基于特征量匹配的非侵入式实时智能电表系统和识别方法与流程

本发明涉及电能计量领域，特别涉及基于特征量匹配的非侵入式实时智能电表系统和识别方法。
背景技术：
：现有的非侵入式负荷识别的研究还主要处于实验室阶段，但为了更好的进行电能计量和管理、相应国家智能电网的号召，已经逐步呈现产品化市场化的趋势。目前公开自电工技术学报《基于开启瞬时负荷特征的家电负荷识别》，此设计利用开启时的暂态功率特征向量作为识别的特征量，获取时间长达2s的暂态功率曲线。处理方法是引入开启系数和延时系数，数据库中的电器功率波形向量乘以开启系数并根据延时系数位移后叠加，叠加得到的信号作为拟合信号，与获取的特征量进行比较。规定拟合信号和采集的特征量的相似程度为两组向量波形的皮尔森系数，并通过粒子群算法，即一种现代优化算法进行高维度的优化，优化的目标函数即两组向量波形皮尔森系数最小。最终根据训练得到的开启系数决定这类电器是否开启，而根据延时系数决定电器开启的准确时间，该算法用于解决当多个电器同时投入，能够同时识别出多个电器的类型，具有比较强的应对复杂情况的能力。但在实际使用中具有如下十分显著的缺点：第一、特征量选用较少，很难应对投入时波形相似度高的电器，不利于数据库的容量的增大，对不同电器的鲁棒性较差；第二、高维优化算法的处理时间很长，影响了电表的实时性。现代优化算法的算法解决np-hard问题，其复杂度随着维度增高快速上升。当数据库中有n个电器数据时，优化算法的维度为2*n维(每个电器包含一个开启系数和延时系数)。从这个角度来讲，也不利于数据库容量的增大；第三、在解决一般情况时呈现劣势。通常情况两电器同时投入或者切除的机会(即两电器开启或切除时间差距小于2s)是比较少的。在应对同一时间只有一个电器投入的情况下，这一算法并没有任何优势，算法复杂度并未降低，同时硬件方面由于电表采用按键控制缺乏控制的灵活性，不利用电表功能扩展，所以这套软硬件设计适合于实验室中作为实验平台用于研究用途，但不适合应用于实际的负荷检测场合，也不适合面向市场推广。另一个公开自毕业设计《住宅用电负荷识别的研究及智能表的设计》，此设计主要采用稳态的有功功率平均值和各次电流谐波作为特征量，利用knn算法与svm支持向量机算法结合的方式对于特征库数据进行匹配，实际上是一种基于欧式距离的线性判别方法结合svm的非线性判别方法的综合应用。投切算法加入滤波算法后进行变点检测，当检测到有电器投入或者切除事件发生后，首先根据负荷类型和功率阈值进行预分类，进入不同的分类器选项中。对于每一类分类器都分别进行训练，综合利用改进knn方法和svm方法进行判别。这套算法设计是用于验证knn算法和svm算法在于判别负荷类型的可行性，算法简单，运算速度快。但实际应用中局限性非常大，缺点如下：第一、每个分类器的参数需要单独训练(论文中采用网格法进行寻优，即一种遍历的方法)，对于不同电器的鲁棒性很差；第二、在未训练前，不可预知某个分类器利用knn算法还是svm算法，这导致这种算法的实用性进一步变差。仅能适用于已知电器种类的条件下进行先验的训练得到高识别率的分类器，且该电表仅具备电表非侵入负荷识别的能力和基本的存储、通信、报警等外设，实际使用时需配合外部的功能部件结合使用。而且该电表也没有学习功能，仅能够对已经训练好的电器进行识别，没有增扩数据库的能力。综上所述，目前的电表系统在特征量选用上较少，所验证的数据仅为经过训练的几种电器，很难做到能够充分满足实践要求的普适性。追求应用复杂场合的能力，而牺牲了计算速度和算法通用性，实时跟踪能力差。为了追求较高的准确率，过分牺牲电表的精确性，对于家用的一些功率较小的电器(有功100w以下)，例如电风扇，荧光灯，电脑此类都不可识别。实际上，降低了电表的可用性。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于特征量匹配的非侵入式实时智能电表系统和识别方法。