非侵入負(fù)荷監(jiān)測裝置及其工程應(yīng)用研究

程細(xì)南

（廣東匯源通集團(tuán)有限公司，佛山 528000）

1 引言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，我國居民用電逐漸呈現(xiàn)增速高、行為復(fù)雜、能耗高以及感知水平低的特征[1-3]。居民用電行為深度感知技術(shù)屬于智能電網(wǎng)技術(shù)，可以辨識(shí)居民電器種類、電量消耗以及啟停時(shí)間，通過清晰的記錄居民用電情況，可以避免出現(xiàn)電能的浪費(fèi)。深度感知技術(shù)包括侵入式和非侵入式兩種模式，侵入式需要入戶安裝監(jiān)測設(shè)備，而非侵入式則在入戶前安裝[4-5]。本次研究結(jié)合非侵入方式，采用負(fù)荷辨識(shí)算法，制定裝置樣機(jī)，通過測試，發(fā)現(xiàn)啟停時(shí)間測量精度超過88%，而且時(shí)間誤差在1s以下。具有較高的研究價(jià)值。

1 非侵入監(jiān)測技術(shù)簡介

1.1 侵入式和非侵入式監(jiān)測技術(shù)

侵入式監(jiān)測技術(shù)在應(yīng)用中，需要入戶安裝，在用戶家庭安裝網(wǎng)關(guān)和智能插座，其具有通信功能，該技術(shù)可以監(jiān)測用戶家庭的各個(gè)電器，具有較高的測量精度，但是在實(shí)際應(yīng)用中，需要安裝在用戶家庭，并且智能插座存在一定的耗電量，因而難以有效的推廣。另外，網(wǎng)關(guān)以及智能插座在應(yīng)用過程中，存在較高的建設(shè)成本，并且居民家庭無線信號(hào)的覆蓋率存在盲區(qū)，導(dǎo)致智能插座的應(yīng)用存在一定的不穩(wěn)定性。

非侵入式監(jiān)測技術(shù)在工程應(yīng)用中，在電表位置安裝采集電流和電壓的裝置，通過高級(jí)算法，可以分析用戶的用電規(guī)律，在安裝過程中，用戶并不存在感知，并且無需在用戶的家庭開展施工，便于應(yīng)用和推廣[6]。監(jiān)測設(shè)備的終端安裝在電表箱，由電力公司統(tǒng)一負(fù)責(zé)，監(jiān)測設(shè)備的終端安裝在電表上方，耗電量由電力公司承擔(dān)，監(jiān)測裝置配置了多個(gè)傳感器，可以識(shí)別多個(gè)用戶家庭的用電量，監(jiān)測裝置會(huì)將信息傳遞到主站，這樣可以降低硬件設(shè)備的投入，另外，其較高的辨識(shí)精度可以滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需求[7]。因此，與侵入式監(jiān)測技術(shù)對(duì)比而言，非侵入式監(jiān)測技術(shù)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 非侵入式裝置負(fù)荷辨識(shí)特征量組

非侵入式負(fù)荷監(jiān)測裝置在應(yīng)用過程中，會(huì)提取電器電壓和電流的特征，將其稱之為辨識(shí)特征量[8]。本次研究中，結(jié)合家庭電熱水器、電熱水壺以及定頻空調(diào)的獨(dú)立運(yùn)行來進(jìn)行分析，其功率曲線分別如圖1、圖2和圖3所示，在結(jié)合電器的基礎(chǔ)上，對(duì)功率曲線以及辨識(shí)特征量組進(jìn)行分析。

圖1 電熱水器功率曲線圖

（1）電熱水器。通過電阻發(fā)熱原理制造熱水，啟動(dòng)時(shí)不存在功率沖擊，將Ps、Qs、Kp和Td作為特征量組，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ps超過1200W，Qs＜50Var，Td＜10min且Kp＜1.05的情況下，可以確定電熱水器處于短時(shí)間加熱的狀態(tài)，而Pe和Ps相等時(shí)，電器停止運(yùn)動(dòng)。

