居民負荷特征研究及特征庫的建立

祁 兵，劉利亞，張 瑜，翟 峰，楊 斌

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206；2.中國電力科學研究院，北京 100192；3.國網江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024)

居民負荷作為電力負荷重要組成部分，其電能消耗比重逐漸增大，因此居民用電節能對推進整個社會的節能減排、緩解能源危機起著重要作用[1]。居民家庭的用電可視化是開展節能工作的基礎，它有助于了解自身不同時段各家電負荷電能的消耗情況，制定合理的節能措施，有針對性的選購節能設備，從而降低能源消耗，減少電費開支。

20世紀80年代，麻省理工學者George W. Hart提出了一種基于非侵入式負荷監測(NILM：Nonintrusive Load Monitoring)[2]的用電負荷識別技術，該技術有望解決現有居民負荷用電可視化的問題。NILM利用居民負荷特性(Load Signature)來識別并細化每個用電負荷的操作信息和用電消耗量。因此，基于NILM技術實現非干預式的居民家庭用電可視化的技術基礎是居民負荷特性研究與負荷識別算法研究。基于設備的負荷特性和耗電特性可以建立用戶用電數據庫和典型家電負荷樣本模型庫，從而實現對用戶用電行為的分析和改善，為社會節能節電提供科學指導；也有助于實現居民家庭能耗測算，為能耗測算提供數據支持。此外，負荷特征研究在電力需求側管理和智能化用電方面也起到基礎性作用[3]。

近年來，隨著節能減排技術的不斷推進，國內外一些機構在家庭典型負荷特性分析方面的研究逐漸增多，并獲得一定成果。負荷特征是用電設備耗電時特有的電氣行為，每一個用電設備在用電過程中都有獨特特征，可以通過分析研究用電設備的用電信息來獲取[4]。傳統電力負荷特征研究著重于穩態模型研究，如P-Q模型等。但隨著用電設備種類和數量的不斷增加，負荷功率特征出現了重疊相似，單單依靠這一特征已不足以支撐負荷識別研究。近年針對居民負荷微觀特性的研究逐漸開展，如亞里士多德大學、羅徹斯特大學和阿爾伯特大學等，并取得豐碩的研究成果[5-7]。

負荷特征可分為暫態特征、穩態特征和運行模式特征，其包含的信息量十分豐富。穩態和暫態兩類負荷特征取決于設備內部的元器件特征，運行模式類特征則取決于設備的運行控制策略[8]。研究結果表明，不同負荷特征之間具有較大區別。目前國內著眼于宏觀層面上的大區域、大范圍負荷特性研究，在微觀負荷特征方面的研究不多。國內一般說的負荷特性是指一段時間內某一區域內總的電力負荷，尤其是功率方面的變化表現出的規律。因此在居民用電負荷的微觀層面對其負荷特征進行深入探討具有實際意義。

本文以居民用戶實際用電環境為背景，依據信號分析相關理論，選取易于區分的負荷特征以及合適的特征提取方法。設計不同的用電場景，在電力入口處采集用電數據，從中提取負荷特征，并進行處理存儲，形成負荷特征庫。為了方便調用和分析特征庫中的信息，本文建立一個可視化界面。該界面可以清晰顯示不同負荷的各類特征，為后續負荷特征分析以及負荷識別提供依據。

1 負荷特征分析

現有負荷特征可以分為暫態特征和穩態特征兩大類，如圖1所示。穩態特征主要包括有功功率、無功功率、電壓電流的基波分量及諧波分量等，穩態特征提取方法較為簡單，一般采用時域分析或諧波分析等提取方法。暫態特征主要包括瞬時電流、瞬時功率、開關暫態等，其提取方法相對而言較復雜，常用方法有頻譜分析、小波分析等頻域分析方法。

圖1 負荷特征類型與分析方法

1.1 穩態特征分析

穩態特征多數可以經過直接采樣或簡單數據處理獲得，相對于暫態特征，穩態特征具有測量和處理較為簡單的優勢，因此在非侵入式負荷監測研究領域應用廣泛。常見穩態負荷特征及提取方法見表1。

由表1可知，基于穩態特征的提取技術不能有效應對一些辨識難度較高的場景，如某些用電設備的特征類似及重疊等情況。下面介紹常用穩態特征的計算公式。

a. 有功無功功率[13]：通過采樣電流和電壓，可直接計算出有功功率和無功功率。

有功功率：

(1)

無功功率：

(2)