为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：本发明基于特征量匹配的非侵入式实时智能电表系统，包括采样电路、电能计量模块、通信模块、学习机、hmi串口屏，所述采样电路对各个电器的电压和电流信号进行检测，并将检测信号发送至电能计量模块，所述电能计量模块对电压和电流信号进行解析生成各个电器中稳态特征量和暂态特征量，并将这些特征量发送至学习机，所述学习机记录特征量数据作为数据库，并对新检测的特征量进行计算，从而判断各个电器的负荷状态，所述学习机通过通信模块与hmi串口屏进行数据交互。作为本发明的一种优选技术方案，所述学习机将各个电器的负荷状态数据发送至hmi串口屏，所述hmi串口屏显示各个电器的实时参数，所述用户发送控制指令至hmi串口屏，所述hmi串口屏将控制指令通过通信模块发送至学习机，所述学习机根据控制指令执行对电表的控制。作为本发明的一种优选技术方案，所述采样电路包括电压采样和电流采样，所述电压采样通过电阻分压跨接在零线与火线之间，所述电流采样利用电流互感器，变流比为1000：1。作为本发明的一种优选技术方案，还包括供电电路，所述供电电路采用220v-5v开关电源作为主电源，保证系统在没有市电的情况下为系统供电，所述学习机、电能计量模块均采用微处理器进行保存、计算、识别各个电器的参数。本发明一种基于特征量匹配的非侵入式负荷识别方法，包括以下步骤：1、检测各个电器中的稳态特征量和暂态特征量的值；2、采用负荷识别方法分别计算各个电器中稳态特征量的得分值和暂态特征量的得分值，并得出各个电器总的得分值；3、根据各个电器中的总得分值，确定各个电器的负荷状态。作为本发明的一种优选技术方案，所述各个电器总的得分值的计算公式为：p总＝ω5pt3+(1-ω5)pspt3表示各电器的暂态特征量的得分值，ps表示各电器的稳态特征量的得分值，ω5表示暂态特征量的权值，1-ω5表示稳态特征量的权值。作为本发明的一种优选技术方案，所述暂态特征量的得分值的计算公式为：pt3＝[ω2pt11+(1-ω2)pt21]·ω3+[ω2pt12+(1-ω2)pt22]·(1-ω3)pt3＝ω4pt13+(1-ω4)pt23其中，pt13表示各电器的关断时暂态向量波形得分值；pt23表示各电器的关断时一阶差分向量得分值；ω4表示关断时暂态向量波形得分的权值，1-ω4表示关断时一阶差分向量得分的权值；pt11表示各电器的开启时无功向量的暂态向量波形得分值；pt21表示各电器的开启时无功向量的一阶差分向量得分值，pt12表示各电器的开启时有功向量的暂态向量波形得分值；pt22表示各电器的开启时有功向量的一阶差分向量得分值，ω3表示开启时有功向量的权值，1-ω3表示开启时无功向量的权值；ω2表示开启时暂态向量波形得分的权值，1-ω2表示开启时一阶差分向量得分的权值；所述稳态特征量的得分值的计算公式为：ps＝d2(x，gi)＝x1∑-1x-2x1∑-1ui+ui’∑-1ui其中，x为采集到的稳态特征值向量，gi为数据库第i类电器特征值的重心坐标，σ为该类电器对应六种稳态量的协方差矩阵，μi数据库第i类电器的稳态特征量向量均值。作为本发明的一种优选技术方案，所述各电器的暂态向量波形得分值的计算公式为：pt1＝ω1d(x’，y’)+(1-ω1)·na，b其中，d(x，y)描述暂态向量和数据库中向量之间的波形趋势的贴近度，n表示向量维度，xi和yi分别表示数据库和采样得到的向量中第i个值，x’i和y’i为归一化后的向量元素的对应值，且满足n(a，b)表示向量幅值的贴近度；a、b分别为向量x和向量y中元素的最大值，ω1表示开启时波形趋势的权值，1-ω1表示波形幅值的权值；所述各电器的暂态向量一阶差分向量波形得分值的计算公式为：pt2＝ω1d(δx’，δy’)+(1-ω1)·nm，n其中，d(δx，δy)表示当暂态向量波形向量长度少1时暂态向量和数据库中向量之间的波形趋势的贴近度，n(m，n)表示当暂态向量波形向量长度少1时向量幅值的贴近度。作为本发明的一种优选技术方案，所述确定各个电器的负荷类别的步骤：在暂态得分求出后前后进行十次稳态得分的计算，并综合得到十次总分，为开启和关断分别设置一个上限阈值dh1、dh2，当数据库电器存在低于上限阈值的得分时，取最低得分的电器，并在相应电器的位置计数加一，当十次结束后，取值大于5次的电器认为是当前投入或切除的电器，得出判别结果。