用电负载类型识别器的制造方法
【专利摘要】一种用电负载类型识别器，包括信息采集模块、信息处理模块、通信模块。所述装置同时采用电器的启动电流特征、电器的基波电压电流相位差和负载电流频谱特征作为用电负载类型的识别特征，特征信息丰富；采用包括BP神经网络分类器和贝叶斯分类器的组合分类器进行识别分类，兼顾BP神经网络分类器和贝叶斯分类器的特点进行综合识别，识别准确率高；提供的基波电压电流相位差和启动电流特征、负载电流频谱特征获取方法简单、可靠。所述用电负载类型识别器可以用在学生集体宿舍、办公场所、集体市场等一些需要进行用电电器管理的集体公共场所，也可以用于需要进行用电负载类型识别与统计的其他需要进行用电设备管理的场合。
【专利说明】
用电负载类型识别器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种设备识别及分类装置，尤其是涉及一种用电负载类型识别器。
【背景技术】
[0002] 目前，主流的用电负载性质识别方法包括基于负载功率综合系数算法的用电负载 识别方法、基于电磁感应的用电负载识别方法、基于神经网络算法的用电负载识别方法、基 于周期性离散变换算法的用电负载识别方法等。各种方法均能够在一定程度是实现用电负 载性质的识别，但由于特征性质单一，识别手段单一，普遍存在泛化能力不够及不能完全准 确识别的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于，针对现在已有技术的缺陷，提供一种能够实现高效识别的用 电负载类型识别器。所述用电负载类型识别器包括信息采集模块、信息处理模块、通信模 块。
[0004] 所述信息采集模块用于采集用电负载的负载电流并转换成电流数字信号;所述电 流数字信号被送至信息处理模块;所述信息处理模块依据输入的电流数字信号，采用组合 分类器进行用电负载类型识别;所述通信模块用于发送信息处理模块的用电负载类型识别 结果至上位机。
[0005] 所述组合分类器的输入特征包括用电负载的启动电流特征、用电负载的负载电流 频谱特征和用电负载的基波电压电流相位差;所述组合分类器包括BP神经网络分类器和贝 叶斯分类器;所述启动电流特征包括启动冲激电流、启动平均电流、启动电流冲量。
[0006] 所述信息采集模块包括电流传感器、前置放大器、滤波器、A/D转换器;所述信息处 理模块的核心为DSP，或者为ARM，或者为单片机，或者为FPGA。
[0007] 所述A/D转换器可以采用信息处理模块的核心中包括的A/D转换器。
[0008] 所述信息采集模块、信息处理模块、通信模块的全部或者部分功能集成在一片SoC 上。
[0009] 所述通信模块还接收上位机的相关工作指令;所述通信模块与上位机之间的通信 方式包括无线通信方式与有线通信方式；所述无线通信方式包括ZigBee、蓝牙、WiFi、 433MHz数传方式;所述有线通信方式包括485总线、CAN总线、互联网、电力载波方式。
[0010] 所述负载电流频谱特征通过以下方法获得：
[0011]步骤一、获取用电负载的稳态电流信号，并将其转换为对应的稳态电流数字信号；
[0012] 步骤二、对稳态电流数字信号进行傅立叶变换，得到负载电流频谱特性；
[0013] 步骤三、将负载电流频谱特性中的η次谐波信号相对幅值作为负载电流频谱特征， 其中，11 = 1，2，一1;所述1表示谐波最高次数且1大于等于3。
[0014] 所述组合分类器中，ΒΡ神经网络分类器为主分类器，贝叶斯分类器为辅助分类器。
[0015] 所述组合分类器进行用电负载类型识别的方法是：当主分类器成功实现用电负载 类型识别时，主分类器的用电负载类型识别结果为组合分类器的识别结果；当主分类器未 能实现用电负载类型识别，且主分类器的识别结果为2种或者2种以上用电负载类型，将主 分类器输出的2种或者2种以上用电负载类型识别结果中，辅助分类器输出中概率最高的用 电负载类型作为组合分类器的用电负载类型识别结果；当主分类器未能实现用电负载类型 识别，且主分类器的识别结果中未能给出识别的用电负载类型时，将辅助分类器输出中概 率最高的用电负载类型作为组合分类器的用电负载类型识别结果。
[0016]所述启动电流特征由信息处理模块通过以下方法获得：
[0017 ]步骤1、用电负载启动前，开始对用电负载的负载电流连续采样并对负载电流大小 进行判断；当负载电流有效值大于ε时，判定用电负载开始启动并转向步骤2;所述ε为大于〇 的数值；
[0018] 步骤2、对用电负载的负载电流进行连续采样，以工频周期为单位计算负载电流有 效值并保存;计算最近Ν个工频周期的负载电流有效值的平均值；当最近Ν个工频周期之内 的每个工频周期的负载电流有效值与该Ν个工频周期的负载电流有效值的平均值相比较， 波动幅度均小于设定的相对误差范围Ε时，判定用电负载进入稳定状态，转向步骤3;所述Ν 的取值范围为50-500;所述Ε的取值范围为2%-20% ;
[0019] 步骤3、将最近Ν个工频周期之内的负载电流有效值的平均值作为用电负载稳态电 流；