式中：U、I為負荷正常工作時電壓與電流的有效值；φ為負荷正常工作時的功率因數角；k為諧波次數。

b. 電壓-電流軌跡：以1個周期內的電壓數據作為橫坐標，電流數據作為縱坐標繪制V-I曲線，V-I曲線可以從圖形角度反映出設備諧波含量的高低[14]，對于電阻負載其V-I圖形是1條直線；感性容性負載其V-I曲線是1個橢圓；若只對3次諧波電流繪制V-I曲線，其必有2個交點。因此V-I曲線可以從圖形角度反映出電流中所含諧波成分的高低，若繪制的V-I曲線有交點，其諧波含量必然很高；若圖形與橢圓形狀相差很大，則其諧波含量必然很高。

不同負荷的V-I曲線相差明顯，如空調、微波爐等電器的V-I曲線具有交點，而熱水壺等電器沒有交點，所以可以取交點的個數作為V-I特性的衡量參數；各曲線的中心線傾斜角也有所不同，中心線對應V-I曲線中最高點與最低點的連線，因此取中心線的斜率作為V-I特性的衡量參數；V-I曲線是一閉合的曲線，且不同負荷其V-I曲線圍成的面積各不相同，因此可以取V-I曲線的面積作為衡量參數。因此，選取V-I曲線的中心線斜率、封閉區域面積、交叉點個數作為負荷V-I曲線的特征點。

c. 電流波形特征：不同家電的電流波形存在明顯差異。為反映各個用電設備電流波形的差異，計算提取各電器電流波形的均方根、幅值和波峰系數，計算公式如下:

均方根：

(3)

幅值：

IP=max(i(k)),0≤k

(4)

波峰系數：

(5)

d. 電流諧波：不同負荷電流中所含諧波成分有所差別，根據傅里葉變換技術，對負荷電流進行處理，得到頻域諧波[15]，計算公式如下:

(6)

同時還可就按各負荷的總諧波畸變率THD(Total Harmonics Distortion)值。THD指的是電流全部諧波含量均方根值與基波均方根值之比。計算公式如下:

(7)

式中：I(k)表示電流k次諧波分量的有效值；I(1)表示電流基波分量的有效值。

1.2 暫態特征分析

對應于穩態特征在負荷識別方面的局限，暫態特征提取技術具有更強的適用性，能區分不同功能的負荷。此外，負荷的暫態過程持續時間短于穩態過程持續時間，因此暫態特征的重疊現象也較穩態特征少。常見暫態負荷特征及提取方法見表2。

表2 常見暫態負荷特征及提取方法分析

下面介紹常用暫態特征的計算公式。

a. 瞬時功率：瞬時功率定義為電壓與電流的乘積，計算公式如下：

p(t)=u(t)×i(t)

(8)

常見瞬時功率波形特征值包括幅值、雙峰面積，計算公式如下：

幅值：

Pp=max(p(k)),0≤k

(9)

雙峰面積：

(10)

b. 開關暫態特征：各電器從開啟到達穩態所需的時間有所差異，開啟時電流的變化形式各不相同，對于電阻負載直接進入穩態，對于非線性負載電流啟動時會有脈沖電流。因此，可以通過采集負荷開啟到穩定工作這段時間的電流波形，從中提取投切耗時、啟動脈沖峰值以及啟動時電流的階躍高度作為開關暫態特征值；也可以采集完整的電流波形并提取電流包絡線，從包絡線中也可以獲得啟動脈沖峰值以及階躍電流高度，還可以觀察到不同負荷電流包絡線的文波特性。一般對于電動機負載，如空調、洗衣機等，其電流波形具有文波特性。

2 家電負荷特征提取

本文通過在實驗室中搭建電力數據測量平臺，對典型家電負荷的電流電壓波形進行采樣記錄，采樣頻率為1～10 kHz。然后利用一定的方法從中提取出不同類型的特征值。

2.1 電流穩態特征

選取用戶中典型的幾種負荷，如電水壺、熱水器、吸塵器、電腦、微波爐、冰箱、空調等作為研究對象，得到其正常工作時的穩態電流波形，如圖2所示。

由圖2可知，發現不同負荷的電流曲線有所不同。其中電水壺和熱水器的電流為明顯的正弦曲線，而微波爐、吸塵器、電腦，空調制冷狀態的電流畸變嚴重，而且畸變形狀不同。為了更清楚地反映各負荷穩態電流波形的區別，根據式(3)—(5)提取各家電負荷的電流波形特征值，結果如表3所示。

圖2 家電負荷穩態電流波形

表3 各家電負荷穩態電流波形曲線特征值

觀察表3，發現不同家電負荷穩態電流波形中包含的特征值存在較大區別，可以作為負荷識別的依據。其中較為明顯的是各負荷的電流幅值不同，空調制熱模式下的幅值可達810.428 8 A，而電腦的幅值僅0.457 7 A，相差較大。另外結合圖3，可以發現電水壺、熱水器這些線性負荷的波峰系數接近于1.4；非線性負荷的波峰系數則與1.4差距較大，且非線性程度越大，其差距越大。

