一种基于负荷瞬时能量特征的电网电能负荷监测方法

摘要

一种基于负荷瞬时能量特征的电网电能负荷监测方法，在电网的电力供给入口处进行采样监测，获取电压离散信号和电流离散信号；再将采集到的电压、电流离散信号进行离散小波变换分解，得到各自对应的小波特征离散信号；根据小波特征离散信号分别计算得到电力供给入口处的瞬时电压以及瞬时电流；再计算确定采样处的负荷瞬时能量特征并将其作为电网电力供给入口处的电能负荷识别特征，采用非侵入式负载监测的负荷分析模型方法，执行电网的电能负荷监测。本发明能够用以表征负荷类型和性能特性，有助于提升电网电能负荷监测的准确性，提取电力供给入口处的负荷瞬时能量特征的处理过程不复杂，计算量较小，有助于提升电网电能负荷监测的整体效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统监测及规划技术领域，具体涉及一种基于负荷瞬时能量特征的电网 电能负荷监测方法。

背景技术

目前，电力系统的发展已经是关乎国计民生的重要组成部分。据统计数字显示，我国的 用电量随着经济的发展也在逐年增长。同时，传统电力工业向高度集约化、高度知识化、高 度技术化方向转变，电网已经成为世界上最大最复杂的机器之一。而随着传统能源的不断减 少以及伴随全球经济不断发展而不断增长的能源需求，能源的高效、优化利用是非常重要的。 能源的高效、优化利用在节约能源的同时也能减少污染，这对我们建设具有可持续性发展的 和谐型国家具有重要的社会效益和经济效益。对用户个人而言，能源的优化利用也能减少电 费支出，节省开支。而与电力系统和电网而言，对电力负荷的监视有助于对能源的高效、优 化利用，并且越来越受到大家的重视。比如通过负荷监测，能够知道哪种设备更加节能；通 过分析不同时间段的负荷大小和能源使用情况，我们可以更加合理地安排相关设备的启停及 工作状态。此外，对负荷的监测也有助于我们对负荷特性的近一步深入了解，能为相关部门 做好负荷预测、电网规划等工作提供参考信息。

目前的负荷监测系统大致可以分为侵入式(Intrusive)和非侵入式(Non-Intrusive)两大 类。

传统的侵入式负荷监测系统把传感器安装至各个负荷处，监控每个负荷的运行情况。传 统的侵入式负荷监测方法的一个显著特点是通常具有复杂的硬件和简单的软件。各监测点通 过电话线、电力载波等技术连接到中央数据处理器，而软件则只对观测数据做一些简单的处 理。虽然这些传感器简单、方便、易于使用，但是在安装和维护等方面需要大量的时间和金 钱。此外，传感器在植入电力系统时会降低系统可靠性，引起系统参数的变化，随着电力系 统的不断增大，以及对自动化水平和安全性、可靠性要求的提高。

为解决侵入式负荷监测系统的弊端，需要一种使用更方便、价格更低廉的新型负荷监测 方法，非侵入式负荷监测方法应运而生。非侵入式负荷监测(Non-IntrusiveLoadMonitoring， 缩写为NILM)与传统的侵入式负荷监测方法恰恰相反，它常配置简单的硬件和相对复杂的 分析软件，分析软件能够对采集数据进行复杂的数学分析，获得有用的信息。NILM系统只 需要在电力供给的入口处安装监测设备就可以对整个系统内部的负荷进行监测，不需要大量 的检测设备，同时节省了购买、安装和维护这些硬件设备所需要的金钱和时间。当然，NILM 还可以进行能源监测、故障监测、故障分析等多种类型的电能质量控制分析。

对于非侵入式负荷监测来说，负荷辨识方法是非常重要的内容。在这方面提出了很多不 同的理论和方法。非侵入式技术在电力行业的一个主要应用是对电力负荷进行在线分解和监 控，即利用电力负荷入口处的电压、电流及功率等信息，对其成分进行分析和研究。几十年 来，量侧、通信和计算机技术等领域飞速发展，非侵入式负荷监测系统分析处理方法也发生 了较大的变化。非侵入式负荷监测分析方法大致可以分为两大类，即基于负荷稳态特征的分 析方法和基于负荷暂态特征的分析方法。其中，稳态特征主要是指负荷的稳态基波、谐波功 率等特征。暂态特征主要指那些负荷开启瞬间的电压、电流等信号的变化规律，如暂态波形 及其结构等。

