基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法及系统，方法包括：在用户的用电入口处对有功功率以及无功功率进行监测；当所述的有功功率以及无功功率发生变化时，采集变化时刻对应的暂态波形；从所述的暂态波形中提取出家用负荷开关对应的暂态波形；确定家用负荷开关对应的暂态波形与预设的模板库中各个家用负荷模板的贴近度；将所述的贴近度组成隶属度矩阵；根据所述的隶属度矩阵识别家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板。采用以家用负荷的暂态特征为主，稳态特征为辅的特征量，度量家用负荷与模板库中负荷的接近程度，可准确识别出家庭常用的较大功率负荷，对于负荷功率的波动具有鲁棒性。
【专利说明】基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明关于负荷识别【技术领域】，特别是关于家庭用电的负荷识别技术，具体的讲是一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法及系统。
【背景技术】
[0002]家庭用电的分类计量是电表智能化的一个必然要求。目前使用的电表仅仅实现了总电量的分时计量，而没有按照负荷进行分类计量的功能。家用负荷识别就是为了实现电费的分类计量，使用户的电费清单像电话费清单一样，各类家用负荷的用电谁多谁少一目了然。这可以使家庭用户及时了解自己的用电情况，为用户合理分配各个电器的用电时间及相应的用电量提供一个参考，从而减少电费的支出，有效地降低能源的消耗和浪费。
[0003]现有的家庭用电负荷识别的主要研究方法包括侵入式和非侵入式两种。其中，侵入式法需要在每个用电系统上安装计量仪表，该方法得到的数据虽然准确，但其由于安装了计量仪表导致成本很高，且安装复杂，维护困难。非侵入式法只在用户的电力供给入口处安装计量仪表来实时监测和采集数据，即在一户一表的基础上实现负荷的分类计量。该方法成本低易于安装，适合在线监测。相对于侵入式法，非侵入式法对用户和管理者更有吸引力，是未来家用负荷识别的重要方向之一。但是在非侵入法中，如何通过负荷的不同特征对家用负荷进行识别和计量是当前研究的主要难题。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提出了一种基于家用负荷开关暂态特征贴近度识别其开启和关闭的非侵入式方法，采用以家用负荷的暂态特征为主，稳态特征为辅的特征量，结合其它家用负荷满足的时间特征、开关逻辑关系，度量家用负荷与模板库中负荷的接近程度，可准确识别出家庭常用的较大功率负荷，对于负荷功率的波动具有鲁棒性。
[0005]本发明的目的之一是，提供一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法，包括:在用户的用电入口处对有功功率以及无功功率进行监测；当所述的有功功率以及无功功率发生变化时，采集变化时刻对应的暂态波形；从所述的暂态波形中提取出家用负荷开关对应的暂态波形；确定家用负荷开关对应的暂态波形与预设的模板库中各个家用负荷模板的贴近度；将所述的贴近度组成隶属度矩阵；根据所述的隶属度矩阵识别家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板。
[0006]本发明的目的之一是，提供了一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别系统，包括:监测装置，用于在用户的用电入口处对有功功率以及无功功率进行监测；暂态波形采集装置，用于当所述的有功功率以及无功功率发生变化时，采集变化时刻对应的暂态波形；家用暂态波形提取装置，用于从所述的暂态波形中提取出家用负荷开关对应的暂态波形；贴近度确定装置，用于确定家用负荷开关对应的暂态波形与预设的模板库中各个家用负荷模板的贴近度；隶属度矩阵确定装置，用于将所述的贴近度组成隶属度矩阵；家用负荷识别装置，用于根据所述的隶属度矩阵识别家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板。
[0007]本发明的有益效果在于，针对现有技术中存在的上述技术问题，通过将家用负荷开关时的暂态波形和功率变化值作为特征量，将采集的暂态波形与模板库中的负荷波形进行匹配，依据相似度原理确定结果，对于不易识别的家用负荷则增加局部波形作为特征量进行再匹配，提高了识别效率，可准确识别出家庭常用的较大功率负荷，对于负荷功率的波动具有鲁棒性。
[0008]为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0010]图1为本发明实施例提供的一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法的实施方式一的流程图；
[0011]图2为本发明实施例提供的一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法的实施方式二的流程图；
[0012]图3为图1中的步骤S103的具体流程图；
[0013]图4为图1中的步骤S106的具体流程图；
[0014]图5为图4中的步骤S408的具体流程图；
[0015]图6为本发明实施例提供的一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别系统的实施方式一的结构框图；
[0016]图7为本发明实施例提供的一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别系统的实施方式二的结构框图；