[0020] 将用电负载开始启动时刻至最近Ν个工频周期起始时刻之间的时间作为启动过程 时间；计算用电负载开始启动后L个工频周期之内的用电负载电流有效值的平均值与用电 负载稳态电流之间的比值，将该比值作为用电负载的启动冲激电流;计算用电负载的启动 过程时间之内的用电负载电流有效值的平均值与用电负载稳态电流之间的比值，将该比值 作为用电负载的启动平均电流;计算用电负载的启动平均电流与启动过程时间之间的乘 积，将该乘积作为用电负载的启动电流冲量;所述L的取值范围为1-5。
[0021 ]所述组合分类器的输入特征还包括用电负载稳态电流。
[0022] 所述用电负载的基波电压电流相位差通过以下方法获得：
[0023] 步骤①、待用电负载进入稳定状态后，同步获取用电负载的稳态电压信号、稳态电 流信号，并将其转换为相应的稳态电压数字信号、稳态电流数字信号；
[0024] 步骤②、对稳态电压数字信号、稳态电流数字信号分别进行数字滤波，提取出基波 电压信号、基波电流信号；
[0025] 步骤③、分析计算基波电压信号与基波电流信号之间的相位差，将基波电压信号 与基波电流信号之间的相位差作为用电负载的基波电压电流相位差。
[0026] 本发明的有益效果是：同时采用用电负载的启动电流特征、用电负载的负载电流 频谱特征以及用电负载的基波电压电流相位差作为所述用电负载类型识别器的识别特征， 特征信息丰富；采用包括ΒΡ神经网络分类器和贝叶斯分类器的组合分类器进行识别分类， 兼顾ΒΡ神经网络分类器和贝叶斯分类器的特点进行综合识别，泛化能力与识别准确率高； 提供的包括启动冲激电流、启动平均电流、启动电流冲量在内的启动电流特征获取方法，以 及负载电流频谱特征获取方法简单、可靠。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明用电负载类型识别器实施例的结构示意图；
[0028] 图2为白炽灯台灯的启动过程电流波形；
[0029] 图3为电阻炉等电阻性负载的启动过程电流波形；
[0030] 图4为单相电机类负载的启动过程电流波形；
[0031] 图5为计算机及开关电源类负载的启动过程电流波形；
[0032] 图6为用电负载类型识别器进行用电负载类型识别的流程图。
【具体实施方式】
[0033] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0034] 图1为本发明用电负载类型识别器实施例的结构示意图，包括信息采集模块101、 信息处理模块102、通信模块103。
[0035] 信息采集模块102用于采集用电负载的负载电压、负载电流并将负载电压、负载电 流转换成电压数字信号、电流数字信号，电压数字信号、电流数字信号被送至信息处理模块 102。信息采集模块中包括电压传感器、电流传感器、前置放大器、滤波器、A/D转换器等组成 部分，分别完成负载电压、负载电流信号的传感、放大、滤波与模数转换功能。当负载电流范 围较大时，可以选择具有程控功能的前置放大器，或者是在A/D转换器前再增加一个独立的 程控放大器，对范围较大的负载电流实行分段控制放大，使输入至A/D转换器的电压信号范 围保持在合理的区间，保证转换精度。滤波器用于滤除高频分量，避免频谱混叠。
[0036]信息处理模块102依据输入的电压数字信号、电流数字信号，采用包括BP神经网络 分类器和贝叶斯分类器的组合分类器实现用电负载类型识别。组合分类器的输入特征包括 用电负载的启动电流特征、用电负载的负载电流频谱特征和用电负载的基波电压电流相位 差。信息处理模块10 2的核心为DSP、ARM、单片机，或者为FPGA。当信息处理模块的核心中包 括有A/D转换器且该A/D转换器满足要求时，信息采集模块101中的A/D转换器可以采用信息 处理模块102的核心中包括的A/D转换器。
[0037]通信模块103用于实现与上位机之间的通信，将识别结果发送至上位机。通信模块 102与上位机之间的通信方式包括无线通信方式与有线通信方式，可以采用的无线通信方 式包括ZigBee、蓝牙、WiFi、433MHz数传等方式，可以采用的有线通信方式包括485总线、CAN 总线、互联网、电力载波等方式。通信模块103还可以接收上位机的相关工作指令，完成指定 的工作任务。上位机可以是管理部门的服务器，也可以是各种工作站，或者是各种移动终 端。
[0038]信息采集模块101、信息处理模块102、通信模块103的全部或者部分功能可以集成 在一片SoC上，减小识别器体积，方便安装。
[0039] 不同的用电负载设备具有不同的启动电流特征。如图2所示为白炽灯台灯的启动 过程电流波形。白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。白 炽灯的灯丝通常用耐高温的金属钨制造，但金属钨的电阻随温度变化大，以Rt表示钨丝在t °(：时的电阻，以Ro表示钨丝在0°C时的电阻，则两者有下述的关系
[0040] Rt = R〇(l+0.0045t)
[0041 ] 例如，设白炽灯的灯丝(钨丝)在正常工作时的温度为2000°C，一只"220V 100W" [0042]的白炽灯的灯丝在2000°C正常工作时的电阻为
[0044] 其在不通电时0°C的电阻为