基于暂态特征相比基于稳态特征的非侵入式负荷监测而言难度更大一些，但暂态特征可 以补充稳态特征所提供信息的不足之处，使得负荷的监测和识别更加准确。一些拥有相同稳 态值的元件可能有不同的暂态启动电流，并且不同类型的负荷在投切过程中其暂态特性是独 一无二的。例如，电阻性负荷通常在切换时没有暂态值，或者存在时间很短(低于50赫兹期)； 以电动机来驱动的电泵等设备能产生长期暂态值；其他电动机驱动电器，如风扇、洗衣机、 搅拌机等设备，它们启动时的暂态值较小；而电子类电器(如电视机、录像机、计算机等) 的特点是有一个短但幅值较大的暂态启动值；荧光灯等小型电器有着较长的二阶暂态值。因 此，基于负荷的这些特性，可以通过检测负荷暂态特征值并以此得到每个负荷的运行模式， 实现较为准确的负荷监测。

基于暂态特征的非侵入式负荷监测，其具体监测方法可以分为两大步骤：步骤一，在电 网的电力供给入口处对负荷的电压、电流、功率或开关等事件信息进行采集，并从中提取出 能够作为负荷识别特征的负荷暂态特征；步骤二：将根据前述步骤提取到的负荷暂态特征， 基于所建立的非侵入式负载监测的负荷分析模型方法，执行电网的电能负荷监测。通过上述 基于暂态特征的非侵入式负荷监测过程可以看出，影响电网电能负荷监测准确性的重要因素 有主要有两个，一个是负荷暂态特征的提取，而另一个是负荷分析模型的建立。关于非侵入 式负载监测中负荷分析模型的建立及分析方法，目前已经有很多相关的研究，也取得了非常 多的研究成果。然而，关于非侵入式负载监测中负荷暂态特征提取的研究，却相对较少，若 负荷暂态特征的选择不够正确，难以准确的保留和体现负荷运行过程中的个性特征，或者对 负荷暂态特征的提取不够准备，都将会影响到电网电能负荷监测的准确性。同时，由于负荷 暂态特征的提取相对较为困难，如何能够通过较少的运算操作而提取到所需的负荷暂态特征， 也是提升负载监测整体效率的一个重要因素。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种基于负荷瞬时能量特征的电网电能负 荷监测方法，它从电网的电力供给入口处采样监测获得的电压离散信号和电流离散信号，来 提取获得负荷瞬时能量特征，执行电网的电能负荷监测，从而帮助提升电网电能负荷监测的 整体效率和准确性。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于负荷瞬时能量特征的电网电能负荷监测方法，包括如下步骤：

1)采用非侵入式负载监测的采集方式，在电网的电力供给入口处进行采样监测，获取电 力供给入口处采样的电压离散信号和电流离散信号；

2)将采集到的电压离散信号和电流离散信号进行离散小波变换分解，本发明这里的离散 小波变换分解采用了如参考文献“基于多尺度小波判据和时域特征关联的电缆早期故障检测 和识别方法”中的离散小波变换分解方法，得到所述电压离散信号和电流离散信号各自对应 的小波特征离散信号；

3)根据所述电压离散信号和电流离散信号各自对应的小波特征离散信号，分别计算得到 电力供给入口处的电压离散信号中各个采样点对应的瞬时电压以及电流离散信号中各个采样 点对应的瞬时电流；

4)根据电力供给入口处的电压离散信号中各个采样点对应的瞬时电压以及电流离散信号 中各个采样点对应的瞬时电流，计算确定电力供给入口处的负荷瞬时能量特征；

对于单相负荷，其负荷瞬时能量特征U_T1按如下方式计算确定：

$U_{T1}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}V\left(k\right)I\left(k\right);$

其中：

V(k)＝v(k)-v(k-1)；

$I\left(k\right)=\frac{\left(i\right(k)+i(k-1\left)\right)}{2};$

v(k)和v(k-1)分别表示电力供给入口处的电压离散信号中第k个采样点和第k-1个采 样点对应的瞬时电压，对于k＝1时，取v(k-1)＝0；i(k)和i(k-1)分别表示电力供给入口处 的电流离散信号中第k个采样点和第k-1个采样点对应的瞬时电流，对于k＝1时，取 i(k-1)＝0；k∈{1,2,…,K}，K表示电力供给入口处的电压离散信号和电流离散信号中的采 样点数；

对于三相负荷，其负荷瞬时能量特征U_T3按如下方式计算确定：

$U_{T3}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left(V_a\right(k\left)I_a\right(k)+V_b(k\left)I_b\right(k)+V_c(k\left)I_c\right(k\left)\right);$

