根據(jù)所需的未建模電器設(shè)備檢測敏感度來 設(shè)定該參數(shù)的取值，在該值設(shè)置較小的情況下，系統(tǒng)對未建模電器設(shè)備會比較"敏感"，使得 一些已知電器設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)荷特征樣本被判斷為是由未建模電器設(shè)備產(chǎn)生的，在該值設(shè)置 較大的情況下，系統(tǒng)會對未建模電器設(shè)備比較"遲鈍"，然而，雖然有遺漏未建模電器設(shè)備負(fù) 荷特征樣本的風(fēng)險，但是已知電器設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)荷特征樣本被誤判為是由未建模電器設(shè)備 產(chǎn)生的幾率會大大降低。工程上，判斷閾值ε的最優(yōu)取值范圍為5 %~20 %。
[0070] 由于不同的電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測方法的監(jiān)測原理和\或所用的負(fù)荷特征類型可 能不同，因此，本發(fā)明方法對Sn(t)的取值范圍和χ η所代表的負(fù)荷特征類型或負(fù)荷特征類型 的組合并不做限制，具體根據(jù)非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)實施過程中，系統(tǒng)實際采用 的電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測方法而定，其中，Χη可以是電力負(fù)荷的功率特征、電流特征、諧波 特征或者它們的組合。
[0071] 對于步驟205,包括計算當(dāng)前和前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè) 備的判斷時刻的電力負(fù)荷特征參數(shù)的差值作為未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本； 例如，計算電力負(fù)荷總功率之差，可以得到未建模電器設(shè)備的功率特征，同理，計算電力負(fù) 荷總電流諧波特征之差，可以得到未建模電器設(shè)備的電流諧波特征。
[0072]對于步驟206,關(guān)于未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本總數(shù)的預(yù)設(shè)值h，可 以由技術(shù)人員根據(jù)應(yīng)用場景的不同，或者用戶根據(jù)應(yīng)用需求的不同設(shè)定不同的數(shù)值，取值 較小有助于提高系統(tǒng)檢測未建模電器設(shè)備的實時性，取值較大有助于提高系統(tǒng)檢測未建模 電器設(shè)備的準(zhǔn)確性;工程上，根據(jù)系統(tǒng)的計算資源配置，h的取值不小于100。
[0073]對于步驟207,包括利用聚類分析方法，對已經(jīng)積累的未建模電器設(shè)備的負(fù)荷特征 樣本進(jìn)行聚類分析，在聚類結(jié)果中，所有包含負(fù)荷特征樣本數(shù)量大于預(yù)設(shè)值k2的簇分別對 應(yīng)一種未建模電器設(shè)備類型，每個簇中包含的所有負(fù)荷特征樣本皆是由與之對應(yīng)的未建模 電器設(shè)備產(chǎn)生的，并以簇的聚類中心作為未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征的典型值;可以 由技術(shù)人員根據(jù)應(yīng)用場景的不同，或者用戶根據(jù)應(yīng)用需求的不同設(shè)定不同的數(shù)值，合適的 取值有助于確保系統(tǒng)所生成的未建模電器設(shè)備類型的有效性;工程上，根據(jù)系統(tǒng)的計算資 源配置，為盡量保證系統(tǒng)未建模電器設(shè)備檢測的時效性，k 2的取值不小于5。
[0074]基于以上原理，實際上，本發(fā)明系統(tǒng)與方法對已有非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)所 采用的電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測方法并無任何限制。這里，本文采用專利號為 CN200810053059.1名為"非侵入式電力負(fù)荷實時分解方法"實現(xiàn)步驟203中的非侵入式電力 負(fù)荷監(jiān)測，通過實驗測試來本發(fā)明方法的有效性。
[0075]首先，非侵入式電力負(fù)荷實時分解方法的基本原理可以概述如下：
[0076] 1、假設(shè)受監(jiān)測電力負(fù)荷L內(nèi)部含有N種電器設(shè)備，對于第η種電器設(shè)備，以其正常工 作時的穩(wěn)態(tài)電流諧波特征作為印記特征，可以做出如下表示：
[0077] in(t) = In,l * cos(w · t+0n,l)+ · · ·+In,k · cos(k · w · t+0n,k)+ · · ?(3)
[0078] 式中，in(t)表示第n類電器設(shè)備的穩(wěn)態(tài)瞬時工作電流，n e {1，2，…，N}，N為正整 數(shù);In,i表示所述第n種電器設(shè)備工作電流的基波分量幅值;w表示所述第n種電器設(shè)備工作 電流的基波分量的角頻率;θ η,ι表示所述第η種電器設(shè)備工作電流的基波分量的初相角；In,k 表示所述第η種電器設(shè)備工作電流中第k次諧波分量的幅值;0n,k表示工作電流中第k次諧波 分量的初相角;k是正整數(shù);其中，In,k = an,kX In,l，an,k表示In,k和Ιη,Ι之間的比例系數(shù)。