圖2 電熱水壺功率曲線圖

圖3 定頻空調(diào)功率曲線圖

（2）電熱水壺采用電阻加熱，其運(yùn)行過程中，Ps超過1000W，Qs＜50Var，Td＜10min且Kp＜1.05的情況下，可以確定電熱水壺處于短時(shí)間加熱的狀態(tài)，而Pe和Ps相等時(shí)，電器停止運(yùn)動(dòng)。

（3）定頻空調(diào)是根據(jù)啟停壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)，并且由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在啟動(dòng)后，沖擊通常會(huì)持續(xù)0.3-0.5s，選擇Ps功率超過300W作為啟動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)，忽略Qs增量，其主要是由于無法確定無功增量；忽略Td增量，主要是由于空調(diào)運(yùn)行時(shí)間與室內(nèi)溫度存在直接的關(guān)聯(lián)。隨著空調(diào)的啟動(dòng)，有功功率會(huì)出現(xiàn)漂移，因此，Pe=KePs，Ke的系數(shù)選擇1-2，經(jīng)過分析，其運(yùn)行帶能量可以通過W=PeTd來運(yùn)算。

2 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

非侵入式負(fù)荷監(jiān)測裝置屬于智能化設(shè)備，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)組成部分，具體表現(xiàn)如下：

2.1 硬件設(shè)計(jì)分析

非侵入式負(fù)荷監(jiān)測裝置在硬件設(shè)計(jì)中，主要包括定制機(jī)箱、通信模塊、主板、數(shù)據(jù)采集卡以及采集單元等模塊，其具體硬件設(shè)計(jì)如下所示：

（1）采集單元的設(shè)計(jì)。該模塊主要負(fù)責(zé)變換和調(diào)理用戶電流和電壓，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)，在監(jiān)測系統(tǒng)配置電壓和電流傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)用戶用電情況的監(jiān)測，本次設(shè)計(jì)中，電壓傳感器選擇QNENG QBV200A02型號(hào)，電流傳感器選擇CSM100AP型號(hào)。

（2）數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)。該模塊主要負(fù)責(zé)采集輸出信號(hào)，且進(jìn)行AD采樣處理，系統(tǒng)會(huì)將電壓以及電流傳遞到主板，會(huì)精確的計(jì)算有功功率、無功功率和3次諧波特征量，另外，將數(shù)據(jù)采集卡功率設(shè)置為1KH，型號(hào)選擇NI公司的6008型號(hào)。

（3）工業(yè)主板設(shè)計(jì)。該模塊主要負(fù)責(zé)信號(hào)的處理以及辨識(shí)用戶的負(fù)荷，其主要功能如下：①計(jì)算用戶家庭用電功率；②FFT分析；③分析穩(wěn)態(tài)功率抬升功率Ps；④計(jì)算跌落功率Pe；⑤計(jì)算沖洗系數(shù)Kp；⑥計(jì)算持續(xù)時(shí)間Td；⑦完成信息維護(hù)和電量結(jié)算等工作。在本次硬件設(shè)計(jì)中，選擇安勤ECM-QM77型號(hào)，系統(tǒng)CPU選擇Intel I5-5200，系統(tǒng)內(nèi)存為8G，硬盤容量為500G，通過上述硬件，可以滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析需求。（4）通信模塊設(shè)計(jì)，該模塊主要負(fù)責(zé)將辨識(shí)度結(jié)果傳遞到主站，可以通過多種方式來傳遞信息，如485以及GPRS通信等情況，本次設(shè)計(jì)中，采用GPRS通信模式。

2.2 軟件設(shè)計(jì)分析

非侵入式監(jiān)測裝置在設(shè)計(jì)中，需要對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其總體流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