其中：

V_a(k)＝v_a(k)-v_a(k-1)，V_b(k)＝v_b(k)-v_b(k-1)，V_c(k)＝v_c(k)-v_c(k-1)；

$\left(\begin{array}{ccc}{I}_a\left(k\right)=\frac{\left(i_a\right(k)+i_a(k-1\left)\right)}{2},& I_b\left(k\right)=\frac{\left(i_b\right(k)+i_b(k-1\left)\right)}{2},& I_c\left(k\right)=\frac{\left(i_c\right(k)+i_c(k-1\left)\right)}{2};\end{array}\right)$

v_a(k)、v_b(k)、v_c(k)分别表示电力供给入口处的a、b、c相电压离散信号中第k个采样 点对应的瞬时电压，v_a(k-1)、v_b(k-1)、v_c(k-1)分别表示电力供给入口处的a、b、c相电 压离散信号中第k-1个采样点对应的瞬时电压，对于k＝1时，取v_a(k-1)、v_b(k-1)和v_c(k-1) 的值均为0；i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)分别表示电力供给入口处的a、b、c相电流离散信号中第k 个采样点对应的瞬时电流，i_a(k-1)、i_b(k-1)、i_c(k-1)分别表示电力供给入口处的a、b、c 相电流离散信号中第k-1个采样点对应的瞬时电流，对于k＝1时，取i_a(k-1)、i_b(k-1)和 i_c(k-1)的值均为0；k∈{1,2,…,K}，K表示电力供给入口处的a、b、c相电压离散信号和电 流离散信号中的采样点数；

5)以步骤4)所确定的负荷瞬时能量特征作为电网电力供给入口处的电能负荷识别特征， 采用非侵入式负载监测的负荷分析模型方法，执行电网的电能负荷监测。

进一步的所述步骤1)中，进行采样的采样频率为12～16kHz，每个周波采样240～320 个采样点。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明从电网的电力供给入口处采样监测获得的电压离散信号和电流离散信号，通过 离散小波变换分解来得到其各自对应的小波特征离散信号，再借助该小波特征离散信号计算 得到电力供给入口处的电压离散信号中各个采样点对应的瞬时电压以及电流离散信号中各个 采样点对应的瞬时电流，借以确定电力供给入口处的负荷瞬时能量特征，较好的保留了负荷 在工作或投切过程中的暂态特性，能够用以表征负荷类型和性能特性。

2、采用提取到的电力供给入口处的负荷瞬时能量特征作为电能负荷识别特征执行电网的 电能负荷监测，较好的保留了负荷在工作或投切过程中的暂态特性，有助于提升电网电能负 荷监测的准确性。

3、提取电力供给入口处的负荷瞬时能量特征的处理过程更简便，计算量小，有助于提升 电网电能负荷监测的整体效率。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1是本发明基于负荷瞬时能量特征的电网电能负荷监测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面 结合具体实施方式对本发明作进一步阐述：

本发明提出了一种基于负荷瞬时能量特征的电网电能负荷监测方法，该方法借助从电网 的电力供给入口处采样监测获得的电压离散信号和电流离散信号，来提取获得负荷瞬时能量 特征，执行电网的电能负荷监测。具体流程如图1所示，包括如下步骤：

1)采用非侵入式负载监测的采集方式，在电网的电力供给入口处进行采样监测，获取电 力供给入口处采样的电压离散信号和电流离散信号。

该步骤中，在电网的电力供给入口处进行采样监测的具体方法，可以采用现有技术中非 侵入式负载监测的采集方法。而为了更好的保证采样得到的电压离散信号和电流离散信号有 利于后期负荷瞬时能量特征的提取需要，采样的采样频率最好为12～16kHz，每个周波采样最 好能达到240～320个采样点。

2)将采集到的电压离散信号和电流离散信号进行离散小波变换分解，得到所述电压离散 信号和电流离散信号各自对应的小波特征离散信号。

3)根据所述电压离散信号和电流离散信号各自对应的小波特征离散信号，分别计算得到 电力供给入口处的电压离散信号中各个采样点对应的瞬时电压以及电流离散信号中各个采样 点对应的瞬时电流。