[0046] 其在不通电时20 °C的电阻为
[0047] R2〇 = Ro( 1+0.0045t) =52.8 Ω
[0048] 即白炽灯在启动通电的瞬间电流超过其额定电流的9倍，且最大启动电流发生在 启动时刻。随着白炽灯钨丝温度的升高，白炽灯的负载电流按照指数规律减小，然后进入稳 定状态。
[0049] 设用电负载稳态电流有效值为Iw，且定义用电负载电流有效值进入用电负载稳态 电流有效值的一个设定的相对误差范围之内并稳定在这个相对误差范围之内，则用电负载 进入稳定状态。相对误差范围可以设定为10%，也可以设定为2%、5%、15%、20%等2%-20%之间的值。图2中，设定的相对误差范围为10%，当白炽灯的负载电流按照指数规律减 小到其Iw的10 %误差范围时，如图2中的时刻Ts，启动过程结束。白炽灯的启动过程时间为 Ts。Iw为有效值。
[0050] 选择启动冲激电流Ic、启动平均电流Id、启动电流冲量Qi作为用电负载的启动电流 特征；启动冲激电流Ic、启动平均电流Id均为标么值。具体定义是：启动冲激电流Ic为用电负 载启动开始后T 2时间之内的用电负载电流平均值与用电负载稳态电流Iw的比值；启动平均 电流Id为用电负载启动时间Ts之内的用电负载电流平均值与用电负载稳态电流Iw的比值； 启动电流冲量Qi为启动平均电流Id与启动过程时间Ts的乘积，量纲为ms。用电负载电流、用 电负载稳态电流均为有效值的取值范围为20-lOOms，或者是1-5个工频周期;例如，^取 值40ms，即2个工频周期。启动冲激电流I c反映的是用电负载启动后短时间内的电流冲激大 小。在部分用电负载的启动过程中，当有用电负载的实际启动过程时间Ts小于设定的T 2时， 令用电负载的启动过程时间Ts等于Τ2。启动平均电流Id反映的是用电负载启动过程中的电 流整体大小。启动电流冲量Qi反映的是用电负载启动的整体强度。
[0051 ]图2中，白炽灯的启动冲激电流Ic为To(白炽灯启动时刻，电流为Io^T2(设定的时 亥IJ，电流为12)之间白炽灯的电流平均值与白炽灯的稳态电流Iw的比值。启动平均电流Id为 To(白炽灯启动时亥lj)至Ts(白炽灯启动过程结束时间)之间白炽灯的电流平均值与白炽灯的 稳态电流Iw的比值。启动电流冲量Qi为白炽灯启动平均电流Id与启动过程时间Ts的乘积。
[0052] 如图3所示为电阻炉等电阻性负载的启动过程电流波形。电阻炉等电阻性负载通 常采用镍铬、铁铬铝等电热合金丝，其共同特点是电阻温度修正系数小，电阻值稳定。以牌 号为Cr20Ni80的镍铬电热丝为例，其在1000°C时的电阻修正系数为1.014，即1000°(：时相对 于20 °C时，牌号为Cr20Ni80的镍铬电热丝电阻只增加1.4 %。电阻炉等电阻性负载在通电启 动时即进入稳定状态，电阻炉等电阻性负载的实际启动过程时间Ts = 0,因此，令电阻炉等 电阻性负载的实际启动过程时间Ts = T2;例如，当T2设定为40ms时，则此时的启动过程时间 Ts也为40ms。由于电阻性负载To时刻电流I〇、T2时刻电流12与电阻性负载的稳态电流Iw相等， 因此，电阻性负载的启动冲激电流Ic= 1，启动平均电流Id = 1。
[0053] 如图4所示为单相电机类负载的启动过程电流波形。单相电机类负载既具有电感 性负载特性，又具有反电动势负载特性。启动时刻，由于电感的作用，启动时刻的启动电流 1〇为0;随后电流迅速上升，在电机反电动势未建立之前，达到电流峰值Im;此后，电机转速增 加，电机负载电流逐步减小，直到进入稳定状态。图4中，单相电机类负载的启动冲激电流Ic 为To(单相电机类负载启动时刻，电流为Ιο)至T2(设定的时刻，电流为12)之间单相电机类负 载的电流平均值与稳态电流If的比值。启动平均电流Id为Το(单相电机类负载启动时刻）至 Ts(单相电机类负载启动过程结束时间）之间单相电机类负载的电流平均值与稳态电流Iw的 比值。启动电流冲量Qi为单相电机类负载启动平均电流Id与启动过程时间Ts的乘积。
[0054] 如图5所示为计算机及开关电源类负载的启动过程电流波形。计算机及开关电源 类负载因为对电容充电的影响，在启动瞬间会产生一个很大的浪涌电流，其峰值可达到稳 态电流有效值Iw的几倍至十几倍，时间为1至2个工频周期。由于计算机及开关电源类负载 的启动时间短，其启动过程时间Ts有可能小于设定的T 2;当其启动过程时间Ts小于设定的T2 时，令Ts等于Τ2。图5中，计算机及开关电源类负载的启动冲激电流IC为To(计算机及开关电 源类负载启动时刻，电流为1〇)至T 2(设定的时刻，电流为12)之间计算机及开关电源类负载 的电流平均值与稳态电流Iw的比值。启动平均电流Id为Το(计算机及开关电源类负载启动时 亥IJ)至Ts(计算机及开关电源类负载启动过程结束时间）之间计算机及开关电源类负载的电 流平均值与稳态电流Iw的比值。启动电流冲量如为计算机及开关电源类负载启动平均电流 Id与启动过程时间Ts的乘积。
[0055] 获取用电负载的启动电流特征的方法是：