通過上圖的分析，發(fā)現(xiàn)其流程設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)辨識(shí)特征量的提取。在本次設(shè)計(jì)中，提取辨識(shí)特征量，可以對(duì)負(fù)荷進(jìn)行精確的分析，并且采用公式P=∫uidt來計(jì)算有功功率，在公式中，u表示電壓，i表示瞬時(shí)電流，在獲取電流和電壓信息后，運(yùn)用FFT可以對(duì)電流諧波以及無功功率進(jìn)行計(jì)算，對(duì)0.1s粒度功率曲線進(jìn)行掃描，可以提取功率的沖擊，并且在提取數(shù)據(jù)后，會(huì)將電器信息傳遞到特征庫，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電量的辨識(shí)。

（2）匹配算法啟動(dòng)點(diǎn)。在運(yùn)行過程中，可以檢測功率的抬升，包括跌落算法下的啟動(dòng)點(diǎn)以及具有沖擊的有功抬升。

（3）電器匹配算法。在電器功率抬升之后，按照算法邏輯來進(jìn)行計(jì)算，如果電器附帶沖擊，企業(yè)Ps＞300W，持續(xù)0.3-0.5s以上，且Kp＞2的情況下，則可以判定空調(diào)屬于啟動(dòng)狀態(tài)，并且監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)將信息傳遞到列表中。如果不附帶沖擊，同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)滿足Kp＜1.05，Ps＞1000以及Qs＜50Var，則電熱設(shè)備處于啟動(dòng)狀態(tài)。

在功率跌落時(shí)，通過算法邏輯對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測，監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)對(duì)電器列表的歷史特征進(jìn)行分析，在匹配功率的情況下，查找抬升功率Ps、歷史特征以及跌落功率Pe，并且獲取持續(xù)時(shí)間Td，在計(jì)算判定中，如果Pe=KePs，則可以判定電器屬于定頻空調(diào)，另外，在Td＞15min的情況下，則可以判定為電熱水器加工。而Ps=PWH的情況下，且Td＜10min，則可以判定工作狀況為熱水器保溫。在熱水壺加熱狀態(tài)下，Td＜10min，Ps≠PWH。

（4）處理辨識(shí)結(jié)果。在監(jiān)測系統(tǒng)處理完成信息后，會(huì)將辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行處理，并且將電量以及持續(xù)時(shí)間發(fā)送到主站，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的協(xié)調(diào)處理。

3 非侵入裝置的具體應(yīng)用

本次研究中，將監(jiān)測裝置安裝在某公司員工宿舍，在定頻空調(diào)、電熱水器以及熱水壺上安裝智能插座，分析啟停時(shí)間和電量。另外，宿舍包括電腦以及洗衣機(jī)等電器，構(gòu)成復(fù)雜環(huán)境。測試選擇當(dāng)天13-14點(diǎn)，在測試過程中，發(fā)現(xiàn)熱水器啟動(dòng)2次，熱水壺啟動(dòng)3次，空調(diào)啟動(dòng)3次，結(jié)果如表1所示。通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測裝置的啟停次數(shù)正確，誤差在1s以內(nèi)，而總體精度超過88%，另外，其存在的誤差可能是由于電腦以及洗衣機(jī)功率的變化而產(chǎn)生的差異，但是總體而言，其對(duì)于負(fù)荷的辨識(shí)具有較高的精度和準(zhǔn)確性。

表1 非侵入裝置采集數(shù)據(jù)結(jié)果表

4 結(jié)束語

非入侵式辨識(shí)技術(shù)屬于智能電網(wǎng)的監(jiān)測技術(shù)，本次研究設(shè)計(jì)了辨識(shí)算法以及監(jiān)測裝置，并且對(duì)現(xiàn)場家用電器進(jìn)行監(jiān)測，通過分析發(fā)現(xiàn)，該方式可以確定電量，并且精度超過88%，誤差時(shí)間小于1s，具有較高的監(jiān)測效果。