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明采用多特征量进行计算，提高电表的普适性，并采用非侵入式负荷识别算法，提高计算速率和电表的通用性，有利于对家用功率较小的电器进行识别，同时利用hmi串口屏使学习机与用户进行交互，增加了电表的灵活性，提高了用户的体验感。附图说明附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是电表系统的工作流程图；图2是学习机的工作流程图；图3是电表系统的结构流程图。具体实施方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。实施例1本发明提供一种基于特征量匹配的非侵入式负荷识别方法，本方法使用特征量包括稳态特征量：有功功率平均值，各次电流谐波幅值(包括电流基波、三次谐波、五次谐波、七次谐波、九次谐波)；暂态特征量：开启时长达700ms(经验值)的有功功率平均值向量，无功功率平均值向量，关闭时长达400ms(经验值)的无功功率平均值向量。为了将这些特征量有机结合在一起，作出如下定义：各电器的稳态得分：ps＝d2(x，gi)＝(x-ui)t∑-1(x-ui)展开后：ps＝d2(x，gi)＝x1∑-1x-2x1∑-1ui+ui’∑-1ui解释上述变量的含义。x为采集到的稳态特征值向量，gi为数据库第i类电器特征值的重心坐标。σ为该类电器对应六种稳态量的协方差矩阵，μi数据库第i类电器的稳态特征量向量均值。各电器的暂态向量波形得分：pt1＝ω1d(x，y)+(1-ω1)·na，b解释上述变量的含义。d(x’，y’)描述暂态向量和数据库中向量之间的波形趋势的贴近度。n表示向量维度，xi和yi分别表示数据库和采样得到的向量中第i个值，x’i和y’i为归一化后的向量元素的对应值，a、b分别为向量x和向量y中元素的最大值。归一化满足如下关系：n(a，b)表示向量幅值的贴近度。用于弥补波形趋势中未能体现的幅值关系。w1、(1-w1)表示波形趋势与幅值对应的权值关系。各电器的暂态向量一阶差分向量波形得分：pt2＝ω1d(δx’，δy’)+(1-ω1)·nm，n上式中各个变量的含义与暂态向量波形得分的定义类似。但一阶差分向量的长度比暂态向量波形得分少1。各电器开启时的暂态得分：pt3＝[ω2pt11+(1-ω2)pt21]·ω3+[ω2pt12+(1-ω2)pt22]·(1-ω3)w2、(1-w2)表示开启时暂态向量波形得分与一阶差分向量得分的权值关系。w3、(1-w3)表示开启时无功向量与有功向量得分的权值关系。各电器关闭时的暂态得分：pt3＝ω4pt12+(1-ω4)pt22w4、(1-w4)表示关断时暂态向量波形得分与一阶差分向量得分的权值关系。各电器稳态暂态总得分：p总＝ω5pt3+(1-ω5)psw5、(1-w5)表示稳态得分与暂态得分的权值关系。最终根据每个电器的总得分进行决策，得分越低则越优秀。在进行决策时借鉴knn中多数表决的思想，在暂态得分求出后前后进行十次稳态得分的计算，并综合得到十次总分。为开启和关断分别设置一个上限阈值dh1、dh2，当数据库电器存在低于上限阈值的得分时，取最低得分的电器，并在相应电器的位置计数加一。当十次结束后，取值大于5次的电器认为是当前投入或切除的电器，得出判别结果。整个决策得分计算过程中，有5个权值，分别为w1、w2、w3、w4、w5。可以通过现代优化算法训练得到最优取值，也可以根据经验调试得到一个较宽的范围。投切算法是通过有功平均值的变点检测方式设置功率阈值，当功率阈值连续大于设定值并满足投入条件时，表明有电器投入；当功率阈值小于设定值并满足切除条件时，表明有电器切除。每当有电器投入或切除时就进行一次电器的判别。