[0079] 采用標(biāo)幺值后，上式(3)可以改寫為：
[0080] i/n(t) = l · cos(w · ?+θη,ι)+ · · · +an,k · cos(k · w · t+9n,k)+ · · · (4)
[0081] 并且i^U)被稱為第n種電器設(shè)備的單元電流，即其工作電流基波幅值的標(biāo)幺值 為1時的電流。
[0082] 2、獲取第η種電器設(shè)備電流諧波特征的特征向量In
[0083] 這樣，應(yīng)用相量描述，可得到的表示第η種電器設(shè)備電流諧波特征的特征向量In 為：
[0084] Ιη=[1 · Ζθη,ι, · · · ,an；k · Z9n,k, · · · ]T (5)
[0085] 根據(jù)上述定義，對于受監(jiān)測電力負(fù)荷L的總電流，可用這N種電器設(shè)備電流的線性 疊加來近似估計，從而有
[0086] ?，?(?)=βι(?) · ?ι'(?)+β2(?) · i'2(t) · · · +Ρν(?) · ?'ν(?) (6)
[0087] 式中，i \(t)表示電力負(fù)荷L的單元總電流，對應(yīng)的特征向量IiXt)如式(7)所示，相 關(guān)參數(shù)的定義可參見式(3)中對應(yīng)參數(shù)的定義；i'i(t)，i' 2(t)和i'n(t)分別表示第1，2和N 種電器設(shè)備的單元電流，對應(yīng)的特征向量分別為Ii，I2和IN;fo(t)，&(t)和fo(t)分別表示第 1，2和~種電器設(shè)備的電流權(quán)重系數(shù)，其取值范圍是[0，+0)，并定義0(0 =[知（0，02 ⑴，…，βΝ(?) ]丁。
[0088] Ι?(?) = [1 · Z9l,i, · · · ,aL)k · Z0L,k, · · · ]T (7)
[0089] 式中，是所述電力負(fù)荷L的穩(wěn)態(tài)工作電流的基波分量的初相角；0L,k表不所述電 力負(fù)荷L的穩(wěn)態(tài)工作電流中第k次諧波分量的初相角;k是正整數(shù);其中，aL,!^an, k同理，表示 所述電力負(fù)荷L的穩(wěn)態(tài)工作電流的基波分量幅值與其第k次諧波分量幅值之間的比例系數(shù)。
[0090] 應(yīng)用相量法描述，上式(6)可以表示成如下形式：
[0091] Ι?(?) = [Ιι,?2, · · · ,Ιν] · β(?) (8)
[0092] 3、獲得每種電器設(shè)備的電流權(quán)重系數(shù)
[0093] 進(jìn)而，可以通過在約束條件iMt)，fe(t)，和fo(t)e[0，+cx0下求解式(9)所示的優(yōu) 化目標(biāo)函數(shù)來獲得每種電器設(shè)備的電流權(quán)重系數(shù)。
[0095] 式中，| | · | |P表示Lp范數(shù)，其中p彡1。通過式(9)計算也得到每種電器設(shè)備用電功 率的比例系數(shù)，再結(jié)合電力負(fù)荷當(dāng)前時刻的總功率值，可以獲得每種電器設(shè)備當(dāng)前時刻的 用電功率估值。
[0096] 接下來，首先選取吹風(fēng)機，飲水機，電熱水壺，電視機，小太陽加熱器，電磁爐和日 光燈組構(gòu)成的測試系統(tǒng)對本發(fā)明方法進(jìn)行測試，實施例1，如圖3所示。在本測試系統(tǒng)中，設(shè) 定日光燈組為未建模電器設(shè)備類型，其他電器設(shè)備設(shè)定為已知電器設(shè)備類型。
[0097] 在開始測試前，按照步驟201所述，設(shè)定關(guān)于未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù) 樣本總數(shù)的預(yù)設(shè)值ki取值為50,設(shè)定有效簇所包含的負(fù)荷特征樣本數(shù)量的預(yù)設(shè)值k 2取值為 20，設(shè)定未建模電器設(shè)備判斷閾值ε的取值為10%，式(2)中參數(shù)p的取值設(shè)為2，設(shè)未知負(fù)荷 特征參數(shù)樣本列表為空;在此基礎(chǔ)上，根據(jù)專利號為CN200810053059.1名為"非侵入式電力 負(fù)荷實時分解方法"的原理，采集吹風(fēng)機，飲水機，電熱水壺，電視機，小太陽加熱器，電磁爐 這六種已知電器設(shè)備類型穩(wěn)態(tài)電流諧波特征，預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫。這里，只取1 到5次諧波特征，根據(jù)實際情況，可以取更多高次諧波特征。
[0098] 對于本文方法的核心，未建模電器設(shè)備自動檢測，結(jié)合上述專利號為 CN200810053059.1名為"非侵入式電力負(fù)荷實時分解方法"的技術(shù)原理，根據(jù)式(2)所示本 發(fā)明未建模電器設(shè)備判斷的基本原理，lL(t)與X L(t)對應(yīng)，即電力負(fù)荷特征向量取為電流諧 波特征向量，根據(jù)式(1 )，^丨/ ：)與λ· J/ ：)對應(yīng)，In與Xn對應(yīng)，Sn⑴與βη( t)對應(yīng)。
[0099] 測試過程中，本文采用[黎鵬.非侵入式電力負(fù)荷分解與監(jiān)測[D].天津:天津大學(xué)， 2009.]中推薦的差分進(jìn)化算法求解式(9)。至于聚類分析方法，本發(fā)明選擇經(jīng)典的k-means 算法，具體采用報道[周世兵，徐振源，唐旭清.新的k-均值算法最佳聚類數(shù)確定方法[J].計 算機工程與應(yīng)用，2010,46(16):27-31]中公開的算法確定聚類數(shù)目。
[0100]在測試系統(tǒng)中所含其他已知電器設(shè)備隨機正常啟停的情況下，日光燈組經(jīng)歷多次 啟停后，求解得到日光燈組的功率特征參數(shù)典型值如下：