2.2 電流諧波特征

利用短時傅里葉變換技術手段，對負荷電流進行傅里葉變換，得到頻域上的諧波，并根據式(7)計算得到各家電負荷的THD值，結果如圖3、表4所示。

圖3 家電負荷電流諧波對比圖

表4 各家電負荷THD值 %

通過上述不同電器電流諧波比較，可以看出吸塵器的畸變率較高，THD值為47%，存在較大幅值的直流和低次諧波；微波爐與電腦的THD值都在38%左右，但是二者幅值各次諧波的差距均極大，可以明顯區分出來；空調制冷模式與制熱模式的THD值都在14%上下，諧波以奇次諧波為主，但制熱模式的諧波幅值較制冷模式更高。最小的是電風扇和電熱壺，電風扇THD值為7%，電熱壺THD為2%，兩者可以通過THD值與基波幅值比較識別。經過分析，家用電器負荷各自具有獨特的諧波特征，通過諧波特征對家用電器進行識別是可行的。

2.3 瞬時功率特征

圖4所示為典型家電負荷的瞬時功率曲線，可以看出不同用電設備的瞬時功率波形相差較大，各用電設備在1個周期內瞬時功率波形幅值不同，且相差較大。基于上述分析，計算瞬時功率波形的幅值，雙峰面積作為瞬時功率波形的特征，提取瞬時功率波形特征值數據見表5。

由表5可以看出，不同負荷之間的瞬時功率特征參數存在較大差別。空調制熱模式下的瞬時功率峰值高達2 989.313 W，吸塵器與電水壺的功率幅值相對而言也較大，電腦與其它負荷相比功率幅值明顯降低，僅115.842 W，雙峰面積也有較大區別，總體而言數據間差異較大，根據瞬時功率相關的特征參數易于實現負荷識別。

圖4 典型負荷的瞬時功率曲線

表5 瞬時功率特征參數

2.4 諧波功率特征

有功功率和無功功率是描述用電設備耗電特性的最常用指標，本文選取用戶內常用的家電設備作為研究對象，提取典型家電負荷的各次諧波功率特征，結果如圖5所示。

圖5 典型負荷的諧波功率

由圖5可知，就絕對值而言，吸塵器的直流、2次諧波有功功率比其他負荷大許多；微波爐的3次諧波有功明顯比其他負荷要大；空調制熱的5次諧波比其他負荷更大。還可以通過功率的正負來判斷。在無功功率中，明顯可以看出的是，比較絕對值大小，吸塵器的2次諧波無功較大，微波爐3次、4次諧波無功較大，空調制熱的3次、5次、7次諧波無功比其他負荷更大。不同負荷的無功正負也有差別。

2.5 電流包絡線特征

典型負荷中，有一類負荷含有電動機負載，例如空調、吸塵器、洗衣機等。這種負荷的電流波形有文波特性。利用采集數據時完整密集的電流波形，繪制每個負荷的包絡線，以便更好地顯示其動態特性。典型家電負荷的包絡線如圖6所示。

可以看出，不同的設備其電流包絡線完全不同，空調、微波爐、吸塵器啟動時有短時的脈沖電流；吸塵器、空調制冷的包絡線具有明顯的波紋，空調制熱狀態在工作初期不穩定時也有一段明顯的波紋，電水壺的波形則一直比較平穩。這里電風扇有波紋是因為存在噪聲的原因，風扇的幅值較小，所以相同噪聲下受到的影響更大。

選取電流包絡線的脈沖電流幅值(取絕對值)，穩態運行時平均值及開啟時階躍高度作為電流包絡線的特征值見表6。

可以看出不同電器由關到開電流階躍大小存在明顯差異，脈沖峰值也有所不同，因此依據上述特征實現負荷識別在技術上是可行的。

圖6 典型家電負荷的包絡線

表6 負荷的包絡線特征參數A

2.6 開關暫態特征

本文提取了不同負荷從關到開再到正常工作時間段內的數據進行繪圖，并計算出每個負荷的過渡時間和脈沖電流。各電器開啟到達穩態所需時間有所差異，開啟時電流的變化形式各不相同，對于電阻負載直接進入穩態，對于非線性負載電流啟動時會有脈沖電流。