[0056] 用电负载启动前，负载电流值为0(未开机)或者很小(处于待机状态)时，信息处理 模块102即开始对负载电流进行连续采样；当采样得到的负载电流值有效值开始大于0或者 是开始大于用电负载的待机电流时，即判断出用电负载已经启动，记录该时刻为To。用一个 较小的非负阈值ε来区分用电负载启动前后的负载电流值，当ε取值特别小时，例如，ε取值 1mA时，所述识别器不考虑待机情况，即认为待机也是用电负载的启动状态；当ε取值较小但 大于用电负载的待机电流时，例如，ε取值20mA时，所述识别器会将用电负载的待机状态认 为是未启动状态，但同时也会的部分功率特别小的用电负载造成漏识别。
[0057]信息处理模块102对负载电流进行连续采样，且以工频周期为单位计算负载电流 有效值并保存；当用电负载已经启动，且连续采样达到N个工频周期后，采样的同时连续计 算最近N个工频周期的负载电流有效值的平均值Iv;信息处理模块102对最近N个工频周期 之内每个工频周期的负载电流有效值与该N个工频周期的负载电流有效值的平均值进行比 较，误差(或波动)幅度均小于设定的相对误差范围E时，判定用电负载进入稳定状态，该最 近N个工频周期的起始时刻为启动过程的结束时刻，记录该时刻为1^(如图2-图5所示）。
[0058] 将最近N个工频周期之内的负载电流有效值的平均值作为电器负载稳态电流Iw; 将电器开始启动时刻To至最近N个工频周期起始时刻1^之间的时间作为启动过程时间Ts。计 算To至设定的1~ 2之间（即电器开始启动后1-5个工频周期之内）的负载电流平均值与稳态电 流Iw的比值，将该比值作为电器的启动冲激电流Ic。计算To至Ts之间的负载电流平均值与稳 态电流Iw的比值，将该比值作为电器的启动平均电流Id。计算电器的启动平均电流Id与启动 过程时间Ts的乘积，将该乘积作为电器的启动电流冲量如。
[0059] 由于预先不知道用电负载稳态电流有效值Iw，因此，将N个工频周期，即一段持续 时间ΤΡ之内波动范围小于设定的相对误差范围E时的负载电流有效值的平均值作为用电负 载稳态电流有效值IW。由于普通用电负载的启动过程较快，所以，ΤΡ的取值范围为1 -10s，典 型取值是2s，相应的工频周期数量N的取值范围为50-500，N的典型取值是100。所述相对误 差范围E的取值范围为2%-20%，E的典型取值是10%。
[0060] 组合分类器的输入特征还包括用电负载的负载电流频谱特征。用电负载的负载电 流频谱特征由信息处理模块102控制信息采集模块101，通过以下步骤获得：
[0061] 步骤一、待用电负载进入稳定状态后，获取用电负载的稳态电流信号，并将其转换 为对应的稳态电流数字信号。
[0062]步骤二、对稳态电流数字信号进行傅立叶变换，得到负载电流频谱特性。为保证傅 立叶变换的顺利进行，在前述获取用电负载的稳态电流信号，并将其转换为对应的稳态电 流数字信号的过程中，A/D转换器的精度和速度需要满足傅立叶变换的要求，采样频率可以 设定为10kHz，或者是其他数值;信息处理模块102对采集到的稳态电流数字信号进行FFT运 算，计算其频谱。
[0063] 步骤三、将负载电流频谱特性中的η次谐波信号相对幅值作为负载电流频谱特征， 其中，η= 1，2，…，Μ;在组成组合分类器的输入特征向量时，η次谐波信号相对幅值在输入特 征向量中按照1，2,…，Μ的顺序依次排列。由于负载电流频谱特性主要由奇次谐波组成，除 少数用电负载设备外，偶次谐波分量几乎为〇,因此，也可以将负载电流频谱特性中谐波次 数为η的次奇次谐波信号相对幅值作为负载电流频谱特征，其中，η=1，3，··_，Μ。所述谐波信 号相对幅值为谐波信号幅值与用电负载稳态电流有效值Iw的比值。η=1时的1次谐波为工 频基波。所述Μ表示谐波最高次数，一般情况下，Μ大于等于3。
[0064] 组合分类器的输入特征还包括用电负载的基波电压电流相位差。基波电压电流相 位差可以对电阻性、电容性、电感性负载进行区分，还可以对一般的电感性负载和大电感性 负载进行区分。用电负载的基波电压电流相位差由信息处理模块102控制信息采集模块 101，通过以下步骤获得：
[0065] 步骤①、待用电负载进入稳定状态后，获取用电负载的稳态电压信号、稳态电流信 号，并将其转换为对应的稳态电压数字信号、稳态电流数字信号。
[0066] 步骤②、对稳态电压数字信号、稳态电流数字信号分别进行数字滤波，提取出基波 电压信号、基波电流信号。
[0067] 步骤③、分析计算基波电压信号与基波电流信号之间的相位差，将基波电压信号 与基波电流信号之间的相位差作为用电负载的基波电压电流相位差。
[0068] 步骤②中对稳态电压数字信号、稳态电流数字信号分别进行数字滤波，其数字滤 波算法可以选择卡尔曼滤波法、小波变换法、维纳滤波法、自适应滤波等数字滤波器算法。
[0069] 组合分类器中，ΒΡ神经网络分类器为主分类器，贝叶斯分类器为辅助分类器。组合 分类器的输入特征包括前述的启动电流特征和负载电流频谱特征，组合分类器的输入特征 同时作为ΒΡ神经网络分类器的输入特征和贝叶斯分类器的输入特征。
[0070] 如图6所示为用电负载类型识别器进行用电负载类型识别的流程图，用电负载类 型识别器进行用电负载类型识别的方法是：
[0071] 步骤Α、等待用电负载启动；
