非侵入負荷監測裝置及其工程應用研究

程細南

（廣東匯源通集團有限公司，佛山 528000）

1 引言

隨著現代化建設進程的不斷加快，我國居民用電逐漸呈現增速高、行為復雜、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屬于智能電網技術，可以辨識居民電器種類、電量消耗以及啟停時間，通過清晰的記錄居民用電情況，可以避免出現電能的浪費。深度感知技術包括侵入式和非侵入式兩種模式，侵入式需要入戶安裝監測設備，而非侵入式則在入戶前安裝[4-5]。本次研究結合非侵入方式，采用負荷辨識算法，制定裝置樣機，通過測試，發現啟停時間測量精度超過88%，而且時間誤差在1s以下。具有較高的研究價值。

1 非侵入監測技術簡介

1.1 侵入式和非侵入式監測技術

侵入式監測技術在應用中，需要入戶安裝，在用戶家庭安裝網關和智能插座，其具有通信功能，該技術可以監測用戶家庭的各個電器，具有較高的測量精度，但是在實際應用中，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，網關以及智能插座在應用過程中，存在較高的建設成本，并且居民家庭無線信號的覆蓋率存在盲區，導致智能插座的應用存在一定的不穩定性。

非侵入式監測技術在工程應用中，在電表位置安裝采集電流和電壓的裝置，通過高級算法，可以分析用戶的用電規律，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，便于應用和推廣[6]。監測設備的終端安裝在電表箱，由電力公司統一負責，監測設備的終端安裝在電表上方，耗電量由電力公司承擔，監測裝置配置了多個傳感器，可以識別多個用戶家庭的用電量，監測裝置會將信息傳遞到主站，這樣可以降低硬件設備的投入，另外，其較高的辨識精度可以滿足系統的應用需求[7]。因此，與侵入式監測技術對比而言，非侵入式監測技術具有較高的應用價值。

1.2 非侵入式裝置負荷辨識特征量組

非侵入式負荷監測裝置在應用過程中，會提取電器電壓和電流的特征，將其稱之為辨識特征量[8]。本次研究中，結合家庭電熱水器、電熱水壺以及定頻空調的獨立運行來進行分析，其功率曲線分別如圖1、圖2和圖3所示，在結合電器的基礎上，對功率曲線以及辨識特征量組進行分析。

圖1 電熱水器功率曲線圖

（1）電熱水器。通過電阻發熱原理制造熱水，啟動時不存在功率沖擊，將Ps、Qs、Kp和Td作為特征量組，通過試驗發現，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間加熱的狀態，而Pe和Ps相等時，電器停止運動。

圖2 電熱水壺功率曲線圖

圖3 定頻空調功率曲線圖

（2）電熱水壺采用電阻加熱，其運行過程中，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間加熱的狀態，而Pe和Ps相等時，電器停止運動。

（3）定頻空調是根據啟停壓縮機來實現對溫度的調節，并且由異步電動機驅動，在啟動后，沖擊通常會持續0.3-0.5s，選擇Ps功率超過300W作為啟動判定標準，忽略Qs增量，其主要是由于無法確定無功增量；忽略Td增量，主要是由于空調運行時間與室內溫度存在直接的關聯。隨著空調的啟動，有功功率會出現漂移，因此，Pe=KePs，Ke的系數選擇1-2，經過分析，其運行帶能量可以通過W=PeTd來運算。

2 非侵入式負荷監測裝置的設計

非侵入式負荷監測裝置屬于智能化設備，在應用設計中，包括硬件設計和軟件設計兩個組成部分，具體表現如下：

2.1 硬件設計分析

非侵入式負荷監測裝置在硬件設計中，主要包括定制機箱、通信模塊、主板、數據采集卡以及采集單元等模塊，其具體硬件設計如下所示：

（1）采集單元的設計。該模塊主要負責變換和調理用戶電流和電壓，將電信號轉換成為模擬信號，在監測系統配置電壓和電流傳感器，可以實現對多個用戶用電情況的監測，本次設計中，電壓傳感器選擇QNENG QBV200A02型號，電流傳感器選擇CSM100AP型號。