实施例2如图3所示，本发明基于特征量匹配的非侵入式实时智能电表系统，主要由智能电表和配套的学习机组件构成，工作时电表安装于家庭电力总线入口，学习机放置于家中任意位置，执行学习功能时配合插头插座一起使用，电表包括供电电路、采样电路、电能计量模块、通信模块、微处理器。学习机除前述还多出了hmi串口屏用于与用户交互。供电电路采用220v-5v开关电源为主电源，ams1117将电压继续降为3.3v供电。这是为了保证电表在没有外部直流电源的情况下可以直接通过市电为设备供电。学习机在不执行学习功能时不需要连接市电，故在学习机上留有usb接口可以提供5v电。采样电路分为电压采样和电流采样。电压采样通过电阻分压，跨接在零线与火线之间，分压比为526：1。电流采样利用电流互感器，变流比为1000：1。采集到的电流信号和电压信号分别送入电能计量芯片的vp1、vn1和vp3、vn3。电能计量芯片选用att7053au，这款电能芯片具备一路电压通道，两路电流通道。使用时仅使用了电压通道vp3、vn3和第一路电流通道vp1、vn1。芯片最终输出的有效特征量包括，电流波形数值、有功功率波形数值、无功功率波形数值、有功功率平均值。该芯片可配置中断，并通过irq引脚输出，本发明中仅配置了电压过零中断。hmi串口屏的型号为tjc4827k043，该hmi串口屏具有丰富的功能控件和指令集，通过串口与单片机通信。单片机控制hmi显示的方式为直接在串口输入指令的字符串形式，并在最后添加3个0xff作为结束符。通信模块采用nrf24l01无线通信模块。微处理器采用stm32f407vet6，下面列举该芯片所用到得内部资源及用途。中断配置和优先级设置情况(电表)中断类型抢占优先级响应优先级tim3定时中断0x000x01tim7定时中断0x010x00tim5定时中断0x010x01pe8外部中断0x010x02pa3外部中断0x010x03usart1串口中断0x020x01tim4定时中断0x020x02tim8定时中断0x030x03(学习机)系统设计系统定义的重要全局变量除此之外，还有很多为实现某些局部功能所定义的全局变量，用于缓存数据、计数等。由于下面在具体功能实现流程时不会提到这些变量，所以不再列举。除所定义的全局变量外，还有很多宏定义，在此进行说明。标志数据存放在数据库中具体位置的一组宏定义。为了更方便进行保存和传送数据库数据，将数据库保存在连续空间中。并定义一系列起始地址和数据长度用于方便的调用某一特定含义的一组数据。2.定义数据库存放在数据库内部flash中的第7个扇区的首地址，定义该地址为flash_save_addr，为16进制数0x08060000。用户操作时hmi发送的串口指令集学习机在交互中的通信指令集电表在交互中的通信指令集如图1-2所示，主要功能的工作过程详解如下：cursta对投切检测及负荷识别控制过程。在正常运行时，cursta＝0。进入pa3外部中断，计算平均功率，进行投切检测。当无事件发生，不会改变cursta取值；有投入事件发生则执行暂态有功无功获取过程，直到暂态过程结束，标志curstabit0＝1。开启时暂态信息保存在pvector和qvector中、关闭时标志cursta低两位为2，暂态信息保存在qvectorend中。因为此时中断结束并不是电压刚刚过零，所以要再等待一次外部中断。检测到curstabit0＝1，不执行投切检测，仅将curstabit2＝1。主函数中检测到bit2＝1时，就使能tim5，进行fft运算，当fft运算结束，curstabit3＝1。主函数检测到curstabit3＝1时，就失能tim4，再读取有功平均，将稳态信息保存在fft_outputbuf和apr中。当检测到低两位为2时，就之后进行判别过程，当判别结束后就更新swi_sta标志位。cursta＝0，同时初始化所有功能变量。cursta对投切检测及特征量学习的控制过程。当进入学习模式，hmi提示投入电器的信号。当有电器投入时，在pa3外部中断函数中采集暂态有功无功获取过程，直到暂态过程结束，标志curstabit0＝1。当再次进入外部中断，使curstabit2＝1，表明电压刚刚过零。此时关闭tim3,使能tim5，采样并进行fft运算十次，将稳态数据保存在record中。