[0072] 步骤Β、采集用电负载启动电流数据并保存，直至用电负载启动过程结束；
[0073]步骤C、分析采集的用电负载启动电流数据，获取用电负载的启动电流特征；
[0074] 步骤D、采集用电负载稳态工作时的电压、电流数据并保存；
[0075] 步骤E、分析采集的用电负载稳态工作时的电压、电流数据，获取用电负载的负载 电流频谱特征、基波电压电流相位差；
[0076] 步骤F、将启动电流特征、负载电流频谱特征、基波电压电流相位差作为组合分类 器的输入特征;组合分类器进行用电负载类型识别；
[0077]步骤G、输出用电负载类型识别结果。
[0078] 所述组合分类器进行用电负载类型识别的方法是：当主分类器成功实现用电负载 类型识别，即主分类器输出的识别结果为唯一的用电负载类型，即识别结果中唯一的用电 负载类型为是时，将主分类器识别的用电负载类型作为组合分类器的用电负载类型识别结 果；当主分类器未能实现用电负载类型识别，且主分类器的识别结果为2种或者2种以上用 电负载类型，即识别结果中有2种或者2种以上用电负载类型为是时，将主分类器输出的2种 或者2种以上用电负载类型识别结果中，辅助分类器输出中概率最高的用电负载类型作为 组合分类器的用电负载类型识别结果；当主分类器未能实现用电负载类型识别，且主分类 器的识别结果中未能给出识别的用电负载类型，即识别结果中没有用电负载类型为是时， 将辅助分类器输出中概率最高的用电负载类型作为组合分类器的用电负载类型识别结果。
[0079] 以一个简单的实施例1为例，来说明组合分类器进行用电负载类型识别的方法。设 有一个组合分类器，其输入特征为x= {Ig，Id，Qi，Ai，A2，A3，A4，A5，_0}，其中，Ig是启动冲激电 流;Id是启动平均电流;Qi是启动电流冲量;Ai、A 2、A3、A4、A5为负载电流频谱特性中的1-5次 谐波信号相对幅值W为用电负载的基波电压电流相位差。组合分类器的输出是 分别代表组合分类器对白炽灯、电阻炉、吹风机、计算机的识别结果输出，识 别结果81、82、83、84的取值均为二值分类标记。主分类器的输入特征也是1={1 (；，1^〇141， A2，A3，A4，A5，}，其输出是{F!，F2，F 3，F4}，F!、F2、F3、F4分别代表主分类器对白炽灯、电阻炉、 吹风机、计算机的识别结果输出，识别结果? 1、^、内、？4的取值也均为二值分类标记。辅助分 类器的输入特征同样为x= {Ig，Id，Qi，Ai，A2，A3，A4，A5，H，其输出是{P(yi IX)，P(y21X)，P(y3 I x)，P(y41 χ)}，P(yi I x)、P(y21 x)、P(y31 x)、P(y41 x)为辅助分类器输出的后验概率，P(yi I χ)、 P(y21 x)、P(y31 x)、P(y4 I x)之间的相互大小表明辅助分类器的当前输入特征表示所识别的 用电负载属于白炽灯、电阻炉、吹风机、计算机的可能性大小。
[0080] 在实施例1中，Bl、B2、B3、B4的分类标记和Fl、F2、F3、F4的分类标记均取1、0。分类标记 为1时，相应的用电负载类型与当前输入特征匹配，为确认的识别结果，或者说相应的用电 负载类型识别结果为是;分类标记为0时，相应的用电负载类型与输入特征不匹配，未能成 为确认的识别结果，或者说相应的用电负载类型识别结果为否。
[0081] 在实施例1中，设某次的主分类器的识别结果分类标记为？正疋#4 = 0100,则认为 主分类器成功实现用电负载类型识别，因此，不考虑辅助分类器的识别结果，直接令 8出出出4=0100,即组合分类器的识别结果是:被识别的用电负载为电阻炉。
[0082]在实施例1中，设某次的主分类器的识别结果分类标记为FiFsFsFe 1010,则认为 主分类器未能实现用电负载类型识别，且主分类器的识别结果为2种或者2种以上用电负载 类型；再设此时辅助分类器的识别结果满足？(7 1|1)〈？(73卜），则令出8出必4 = 0010，即组合 分类器的识别结果是:被识别的用电负载为吹风机。
[0083] 在实施例1中，设某次的主分类器的识别结果分类标记为F^FsFfOOOO,则认为 主分类器未能实现用电负载类型识别，且主分类器的识别结果中未能给出识别的用电负载 类型;再设此时辅助分类器的识别结果满足P(yi I X)>P(y21X)且P(yi I X)>P(y31X)且P(yi I χ)> P(y4|x)，则令關出出4=1000,即组合分类器的识别结果是:被识别的用电负载为白炽灯。
[0084] 组合分类器、主分类器的识别结果分类标记也可以采用其他的方案，例如，分别用 分类标记1、-1，或者是〇、1，或者是_1、1，以及其他方案来表示相应用电负载识别结果为是、 否。组合分类器与主分类器的分类标记方案可以相同，也可以不相同。
[0085] 所述组合分类器的输入特征中，还可以包括用电负载稳态电流有效值IW。例如，有 2种不同的用电负载，电烙铁和电阻炉需要识别，电烙铁、电阻炉都是纯电阻负载，且都具有 电阻温度修正系数小，电阻值稳定的共同特点。因此，单纯依靠前述的启动电流特征和负载 电流频谱特征、用电负载的基波电压电流相位差特征无法将他们进行区分。输入特征中增 加用电负载稳态电流有效值Iw后，电烙铁功率小，用电负载稳态电流有效值Iw小；电阻炉功 率大，用电负载稳态电流有效值Iw大，特征不同，组合分类器可以进行并完成识别。