[0017]图8为本发明实施例提供的一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别系统中家用暂态波形提取装置的结构示意图；
[0018]图9为本发明实施例提供的一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别系统中家用负荷识别装置的结构示意图；
[0019]图10为本发明实施例提供的一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别系统中第二识别模块的结构示意图；
[0020]图11为本发明提供的具体实施例中15:00至24:00的综合负荷功率示意图；
[0021]图12为图11的具体实施例中电视机关闭的暂态波形功率放大图；
[0022]图13为本发明提供的模板库中电视机关闭的暂态波形功率放大图；
[0023]图14为本发明提供的模板库中冰箱关闭的暂态波形功率放大图；
[0024]图15所示为采集的冰箱有功功率暂态波形示意图；
[0025]图16为采集的冰箱无功功率暂态波形示意图；
[0026]图17为冰箱有功功率暂态波形局部特征波形示意图；[0027]图18为冰箱无功功率暂态波形局部特征波形示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]图1为本发明实施例提供的一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法的实施方式一的流程图，由图1可知，在实施方式一中，该方法具体包括:
[0030]SlOl:在用户的用电入口处对有功功率以及无功功率进行监测。如图11为所示的15:00点至24:00点之间的综合负荷有功功率示意图，该图即为15:00点至24:00点之间对某用户的有功功率进行监测得到的。在具体的实施方式中，该步骤可通过智能电表实现。
[0031]S102:当所述的有功功率以及无功功率发生变化时，采集变化时刻对应的暂态波形。发生扰动或家用负荷的开关时，有功功率以及无功功率会发生变化。如图11为所示的15:00点至24:00点之间的综合负荷功率示意图上可见,期间有功功率和无功功率发生数次变化，对应数个暂态波形，这些变化有扰动导致的，也有家用负荷的开关导致的。在具体的实施方式中，可设置触发器，当触发器动作时，采集暂态波形。
[0032]S103:从所述的暂态波形中提取出家用负荷开关对应的暂态波形，也即该步骤需要将图11所述的数个暂态波形中提取出由于家用负荷开关导致变化的暂态波形。图3为图1中的步骤S103的具体流程图，由图3可知，该步骤具体包括:
[0033]S301:从所述的暂态波形中确定出有功功率以及无功功率的最大值以及最小值。图12为图11中箭头所示处的暂态波形的放大图,从图12中读取中有功功率和无功功率的
最大值、最小值。
[0034]S302:确定所述有功功率以及无功功率的最大值以及最小值的差值；
[0035]S303:当所述的差值大于预设的扰动阈值时，提取所述的暂态波形；
[0036]S304:所述的暂态波形即为家用负荷开关对应的暂态波形。
[0037]在具体的实施方式中，扰动阈值可根据具体的使用场景预先设定，通过实际的家用负荷情况和大量的实验确定，诸如设置T1为100瓦。扰动阈值的设定直接可将由扰动引起的暂态波形滤除出去，仅提取出由家用负荷开关引起的暂态波形。
[0038]确定出由家用负荷开关引起的暂态波形后，即可开始与预设的模板进行匹配，进而识别出当前暂态波形对应的模板，进而确定出当前暂态波形对应的具体家用负荷及其开或关。根据功率的变化差值、开关匹配及时间特征进行预筛选。在本发明的其他实施方式中，此处还可包括如下步骤:
[0039]根据所述的差值从预设的模板库中提取出家用负荷开关对应的暂态波形的模板子库。诸如:开关匹配可以排除不合逻辑的情况。如某家用负荷在此之前已经打开，则此刻不可能再打开；或者之前还未开启，则此刻不可能关闭。时间特征检测则可根据家用负荷的时间特征对其进行筛选。如冰箱周期性启停，每隔约80min开启一次，工作约10-15min，微波炉单次工作时间不会超过30min，不符合该时间范围的情况予以排除。如此，后续的步骤S104至S106则可直接与模板子库中的模板进行匹配。[0040]由图1可知，在实施方式一中，该方法还包括:
[0041]S104:确定家用负荷开关对应的暂态波形与预设的模板库中各个家用负荷模板的贴近度。下面简述贴近度的具体含义。
[0042]距离用于度量两个对象的差异程度，最常见的距离测度是欧氏距离。由负荷波形可得到两个多维向量x、y，其欧氏距离为:
【权利要求】
1.一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别方法，其特征是，所述的方法包括: 在用户的用电入口处对有功功率以及无功功率进行监测； 当所述的有功功率以及无功功率发生变化时，采集变化时刻对应的暂态波形； 从所述的暂态波形中提取出家用负荷开关对应的暂态波形； 确定家用负荷开关对应的暂态波形与预设的模板库中各个家用负荷模板的贴近度； 将所述的贴近度组成隶属度矩阵； 根据所述的隶属度矩阵识别家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的方法还包括: 预先采集各类家用负荷开关对应的有功功率和无功功率的暂态波形、稳态功率值以及时间特征； 根据所述的暂态波形、稳态功率值以及时间特征建立各类家用负荷开关对应的模板，组成模板库。