每次fft运算完成后，curstabit3＝1。学习函数检测到后，保留cursta低两位，清零cursta其他位。十次运算完成后，cursta＝0。此时hmi再发送切除信号，检测到电器切除时cursta低两位变为2，将关断时暂态信号保存后cursta＝0。反复投入切除十次，暂态功率向量直接取平均值直接保存在data_base中。稳态数据每个特征量都保存了100组数据，首先进行排序，排序后取中间80组，保留中间50组求取特征值的均值向量与协方差矩阵，并得到常数项。作为稳态判据函数的参量保存在data_base中。电表中flag，pro对通信过程的控制。当触发pe8外部中断时，读取status寄存器的值，根据该值判断进入中断的事件。当事件为达到最大重发次数时，flag＝0x10。当事件为接收成功时，有以下几种情况：当rxbuf[0]＝0x30，此时表示同步某个电器的数据库，rxbuf[1]为电器的相应位置，赋给变量eploc，将flag置为0x40，标志着下次进入为数据库内容；当rxbuf[0]＝0x31时，表示删除某个电器的信息，此时将该电器的数据库信息变为0，flag＝0；当rxbuf[0]＝0x33，表示请求功率信息，则定时器7启动，flag＝0x41，标志下次进入为发送功率指令成功；当rxbuf[0]＝0x34,定时器7启动，flag＝0x42，表明下一次进入为发送能量指定成功。当flag＝0x40时，根据pro决定数据传输是否结束与当前传输到的位置。每次进入保持flag＝0x40，pro从0自增，当满足pro*8+8>numread时，表明发送结束，将pro＝0，flag＝0。当事件为发送成功时，有以下几种情况：当flag＝0x41，说明已经发送功率指令成功，接着启动定时器7，定时10ms后发送功率信息。功率信息是保存在prun中的8个浮点数数据，转换为32字节无符号字符型存入txbuf中发送出去，并将flag＝0x43；当flag＝0x42，说明已经发送能量指令成功，接着启动定时器7，发送能量信息，将flag＝0x44。当flag＝0x43或0x44时，表明功率或能量信息已发送完毕，将nrf24l01转换为接收模式。学习机中flag对通信过程的控制。如上，当触发pe8外部中断时，读取status寄存器。当事件为最大重发次数时，flag＝0x10；当发送成功时flag＝0x20；当接收成功时，要分为以下几种情况：当接收到rxbuf[0]＝0x33时，表明这一帧数据为功率发送指令，flag＝0x41；当rxbuf[0]＝0x34时，flag＝0x42，表明这一帧数据为能量发送指令。当flag＝0x41时，表明这一帧数据为功率信息，并将flag＝0x44，功率查询函数中检测到flag＝0x44时，就表示功率已经修改，并将当前功率送入hmi；当flag＝0x42时，表明这一帧数据为能量信息，并将flag＝0x48，能量查询函数中检测到flag＝0x48时，就表示能量已经修改，并将当前能量送入hmi。电表多电器运行的处理方式。对于多电器时，特征量计算采用叠加法。进行电流特征值计算时，以电压过零为基准，计算出电流各次谐波的幅值和相位。由于投入电器前和投入电器后的采样的时间基准相同，所以其幅值相位可直接做复数的加减。从而得到新投入电器的电流各次谐波的幅值相位。对于切除电器时只需要用切除前减切除后的即可。有功功率无相位关系，可直接进行加减运算得到添加和切除的电器功率特征量。而暂态特征量不存在此类问题，当前一个电器投入结束后，暂态量会逐渐减小为0。故新电器的投入或切除暂态量可直接利用。电表对功率和能量计算的处理方式。当多电器时，功率按照其工作的额定功率对总功率进行分摊。能量按照上一秒的功率，乘以对应的时间，即1s，进行叠加。工作中由tim8控制该定时器定时1s，首先对能量进行计算，能量计算完成后计算功率。电表重新上电后，各电器的累计使用电量清零，不会保存。最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12