[0086] 辅助分类器为贝叶斯分类器。可以选择NBC分类器(朴素贝叶斯分类器）、TAN分类 器(树扩展朴素贝叶斯分类器）、BAN分类器(增强的贝叶斯分类器)等三种贝叶斯分类器之 中的一种作为辅助分类器。
[0087]实施例2选择NBC分类器作为辅助分类器。朴素贝叶斯分类的定义如下：
[0088] ⑴设X = {ai，a2，…，am}为一个待分类项，而每个a为X的一个特征属性；
[0089] (2)有类别集合〇={71，72，···^};
[0090] (3)计算P(yi | X)，P(y21 X)，…，P(yn | X);
[0091] ⑷如果P(yk|x)=max{P(yl|x)，P(y2|x)，···，P(yn|x)}，贝lJχey k。
[0092] 计算第⑶步中的各个条件概率的具体方法是：
[0093] ①找到一个已知分类的待分类项集合作为训练样本集；
[0094] ②统计得到各类别下各个特征属性的条件概率估计；
[0095] P(ai | yi)，P(a21 yi)，…，P(am| yi);
[0096] P(ai | y2)，P(a21 y2)，···，P(am| y2);
[0097] ···；
[0098] P(ai | yn)，P(a21 yn)，···，P(am| yn) 〇
[0099] ③根据贝叶斯定理，有：
[0101]因为分母对于所有类别为常数，因此我们只要将分子最大化即可；又因为在朴素 贝叶斯中各特征属性是条件独立的，所以有：
[0103] 实施例2中，组合分类器的输入特征是{IG，ID，Q:，Ai，A 3，P Iw}，其中，IG是启动冲激 电流；Id是启动平均电流;Qi是启动电流冲量;Ai、A3为负载电流频谱特性中的1、3次奇次谐 波信号相对幅值，为用电负载的基波电压电流相位差，单位为度，且基波电压超前于基波 电流时j>0;lw为用电负载稳态电流有效值，单位是安培。要求识别的用电负载类别是白 炽灯、电阻炉、电风扇、计算机、电烙铁。令朴素贝叶斯分类器的特征属性组合x={ao，ao，a3， a4，a5，a6，a7}中的元素与组合分类器的输入特征集合中的元素按序{Ig，Id，Qi，Ai，A3，P，Iw} 一一对应;朴素贝叶斯分类器的输出类别集合〇={ 71，72,73,74,75}则分别与用电负载类别 白炽灯、电阻炉、电风扇、计算机、电烙铁一一对应。
[0104] 训练NBC分类器的过程包括：
[0105] 1、对特征属性进行分段划分，进行离散化处理。实施例2中，采取的特征属性离散 化方法是：
[0106] ai ： {ai<3,9,3.9<ai<6.5, ai>6.5}；
[0107] Β2：{β2<1.2,1.2<Β2<2.6,Β2>2.6}；
[0108] a3： {a3<150,150 < a3 < 600,a3>600}；
[0109] a4： {a4<0.7,0.7 < a4 < 0.9,a4>0.9}；
[0110] a5：{a5<0.02,0.02<a5<0.05,a5>0.05}；
[0111] a6：{a6<-6,-6<a6< 18,a6>18}；
[0112] a7:{a7〈0.45,a72 0.45}。
[0113] 2、对每类用电负载类型均采集多组样本作为训练样本，同时计算每类用电负载类 型样本在所有用电负载类型样本中所占有的比例，即分别计算P( yi)、P(y2)、P(y3)、P(y4)、P (y5)。当每类用电负载均采集相同的样本数量时，例如，每类用电负载均采集超过1〇〇组的 样本，其中每类用电负载随机选择100组样本作为训练样本，其他则作为测试样本，总的训 练样本为500组，且有
[0114] p(yi)=p(y2)=p(y3)=p(y4)=p( y5)=〇.2〇
[0115] 3、计算训练样本每个类别条件下各个特征属性分段的频率(比例），统计得到各类 别下各个特征属性的条件概率估计，即分别统计计算
[0116] P(ai<3.9|yi)^P(3.9<ai<6.5|yi)^P(ai>6.5|yi)；
[0117] P(ai〈3.9|y2)、P(3.9<ai<6.5|y2)、P(ai>6.5|y2);
[0118] ···；
[0119] P(ai〈3.9|y5)、P(3.9<ai<6.5|y5)、P(ai>6.5|y5);
[0120] P(a2<1.2|yi)^P(1.2<a2< 2.6|yi)^P(a2>2.6|yi)；
[0121] P(a2〈1.2|y2)、P(1.2<a2<2.6|y2)、P(a2>2.6|y2);
[0122] ···；
[0123] P(a2〈1.2|y5)、P(1.2<a2<2.6|y5)、P(a2>2.6|y5);
[0124] P(a3<150 | yi) ^P( 150 < a3 < 600 | yi) ^P(a3>600 | yi)；
[0125] P(a3〈150 | y2)、P( 150 < a3 < 600 | y2)、P(a3>600 | y2);
