非侵入式用電行為感知技術(shù)探討

何之倬 程玉 李亞 顧培秀 王子暢

摘要：介紹了非侵入式用電行為感知技術(shù)框架，對非侵入式用電負(fù)荷的采集處理與算法進(jìn)行了研究，闡述了非侵入式用電行為感知技術(shù)的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：非侵入式用電;行為感知;負(fù)荷監(jiān)測

0 引言

現(xiàn)階段我國負(fù)荷監(jiān)測工作在電力系統(tǒng)中的作用越來越重要。傳統(tǒng)的負(fù)荷監(jiān)測方法中，負(fù)荷配電的輸出端以及傳感器設(shè)備的監(jiān)測、侵入式監(jiān)測、負(fù)荷維護(hù)及設(shè)備安裝等都需要投入大量的金錢與時間，且硬件維護(hù)的成本較高。因此，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測方式（NILM）的應(yīng)用與研究，通過在電力入口處安裝監(jiān)測設(shè)備，保證對入口處電壓、電流等數(shù)據(jù)信息的分解與采集，進(jìn)而獲取電力系統(tǒng)內(nèi)單個負(fù)荷的類別與運(yùn)行狀況。

用電行為感知技術(shù)是一種通過對電力用戶負(fù)荷入口處的電壓、電流等信息進(jìn)行測量、計(jì)算、分析，實(shí)現(xiàn)對用戶所屬環(huán)境內(nèi)部主要用電設(shè)備各自的電能消耗進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)的一種全新的負(fù)荷監(jiān)測與計(jì)量技術(shù)。供電公司利用用電行為感知技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全時段、精細(xì)化的用戶用電行為感知以及用電電器工況監(jiān)測，支持節(jié)能設(shè)備改造和優(yōu)化、錯峰用電等業(yè)務(wù)的開展，提升供電公司精準(zhǔn)營銷能力。用電行為感知技術(shù)目前大致可分為入戶式用電行為感知技術(shù)和非入戶式用電行為感知技術(shù)。其中，非入戶式用電行為感知技術(shù)與載波通信研究密切相關(guān)，屬于用電信息采集深化應(yīng)用研究的一個重要方向，其內(nèi)容就是基于多負(fù)荷工作條件，實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷運(yùn)行情況、類型、數(shù)量的管理與監(jiān)測，如何從監(jiān)測到的疊加信息中分離出各種負(fù)荷信息是非侵入式負(fù)荷監(jiān)測的主要難點(diǎn)。

1 非侵入式用電行為感知技術(shù)框架

非侵入式用電行為感知技術(shù)是指無需進(jìn)行傳感器的安裝，只需在電表端安裝具有用電行為感知監(jiān)測功能的電能表或終端，通過相應(yīng)的軟件算法即可實(shí)現(xiàn)對用戶用電行為的智能感知，主要借助電能表、終端等設(shè)備，通過數(shù)據(jù)采集與處理、投切事件檢測、負(fù)荷特征提取、負(fù)荷識別4個步驟，對用戶各類負(fù)荷情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與分析。其原理框架如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集與處理?；趥鞲衅鞑杉K端負(fù)荷信號，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)降噪以及各類電器信息數(shù)據(jù)的處理與標(biāo)準(zhǔn)化控制。該操作誤差一方面是由于采集測量裝置本身具有不確定性，在不同的采集裝置處理中，不同使用時間，采集同一個用電設(shè)備的測量結(jié)果有所不同;另一方面是由于數(shù)據(jù)傳輸、壓縮等造成數(shù)據(jù)混亂、丟失等。

（2）投切事件檢測。對于電器的檢測，可以針對實(shí)際運(yùn)行過程中的投切情況以及運(yùn)轉(zhuǎn)變化情況進(jìn)行處理，主要是根據(jù)負(fù)荷特征的變化來判斷是否有用電設(shè)備投切，在電器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)變化時，可以看作是新的電器投切變化。