（2）數據采集卡設計。該模塊主要負責采集輸出信號，且進行AD采樣處理，系統會將電壓以及電流傳遞到主板，會精確的計算有功功率、無功功率和3次諧波特征量，另外，將數據采集卡功率設置為1KH，型號選擇NI公司的6008型號。

（3）工業主板設計。該模塊主要負責信號的處理以及辨識用戶的負荷，其主要功能如下：①計算用戶家庭用電功率；②FFT分析；③分析穩態功率抬升功率Ps；④計算跌落功率Pe；⑤計算沖洗系數Kp；⑥計算持續時間Td；⑦完成信息維護和電量結算等工作。在本次硬件設計中，選擇安勤ECM-QM77型號，系統CPU選擇Intel I5-5200，系統內存為8G，硬盤容量為500G，通過上述硬件，可以滿足系統的數據存儲和分析需求。（4）通信模塊設計，該模塊主要負責將辨識度結果傳遞到主站，可以通過多種方式來傳遞信息，如485以及GPRS通信等情況，本次設計中，采用GPRS通信模式。

2.2 軟件設計分析

非侵入式監測裝置在設計中，需要對軟件進行設計，其總體流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

通過上圖的分析，發現其流程設計主要體現在以下幾個方面：

（1）對辨識特征量的提取。在本次設計中，提取辨識特征量，可以對負荷進行精確的分析，并且采用公式P=∫uidt來計算有功功率，在公式中，u表示電壓，i表示瞬時電流，在獲取電流和電壓信息后，運用FFT可以對電流諧波以及無功功率進行計算，對0.1s粒度功率曲線進行掃描，可以提取功率的沖擊，并且在提取數據后，會將電器信息傳遞到特征庫，以此來實現對用戶電量的辨識。

（2）匹配算法啟動點。在運行過程中，可以檢測功率的抬升，包括跌落算法下的啟動點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，按照算法邏輯來進行計算，如果電器附帶沖擊，企業Ps＞300W，持續0.3-0.5s以上，且Kp＞2的情況下，則可以判定空調屬于啟動狀態，并且監測系統會將信息傳遞到列表中。如果不附帶沖擊，同時監測系統滿足Kp＜1.05，Ps＞1000以及Qs＜50Var，則電熱設備處于啟動狀態。

在功率跌落時，通過算法邏輯對系統進行檢測，監測系統會對電器列表的歷史特征進行分析，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，并且獲取持續時間Td，在計算判定中，如果Pe=KePs，則可以判定電器屬于定頻空調，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。在熱水壺加熱狀態下，Td＜10min，Ps≠PWH。

（4）處理辨識結果。在監測系統處理完成信息后，會將辨識結果進行處理，并且將電量以及持續時間發送到主站，以此來實現對信息的協調處理。

3 非侵入裝置的具體應用

本次研究中，將監測裝置安裝在某公司員工宿舍，在定頻空調、電熱水器以及熱水壺上安裝智能插座，分析啟停時間和電量。另外，宿舍包括電腦以及洗衣機等電器，構成復雜環境。測試選擇當天13-14點，在測試過程中，發現熱水器啟動2次，熱水壺啟動3次，空調啟動3次，結果如表1所示。通過現場測試發現，監測裝置的啟停次數正確，誤差在1s以內，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功率的變化而產生的差異，但是總體而言，其對于負荷的辨識具有較高的精度和準確性。

表1 非侵入裝置采集數據結果表

4 結束語

非入侵式辨識技術屬于智能電網的監測技術，本次研究設計了辨識算法以及監測裝置，并且對現場家用電器進行監測，通過分析發現，該方式可以確定電量，并且精度超過88%，誤差時間小于1s，具有較高的監測效果。