[0126] ···；
[0127] p(a3〈150 I y5)、P( 150 < a3 < 600 I y5)、P(a3>600 I y5);
[0128] P(a4<0.7|yi)^P(0.7<a4<0.9|yi)^P(a4>0.9|yi)；
[0129] P(a4〈0.7|y2)、P(0.7《a4《0.9|y2)、P(a4>0.9|y2);
[0130] ···；
[0131] P(a4〈0.7|y5)、P(0.7《a4《0.9|y5)、P(a4>0.9|y5);
[0132] P(a5<0.02|yi)^P(0.02<a5<0.05|yi)^P(a5>0.05|yi)；
[0133] P(a5〈0.02|y2)、P(0.02《a5《0.05|y2)、P(a5>0.05|y2);
[0134] P(a5〈0.02|y5)、P(0.02<a5<0.05|y5)、P(a5>0.05|y5);
[0135] P(a6〈-6|yi)、P(-6《a6《 18|yi)、P(a6>18|yi);
[0136] P(a6〈-6|y2)、P(-6<a6< 18|y2)、P(a6>18|y2);
[0137] ···；
[0138] P(a6〈-6|y5)、P(-6<a6< 18|y5)、P(a6>18|y5);
[0139] P(a7<0.45|yi)^P(a7> 0.45|yi)；
[0140] P(a7〈0.45|y2)、P(a72 0.45|y2);
[0141] ···；
[0142] P(a7〈0·45|y5)、P(a7 之 0·45|y5)〇
[0143] 经过上述的步骤1、步骤2、步骤3，NBC分类器训练完成。其中，步骤1对特征属性进 行分段划分由人工确定，对每一个输入特征进行分段离散化时，分段的数量为2段或者2段 以上，例如，实施例2中，特征ai_a6都分为3段，特征a7分为2段。每一个特征具体分为多少段， 分段阈值的选择可以根据训练后的贝叶斯分类器对测试样本测试后的结果进行调整。步骤 2、步骤3由彳目息处理模块102或者是计算机计算完成。
[0144] 本发明中采用贝叶斯分类器进行分类的方法是：
[0145] 1、将组合分类器的输入特征作为贝叶斯分类器的输入特征。在实施例2中，将组合 分类器的输入特征集合{1(；，凡，9 141，知，0，1?>}作为贝叶斯分类器的输入特征^且有1 = {ai, a2, a3, a4, as, a6, a7} 〇
[0146] 2、根据训练得到的各类别下各个特征属性的条件概率估计，分别确定各输入特征 属性的分段所在并确定其对每类用电负载类别的概率P( ai|yi)~P(am|yn)，其中，用电负载 类别集合为C= {yi，y2，···，yn}。实施例2中，用电负载类别集合C= {71，72,73,74,75}对应代表 的用电负载类别是白炽灯、电阻炉、电风扇、计算机、电烙铁，确定P(ai| yi)~P(a7|y5)的方 法是采用训练NBC分类器过程中得到的各个特征属性的条件概率估计。
[0147] 3、按照式
[0149]计算每种用电负载类别的后验概率。因为分母P(x)对于所有用电负载类别为常 数，令P(x) = l替代实际的P(x)值，不影响每种用电负载类别后验概率之间的相互大小比 较，此时有
[0157] 采用测试样本对训练好的贝叶斯分类器进行测试，根据测试结果决定是否调整对 输入特征的离散化方法(即调整分段数量与阈值），重新训练贝叶斯分类器。
[0158] 主分类器为BP神经网络分类器，选择3层BP神经网络分类器作为主分类器。将BP神 经网络分类器输入特征向量中元素的数量，即输入特征的数量作为输入层的节点数，例如， 实施例1中的9个，或者是实施例2中的7个。将需要识别的用电负载类型的数量作为输出层 节点数，例如，实施例1中，输出层节点为4个，分别输出识别白炽灯、电阻炉、吹风机、计算机 的结果;实施例2中，输出层节点为5个，分别输出识别白炽灯、电阻炉、电风扇、计算机、电烙 铁的结果。中间隐层的节点数量根据经验来取，例如，实施例1、实施例2中隐层的节点数量 可以在6-18的范围内选取。对每类用电负载类型均采集多组样本，例如，均采集200组样本； 随机选取其中的若干组，例如150组样本作为训练样本，剩余的作为测试样本，对BP神经网 络分类器进行训练与测试。多输入、多输出的3层BP神经网络分类器由于多输出之间的耦合 作用，有可能在训练或者测试时不能对样本进行完全识别；即使是在训练或者测试时能够 对样本进行完全识别，受到泛化能力的制约，对新输入的某一特征属性进行识别时，主分类 器有可能输出的识别结果为唯一的用电负载类型，或者识别结果为2种或者2种以上用电负 载类型，或者未能给出识别的用电负载类型。