（3）負(fù)荷特征提取。負(fù)荷投切事件的檢測是基于對負(fù)荷特征的有效提取，而該步驟的重難點(diǎn)就是如何實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷特征的合適選擇與提取。

（4）負(fù)荷識別。根據(jù)家庭用電負(fù)荷監(jiān)測數(shù)據(jù)，如電壓、電流信號，通過對信號中特征參數(shù)或電氣特性分析，可以識別出負(fù)荷種類，用戶能夠恰當(dāng)安排不同負(fù)荷處于不同運(yùn)行時間，降低電能損耗等。

2 非侵入式用電負(fù)荷采集處理與算法研究

2.1? ? 非侵入式用電負(fù)荷采集處理

常見的家庭負(fù)荷可分為3類：（1）有少量諧波的阻性負(fù)荷，如電飯煲、電暖爐等，具有平緩的暫態(tài)過程;（2）諧波含量較高的容性負(fù)荷，如液晶電視和筆記本電腦等，投切中沖擊電流明顯;（3）有較高諧波的感性負(fù)荷，如熒光燈、洗衣機(jī)和空調(diào)等。3種類型的負(fù)荷供電都是由同一條線路完成，在住宅配電線路進(jìn)線處安裝數(shù)據(jù)采集裝置就能實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集過程中因?yàn)殡娏骰ジ衅鞯拇嬖?，會出現(xiàn)高斯白噪聲，需要采取相關(guān)措施進(jìn)行去噪處理，使用較多的方法是小波去噪處理，可選取小波閾值來進(jìn)行去噪，其主要過程如下：

式中：σ=MAD/0.674 5，MAD為首層小波分解系數(shù)絕對值的中間值，0.674 5為高斯噪聲標(biāo)準(zhǔn)方差的調(diào)整系數(shù);N為信號的尺寸或長度。

對小波系數(shù)進(jìn)行非線性閾值處理，為保持信號的整體形狀不變，保留所有的低頻變換系數(shù)對小波系數(shù)差值盡可能小，采用硬閾值和軟閾值方法進(jìn)行處理。

小波閾值的性能受到其選取與估計(jì)兩個因素影響，一個是閾值的選取，另一個是對閾值的具體估計(jì)。如果閾值太小，降噪后的信號仍然含有噪聲，相反如果閾值太大，去噪過程中會濾除原數(shù)據(jù)信號中重要的信號特征，造成偏差。

2.2? ? 非侵入式用電負(fù)荷算法研究

現(xiàn)階段負(fù)荷識別的主要算法包含基于負(fù)荷穩(wěn)態(tài)值以及負(fù)荷暫態(tài)特征參數(shù)的兩個重要算法，基于穩(wěn)態(tài)值的計(jì)算方式是符合辨識參數(shù)的計(jì)算而實(shí)現(xiàn)的信息數(shù)據(jù)計(jì)算，通過穩(wěn)態(tài)值可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備信息頻率以及計(jì)算能力的采集，進(jìn)而保證計(jì)算機(jī)計(jì)算速度與計(jì)算處理能力的提高，增強(qiáng)其辨識度與準(zhǔn)確率，在不同負(fù)荷狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對電氣特性、參數(shù)情況、工作狀態(tài)的分析。而在家庭中，用電入口的功率有無是信號變化的主要原因。在負(fù)荷的開關(guān)過程中，電流會出現(xiàn)瞬態(tài)與暫態(tài)的變化，然后基于穩(wěn)態(tài)參數(shù)的測量過程，實(shí)現(xiàn)對不同穩(wěn)態(tài)條件下參數(shù)的測量與設(shè)計(jì)，獲取不同穩(wěn)態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷的識別與計(jì)算。這種方法的重點(diǎn)就是針對不同負(fù)荷情況進(jìn)行對暫態(tài)特性的不同類型選擇。