[0102]取前五次電流諧波特征，得到的電流諧波特征向量典型值為：
[0103] [1Z-9.1° ,0.08Z110.80 ,0.21Z-139.70 ,0,0.05Z970 ]T (10)
[0104] 根據(jù)未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊的功能描述和步驟207,在本實施例 中，未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊將式（10)所示的日光燈組的電流諧波特征向量 輸出到系統(tǒng)的電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫模塊中。
[0105] 通過上述測試，電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫已在增加日光燈組的負(fù)荷特征后被更 新，這時日光燈組已經(jīng)被視為已知電器設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，不改變系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定值，在測試 系統(tǒng)中增加微波爐作為未建模電器設(shè)備類型進(jìn)行測試，如圖4所示，實施例2在測試系統(tǒng)中 所含其他已知電器設(shè)備隨機正常啟停的情況下，微波爐經(jīng)歷多次啟停后，求解得到微波爐 的功率特征參數(shù)典型值如下：
[0107] 取前五次電流諧波特征，得到的電流波形的特征向量典型值為：
[0108] [1Z1.7° ,0.07Z5.20 ,0.43Z-121.2° ,0.02Z48.70 ,0.13Z-44.90 ]τ (11)
[0109] 同上，根據(jù)未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊的功能描述和步驟207,在本實 施例中，未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊將式（11)所示的微波爐的電流諧波特征向 量輸出到系統(tǒng)的電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫模塊中。
[0110]最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依 然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn) 行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù) 方案的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，包括電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模 塊、電力負(fù)荷用電特征獲取模塊、電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊、電器設(shè)備負(fù)荷 特征數(shù)據(jù)庫模塊、對外交互功能模塊，其特征在于:還包括未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生 成模塊； 所述的電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集電力負(fù)荷供電電源入口處的端電壓和總 電流； 所述的電力負(fù)荷用電特征獲取模塊，對電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模塊采集到的電壓、電 流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、降噪，平滑等數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而獲取電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模 塊所需的電力負(fù)荷特征； 所述的電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊用于依據(jù)電力負(fù)荷用電特征獲取模 塊提供的電力負(fù)荷特征，采用合理的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測求解模型和求解方法，確定電 力負(fù)荷內(nèi)部每種電器設(shè)備類型的用電狀態(tài)，包括電器設(shè)備的工作狀態(tài)和/或用電功率兩方 面內(nèi)容； 所述的電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫模塊用于存儲和管理電器設(shè)備的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，包括 向電力負(fù)荷內(nèi)部電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測模塊提供電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫的訪問接口，W 及接收并存儲未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊提供的未建模電器設(shè)備的負(fù)荷特征 數(shù)據(jù)； 所述的對外交互功能模塊用于實現(xiàn)非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)中其他功能模塊 