各負荷的開關暫態波形如圖7所示。從開關暫態電流波形中提取的一些特征參數見表7。

圖7 典型負荷的開關暫態電流波形

表7 開關暫態特征參數

由表7對比不同負荷，發現空調制熱模式存在最長的過渡時間；而電風扇、電腦和冰箱的開啟時間較短；不同負荷開啟的脈沖電流也不同，冰箱開啟的脈沖電流高達18.42 A。

3 負荷特征庫可視化界面

設計負荷的特征庫可視化界面是為了用戶方便調用查看特征庫的信息，避免在龐大的特征庫中進行人為搜索，利用機器自動調用并將結果呈現出來。

可視化界面主要包括兩部分內容，一部分是對單負荷各種特征參數和圖像的展示，包括電流特征、功率特征、包絡線特征以及開關暫態特征等；另一部分是對多負荷混合情況下各種特征參數和圖像的展示。對于多負荷混合的情況其特征提取方法與上述單負荷特征提取方法完全一致，將多負荷混合運行下的特征加入特征庫有助于分析負荷混合運行與單獨運行時不同特征之間的關聯，是實現NILM的基礎。

如圖8所示，系統開始界面只有“單個負荷”與“多個負荷”2個選項，點擊1個按鈕，展開菜單欄，即可進行負荷和表示特征的選擇。

圖8 開始界面

點擊“單負荷”按鈕后，會出現2個滑動菜單控件，一個是負荷名稱，另一個是負荷特征。分別對2個菜單進行選擇，會在右邊出現相應的圖像以及在下方顯示相應的特征值。點擊“多負荷”按鈕后的界面與單負荷界面相似，只是由于滑動菜單寬度限制，對于混合負荷的描述采用簡化形式，為各個負荷編號，然后在下方設置1個點擊“多個負荷”時會顯示的解釋框，解釋菜單欄中各編號所指代的負荷名稱，其余設置和參數均與單負荷界面類似。

如圖9(a)、9(b)所示，點擊“單負荷”按鈕后，會出現2個菜單欄，左邊為特征庫中包含的單負荷名稱，右邊為特征庫中包含的特征種類，對兩者進行選擇，圖9(a)為選擇電水壺的電流特性后的界面，圖9(b)為選擇微波爐的電流特性后的界面。該界面會自動展示所選負荷的穩態電流波形和電流諧波，并將與電流相關的一些特征參數，如均方根、幅值、波峰系數和THD值顯示在右下角的參數顯示框內。如圖9(c)所示，點擊“多負荷”按鈕后，同樣出現2個菜單欄，不同之處在于左邊為特征庫中包含的混合負荷，這里將不同的負荷簡化為1個數字，并在下面的解釋框中進行說明。如圖9(c)中選擇了“3+4”的電流特性，其具體含義是指微波爐和電水壺混合運行時的電流特性，結果同樣在右側顯示。

圖9 單負荷與多負荷電流特性界面

通過負荷特征可視化界面可以清晰比較不同負荷之間的關聯，觀察圖9，可發現電水壺與微波爐電流波形相差較多，電水壺電流波形十分接近，正弦波屬于線性負荷，而微波爐的電流波形存在嚴重畸變，屬于非線性負荷，兩者混合運行時的電流波形畸變明顯減輕，其波峰系數與THD值均介于兩者之間，近似線性。

圖10為選擇包絡線特性后的界面，與電流特性界面相似，均在右邊展示負荷運行時的電流包絡，并將與電流包絡相關的特征參數，如脈沖電流、階躍電流、平均電流等，顯示在右下角的參數顯示框內。

圖10 單負荷與多負荷包絡線特性界面

4 結論

本文重點從居民用電負荷的微觀層面對其負荷特征進行深入探討，有助于更充分地挖掘不同負荷之間的區別與關聯，為居民負荷可視化研究奠定基礎。

選取用戶內部較為典型的家電設備作為研究對象，依據信號分析相關理論對負荷特征進行分析。選取幾種具有辨識性的特征，包括暫態特征和穩態特征。通過在實驗室中搭建電力數據測量平臺，模擬居民用戶中不同的用電場景，采集各負荷工作時的電壓和電流，然后利用一定的數學方法從中提取特征，形成負荷特征庫。最后利用Matlab建立負荷特征庫可視化界面，方便調用和分析特征庫的數據，為下一步負荷識別做準備。

負荷特征庫靈活性較強，可以隨時隨地進行完善補充，也可對一些內容進行刪除。當發現一種新型的可辨識性較強的特征時，可以對不同負荷進行提取，然后加入特征庫中，使其更加完善。為了方便對比分析不同負荷之間、單負荷與混合負荷之間特征的關聯，可以借助可視化界面對比較對象的特征同時調用顯示，從而可以清晰明了地比較不同負荷特征之間的區別和聯系。