通過負(fù)荷分解算法中單層與多層兩種不同的架構(gòu)方式，可以實(shí)現(xiàn)對不同量以及不同維度特征的辨識與計(jì)算。針對計(jì)算量較大且難以實(shí)現(xiàn)快速分解的情況，應(yīng)當(dāng)采用單層分類算法，針對相似性較高且結(jié)構(gòu)更加細(xì)致的分解情況時，應(yīng)當(dāng)采用多層分解算法。然而，在對每層的特征與樣本進(jìn)行分類選擇時，應(yīng)當(dāng)從計(jì)算量以及設(shè)計(jì)難度角度進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效分類，大幅度降低設(shè)計(jì)難度、計(jì)算量。

3 非侵入式用電行為感知技術(shù)應(yīng)用

借助非入戶式監(jiān)測終端，通過模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)算法分析，實(shí)時監(jiān)測識別各類負(fù)荷用電數(shù)據(jù)、運(yùn)行工況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)用電異常時，主動向主站發(fā)送報警信號，可以有效保護(hù)用戶用電安全。同時，利用非侵入式用電行為感知技術(shù)，增強(qiáng)物業(yè)對各場館設(shè)備負(fù)荷的了解，從而合理安排用電設(shè)備的使用時間或甩負(fù)荷的方式，調(diào)節(jié)谷峰差，降低網(wǎng)損，達(dá)到節(jié)能減耗的目的。

（1）用電安全管理。實(shí)時監(jiān)測用戶用電行為，當(dāng)發(fā)現(xiàn)用電異常時，主動向主站發(fā)送報警信號，并能在緊急情況下進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷控制，有效保護(hù)用戶用電安全，防止其他安全隱患的發(fā)生。

（2）用電行為監(jiān)測。對用戶的用電習(xí)慣進(jìn)行分析和監(jiān)測，當(dāng)非正常習(xí)慣的用電行為發(fā)生時，可實(shí)時通知主站進(jìn)行相應(yīng)的提醒與報警，為居民生活的智慧化管理提供支持。

（3）違約用電識別。可實(shí)時識別用戶的違約用電行為，如小作坊使用居民用電進(jìn)行電焊作業(yè)等行為，為違約用電檢查提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，保證供電公司的合法權(quán)益。

（4）能效管理。電力公司通過提高對用戶負(fù)荷的了解，從而合理安排用電設(shè)備的使用時間或甩負(fù)荷的方式，調(diào)節(jié)峰谷差，降低網(wǎng)損，達(dá)到節(jié)能損耗并提升用戶用電意識的目的。

（5）輔助電價政策。結(jié)合電力系統(tǒng)供需狀況制定電價政策，用戶在系統(tǒng)需要或電力緊張時減少電力需求，并以此獲得優(yōu)惠電價，只要負(fù)荷辨識精確到電器，就可以得知空調(diào)、電動汽車充電以及熱水器運(yùn)行狀態(tài)，從而便于電力公司補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的制定以及用戶違約用電的判定。

非入戶式用電行為感知技術(shù)應(yīng)用如圖2所示。

4 結(jié)語

隨著近些年互聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)在我國電力行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，云計(jì)算與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力行業(yè)中的普及性越來越高，真正促使我國電力行業(yè)走向科學(xué)、高效的發(fā)展道路。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李琳，魏鑫，孫勝宇.居民側(cè)智能用電泛在感知技術(shù)與多元精準(zhǔn)服務(wù)研究[J].供用電，2019，36（6）：10-15.

[2] 朱文俊，王毅，羅敏，等.面向海量用戶用電特性感知的分布式聚類算法[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（12）：21-27.

[3] 孫毅，許鵬，武昕，等.面向用電側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測的時空壓縮感知方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（8）：2351-2357.

[4] 王繼業(yè)，鄧春宇，鄭亞芹，等.基于HDBSCAN動態(tài)跟蹤客戶用電行為模式[J].供用電，2019，36（1）：10-16.

[5] 許鵬，孫毅，石墨，等.負(fù)荷態(tài)勢感知：概念、架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2018，38（10）：2918-2926.

收稿日期：2020-07-01

作者簡介：何之倬（1991—），女，遼寧營口人，工程師，研究方向：非侵入式用電。