與外界之間必要的數(shù)據(jù)信息交互功能，包括但不限于監(jiān)測結(jié)果顯示、控制命令輸入與輸出、 及系統(tǒng)報告輸出； 所述的未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊用于根據(jù)電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果， 自動檢測受監(jiān)測電力負(fù)荷內(nèi)部存在的未建模電器設(shè)備，并自動獲取其負(fù)荷特征參數(shù)樣本； 進(jìn)一步地，所述的未建模電器設(shè)備類型負(fù)荷特征生成模塊，根據(jù)系統(tǒng)所采用的電器設(shè)備用 電狀態(tài)監(jiān)測方法的需要，將未建模電器設(shè)備的負(fù)荷特征數(shù)據(jù)輸出給電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù) 庫模塊并由所述電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫模塊保存。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 在于:所述的電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)采集模塊，采集電源入口處的強電壓、大電流模擬信號，并 將其轉(zhuǎn)換為電力負(fù)荷用電特征獲取模塊能夠處理的弱電壓和/或小電流模擬信號，而后將 所獲取的弱電壓和/或小電流模擬信號數(shù)字化，用于電力負(fù)荷用電特征獲取模塊提取所需 電力負(fù)荷用電特征。3. -種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，其特征在于:應(yīng)用于權(quán)利要求 1-2的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)中，包括W下步驟： 步驟201:參數(shù)初始化，預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫； 步驟202:采集電力負(fù)荷用電數(shù)據(jù)，提取當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)； 步驟203:利用有效的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷內(nèi)部電器 設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測； 步驟204:根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，判斷并記錄當(dāng)前時刻電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備 類型，若相鄰的兩個判斷時刻中，有且只有其中一個時刻的電力負(fù)荷內(nèi)部存在未建模電器 設(shè)備類型;則執(zhí)行步驟205;否則轉(zhuǎn)至步驟208; 步驟205:根據(jù)當(dāng)前和前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的判斷 時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，提取未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本，并將其存儲在 未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中； 步驟206:若檢測到的存儲在未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中的未建模電器設(shè)備類型的 負(fù)荷特征參數(shù)樣本的總數(shù)積累達(dá)到預(yù)設(shè)值ki，則執(zhí)行步驟207;否則轉(zhuǎn)至步驟208; 步驟207:從已經(jīng)積累的所有未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本中，確定不同未建模電器設(shè)備類型 的負(fù)荷特征參數(shù)，并將結(jié)果存儲在電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫中，同時將與已確定的未建模 電器設(shè)備相關(guān)的負(fù)荷特征參數(shù)樣本從未知負(fù)荷特征參數(shù)樣本列表中刪除； 步驟208: W當(dāng)前時刻的關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的判斷結(jié)果 更新前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備類型的判斷時刻的判斷結(jié)果；W當(dāng) 前時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)更新前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備的判 斷時刻的電力負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至步驟202，循環(huán)執(zhí)行。