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，从所述的暂态波形中提取出家用负荷开关对应的暂态波形具体包括: 从所述的暂态波形中确定出有功功率以及无功功率的最大值以及最小值； 确定所述有功功率以及无功功率的最大值以及最小值的差值； 当所述的差值大于预设的扰动阈值时，提取所述的暂态波形； 所述的暂态波形即为家用负荷开关对应的暂态波形。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的方法还包括: 根据所述的差值从预设的模板库中提取出家用负荷开关对应的暂态波形的模板子库。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征是，根据所述的隶属度矩阵识别家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板具体包括: 对所述的隶属度矩阵进行加权，得到综合隶属度向量； 从所述的综合隶属度向量中选取出最大的分量； 当所述最大的分量大于预设的信任度阈值时，从所述的综合隶属度向量中选取出次大的分量； 确定所述最大的分量与所述次大的分量的差值； 当所述的差值大于预设的相似阈值时，所述家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板即为最大的分量所属的模板； 否则，对所述的家用负荷开关对应的暂态波形进行再匹配。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，对所述的家用负荷开关对应的暂态波形进行再匹配具体包括: 从家用负荷开关对应的暂态波形中选取扩展特征量； 确定所述的扩展特征量与模板库中各个模板的贴近度； 将所述的贴近度组成扩展隶属度矩阵； 对所述的扩展隶属度矩阵进行加权，得到扩展隶属度向量； 从所述的扩展隶属度向量中选取出最大的分量； 所述最大的分量所属的模板即为所述家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板。
7.一种基于暂态特征贴近度匹配的家用负荷识别系统，其特征是，所述的系统包括:监测装置，用于在用户的用电入口处对有功功率以及无功功率进行监测； 暂态波形采集装置，用于当所述的有功功率以及无功功率发生变化时，采集变化时刻对应的暂态波形； 家用暂态波形提取装置，用于从所述的暂态波形中提取出家用负荷开关对应的暂态波形； 贴近度确定装置，用于确定家用负荷开关对应的暂态波形与预设的模板库中各个家用负荷模板的贴近度； 隶属度矩阵确定装置，用于将所述的贴近度组成隶属度矩阵； 家用负荷识别装置，用于根据所述的隶属度矩阵识别家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述的系统还包括: 预采集装置，用于预先采集各类家用负荷开关对应的有功功率和无功功率的暂态波形、稳态功率值以及时间特征； 模板库确定装置，用于根据所述的暂态波形、稳态功率值以及时间特征建立各类家用负荷开关对应的模板，组成模板库。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的家用暂态波形提取装置具体包括: 最大最小值确定模块，用于从所述的暂态波形中确定出有功功率以及无功功率的最大值以及最小值； 差值确定模块，用于确定所 述有功功率以及无功功率的最大值以及最小值的差值； 提取模块，用于当所述的差值大于预设的扰动阈值时，提取所述的暂态波形，所述的暂态波形即为家用负荷开关对应的暂态波形。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的系统还包括: 模板子库确定装置，用于根据所述的差值从预设的模板库中提取出家用负荷开关对应的暂态波形的模板子库。
11.根据权利要求7或10所述的系统，其特征是，所述的家用负荷识别装置具体包括: 加权模块，用于对所述的隶属度矩阵进行加权，得到综合隶属度向量； 最大分量选取模块，用于从所述的综合隶属度向量中选取出最大的分量； 次大分量选取模块，用于当所述最大的分量大于预设的信任度阈值时，从所述的综合隶属度向量中选取出次大的分量； 差值确定模块，用于确定所述最大的分量与所述次大的分量的差值； 第一识别模块，用于当所述的差值大于预设的相似阈值时，所述家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板即为最大的分量所属的模板； 第二识别模块，用于当所述的差值不大于预设的相似阈值时，对所述的家用负荷开关对应的暂态波形进行再匹配。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征是，所述的第二识别模块具体包括: 扩展特征量选取单元，用于从家用负荷开关对应的暂态波形中选取扩展特征量； 贴近度确定单元，用于确定所述的扩展特征量与模板库中各个模板的贴近度； 扩展矩阵确定单元，用于将所述的贴近度组成扩展隶属度矩阵； 扩展向量确定单元，用于对所述的扩展隶属度矩阵进行加权，得到扩展隶属度向量；最大分量选取单元，用于从所述的扩展隶属度向量中选取出最大的分量，所述最大的分量所属的模板即为所述 家用负荷开关对应的暂态波形所属的模板。
【文档编号】G01R22/06GK103439573SQ201310352829
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】蔡维, 杨洪耕, 贺惠民, 高云, 蔡巍, 王建伟, 锁娟, 马鑫晟, 余志森 申请人:国家电网公司, 华北电力科学研究院有限责任公司, 华北电网有限公司, 四川大学