根据电压离散信号和电流离散信号各自对应的小波特征离散信号分别确定电压离散信号 中各个采样点对应的瞬时电压以及电流离散信号中各个采样点对应的瞬时电流的具体分析计 算方法，可以参见我国文献“《小波变换与信号瞬时特征分析》；高静怀，汪文秉，朱光明； 地球物理学报，1997年11月，第6期，第40卷，”以及Robertson等人的技术文献 “D.C.Robertson,O.I.Camps,J.S.MayerandW.B.Gish,Sr.,“Waveletsandelectromagneticpower systemtransients”IEEETrans.PowerDel.,vol.11,no.2,pp.1050–1056,Apr.1996”，这已是现有技 术中较为成熟的计算处理方法，在此不再多加赘述。

4)根据电力供给入口处的电压离散信号中各个采样点对应的瞬时电压以及电流离散信号 中各个采样点对应的瞬时电流，计算确定电力供给入口处的负荷瞬时能量特征。

其中，对于单相负荷，其负荷瞬时能量特征U_T1按如下方式计算确定：

$U_{T1}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}V\left(k\right)I\left(k\right);$

其中：

V(k)＝v(k)-v(k-1)；

$I\left(k\right)=\frac{\left(i\right(k)+i(k-1\left)\right)}{2};$

v(k)和v(k-1)分别表示电力供给入口处的电压离散信号中第k个采样点和第k-1个采 样点对应的瞬时电压，对于k＝1时，取v(k-1)＝0；i(k)和i(k-1)分别表示电力供给入口处 的电流离散信号中第k个采样点和第k-1个采样点对应的瞬时电流，对于k＝1时，取 i(k-1)＝0；k∈{1,2,…,K}，K表示电力供给入口处的电压离散信号和电流离散信号中的采 样点数；

对于三相负荷，其负荷瞬时能量特征U_T3按如下方式计算确定：

$U_{T3}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left(V_a\right(k\left)I_a\right(k)+V_b(k\left)I_b\right(k)+V_c(k\left)I_c\right(k\left)\right);$

其中：

V_a(k)＝v_a(k)-v_a(k-1)，V_b(k)＝v_b(k)-v_b(k-1)，V_c(k)＝v_c(k)-v_c(k-1)；

$\left(\begin{array}{ccc}{I}_a\left(k\right)=\frac{\left(i_a\right(k)+i_a(k-1\left)\right)}{2},& I_b\left(k\right)=\frac{\left(i_b\right(k)+i_b(k-1\left)\right)}{2},& I_c\left(k\right)=\frac{\left(i_c\right(k)+i_c(k-1\left)\right)}{2};\end{array}\right)$

v_a(k)、v_b(k)、v_c(k)分别表示电力供给入口处的a、b、c相电压离散信号中第k个采样 点对应的瞬时电压，v_a(k-1)、v_b(k-1)、v_c(k-1)分别表示电力供给入口处的a、b、c相电 压离散信号中第k-1个采样点对应的瞬时电压，对于k＝1时，取v_a(k-1)、v_b(k-1)和v_c(k-1) 的值均为0；i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)分别表示电力供给入口处的a、b、c相电流离散信号中第k 个采样点对应的瞬时电流，i_a(k-1)、i_b(k-1)、i_c(k-1)分别表示电力供给入口处的a、b、c 相电流离散信号中第k-1个采样点对应的瞬时电流，对于k＝1时，取i_a(k-1)、i_b(k-1)和 i_c(k-1)的值均为0；k∈{1,2,…,K}，K表示电力供给入口处的a、b、c相电压离散信号和电 流离散信号中的采样点数。

5)以步骤4)所确定的负荷瞬时能量特征作为电网电力供给入口处的电能负荷识别特征， 采用非侵入式负载监测的负荷分析模型方法，执行电网的电能负荷监测。

由此，本发明提供借助从电网的电力供给入口处采样监测获得的电压离散信号和电流离 散信号，通过离散小波变换分解来得到其各自对应的小波特征离散信号，再借助该小波特征 离散信号计算得到电力供给入口处的电压离散信号中各个采样点对应的瞬时电压以及电流离 散信号中各个采样点对应的瞬时电流，借以确定电力供给入口处的负荷瞬时能量特征。由此 提取出的电力供给入口处的负荷瞬时能量特征，较好的保留了负荷在工作或投切过程中的暂 态特性，能够用以表征负荷类型和性能特性，是可以用于作为负荷识别特征的负荷暂态特征， 因此可以将其用以作为电能负荷识别特征执行电网的电能负荷监测，有助于提升电网电能负 荷监测的准确性。同时，由此过程取出电力供给入口处的负荷瞬时能量特征，处理过程更简 便，计算量较小，对于计算机的处理运算而言，有助于提升电网电能负荷监测的整体效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利 要求范围当中。