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，其特征 在于:對于步驟201，預(yù)設(shè)電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫包括預(yù)先對受監(jiān)測電力負(fù)荷內(nèi)部的已知 電器設(shè)備類型，獲取相應(yīng)負(fù)荷特征數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)負(fù)荷特征數(shù)據(jù)存儲在電器設(shè)備負(fù)荷特征 數(shù)據(jù)庫中，作為初始的電器設(shè)備負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫;參數(shù)初始化，包括預(yù)設(shè)未建模電器設(shè)備類 型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本總數(shù)的預(yù)設(shè)值ki、對已經(jīng)積累的未建模電器設(shè)備的負(fù)荷特征樣本進(jìn) 行聚類分析，在聚類結(jié)果中與未建模電器設(shè)備類型對應(yīng)的簇視為有效簇，有效簇所包含的 負(fù)荷特征樣本數(shù)量的預(yù)設(shè)值k2、未建模電器設(shè)備類型判斷參數(shù)W及系統(tǒng)所采用非侵入式電 力負(fù)荷監(jiān)測方法中的具體參數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，其特征 在于:對于步驟204,根據(jù)與電器設(shè)備的用電狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果對應(yīng)的電力負(fù)荷特征估計值和采 集到的電力負(fù)荷特征實際值之間的偏差大小來判斷當(dāng)前時刻的電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未 建模電器設(shè)備類型。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，其特征 在于:還包括W下關(guān)于是否存在未建模電器設(shè)備類型的判斷方法： 步驟1、確定電力負(fù)荷特征向量的估計值W ； 與電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果是一一對應(yīng)的，可W依據(jù)電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測 結(jié)果和已知的電器設(shè)備負(fù)荷特征參數(shù)估計而得，計算方法如下式所示，式中，sn(t)表示時亥Ijt第η種已知電器設(shè)備類型的用電狀態(tài)辨識結(jié)果，品表示第η種已知 電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)典型值，其中，ne{l，2,3，…，N}，N表示電力負(fù)荷內(nèi)部已知電 器設(shè)備類型的總數(shù)量； 步驟2、建立判斷式I若不等式成立，則表明在時刻 t，電力負(fù)荷內(nèi)部存在未建模的電器設(shè)備類型； 式中，XL(t)表示在時刻t采集到的用于電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測的電力負(fù)荷特征向量的 實際值，.γ,α/：)表示電器設(shè)備用電狀態(tài)監(jiān)測方法對時刻t的電力負(fù)荷特征向量的估計值， ? IIP表示向量的Lp-范數(shù)，其中P>1，ε表示判斷闊值，判斷闊值ε的最優(yōu)取值范圍為5 %~ 20%。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，其特征 在于:對于步驟205,包括計算當(dāng)前和前一個關(guān)于電力負(fù)荷內(nèi)部是否存在未建模電器設(shè)備的 判斷時刻的電力負(fù)荷特征參數(shù)的差值作為未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本。8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，其特征 在于:對于步驟206,關(guān)于未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征參數(shù)樣本總數(shù)的預(yù)設(shè)值ki，ki的取 值不小于100。9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具備自學(xué)習(xí)功能的非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測方法，其特征 在于:對于步驟207,包括利用聚類分析方法，對已經(jīng)積累的未建模電器設(shè)備的負(fù)荷特征樣 本進(jìn)行聚類分析，在聚類結(jié)果中，所有包含負(fù)荷特征樣本數(shù)量大于預(yù)設(shè)值k2的簇分別對應(yīng) 一種未建模電器設(shè)備類型，每個簇中包含的所有負(fù)荷特征樣本是由與之對應(yīng)的未建模電器 設(shè)備類型產(chǎn)生的，并W簇的聚類中屯、作為未建模電器設(shè)備類型的負(fù)荷特征的典型值;k2的 取值不小于5。
【文檔編號】G01R31/00GK106093652SQ201610530542
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】欒文鵬, 劉博 , 余貽鑫, 劉衛(wèi)濤, 劉中勝, 劉浩, 楊靜, 馬驍, 杜偉強, 蔣仲明
【申請人】天津求實智源科技有限公司