[0159] 主分类器还可以选择多个单节点输出的3层BP神经网络分类器共同组成，每个单 节点输出的3层BP神经网络分类器对应识别一种用电负载类型，例如，实施例1中可以采用4 个单节点输出的3层BP神经网络分类器分别识别白炽灯、电阻炉、吹风机、计算机;实施例2 中可以采用5个单节点输出的3层BP神经网络分类器分别识别白炽灯、电阻炉、电风扇、计算 机、电烙铁。主分类器选择多个单节点输出的3层BP神经网络分类器共同组成时，所有单节 点输出的3层BP神经网络分类器的输入层节点数为主分类器输入特征向量中元素的数量； 中间隐层的节点数量根据经验来取，各单节点输出的3层BP神经网络分类器中间隐层的节 点数量可以相同，也可以不同，按照各自的需要选择。与非单节点输出的神经网络一样，需 要对每类用电负载类型均采集多组样本，例如，均采集200组样本;随机选取其中的若干组， 例如150组样本作为训练样本，剩余的作为测试样本，对每个单节点输出的BP神经网络分类 器进行训练与测试。主分类器选择多个单节点输出的3层BP神经网络分类器共同组成时，每 个单节点输出的3层BP神经网络分类器只需要完成一种用电负载类型的识别，每个网络的 训练相对简单。由于此时主分类器由多个单节点输出的3层BP神经网络分类器组成，各单节 点输出的3层BP神经网络分类器之间相互独立，因此，对某一特征属性进行识别时，主分类 器有可能输出的识别结果为唯一的用电负载类型，或者识别结果为2种或者2种以上用电负 载类型，或者未能给出识别的用电负载类型。
[0160] BP神经网络分类器的训练方法可以采用梯度下降法，也可以采用粒子群优化、遗 传算法等优化方法。样本采集采用前述的获取用电负载的启动电流特征的方法和获取用电 负载的负载电流频谱特征以及获取用电负载的基波电压电流相位差特征的方法。
【主权项】
1. 一种用电负载类型识别器，其特征在于，包括信息采集模块、信息处理模块、通信模 块； 所述信息采集模块用于采集用电负载的负载电流并转换成电流数字信号;所述电流数 字信号被送至信息处理模块； 所述信息处理模块依据输入的电流数字信号，采用组合分类器进行用电负载类型识 别； 所述通信模块用于发送信息处理模块的用电负载类型识别结果至上位机； 所述组合分类器的输入特征包括用电负载的启动电流特征、用电负载的负载电流频谱 特征和用电负载的基波电压电流相位差； 所述组合分类器包括BP神经网络分类器和贝叶斯分类器； 所述启动电流特征包括启动冲激电流、启动平均电流、启动电流冲量。2. 如权利要求1所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述信息采集模块包括电流 传感器、前置放大器、滤波器、A/D转换器;所述信息处理模块的核心为DSP，或者为ARM，或者 为单片机，或者为FPGA。3. 如权利要求1所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述信息采集模块、信息处 理模块、通信模块的全部或者部分功能集成在一片SoC上。4. 如权利要求1所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述通信模块还接收上位机 的相关工作指令;所述通信模块与上位机之间的通信方式包括无线通信方式与有线通信方 式;所述无线通信方式包括ZigBee、蓝牙、WiFi、433MHz数传方式;所述有线通信方式包括 485总线、CAN总线、互联网、电力载波方式。5. 如权利要求1-4中任一项所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述组合分类器 中，BP神经网络分类器为主分类器，贝叶斯分类器为辅助分类器。6. 如权利要求5所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述组合分类器进行用电负 载类型识别的方法是：当主分类器成功实现用电负载类型识别时，主分类器的用电负载类 型识别结果为组合分类器的识别结果；当主分类器未能实现用电负载类型识别，且主分类 器的识别结果为2种或者2种以上用电负载类型，将主分类器输出的2种或者2种以上用电负 载类型识别结果中，辅助分类器输出中概率最高的用电负载类型作为组合分类器的用电负 载类型识别结果；当主分类器未能实现用电负载类型识别，且主分类器的识别结果中未能 给出识别的用电负载类型时，将辅助分类器输出中概率最高的用电负载类型作为组合分类 器的用电负载类型识别结果。7. 如权利要求5所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述负载电流频谱特征通过 以下方法获得： 步骤一、获取用电负载的稳态电流信号，并将其转换为对应的稳态电流数字信号； 步骤二、对稳态电流数字信号进行傅立叶变换，得到负载电流频谱特性； 步骤三、将负载电流频谱特性中的η次谐波信号相对幅值作为负载电流频谱特征，其 中，η = 1，2，···，Μ;所述Μ表示谐波最高次数且Μ大于等于3。8. 如权利要求5所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述启动电流特征由信息处 理模块通过以下方法获得： 步骤1、用电负载启动前，开始对用电负载的负载电流连续采样并对负载电流大小进行 判断；当负载电流有效值大于ε时，判定用电负载开始启动并转向步骤2;所述ε为大于0的数 值； 步骤2、对用电负载的负载电流进行连续采样，以工频周期为单位计算负载电流有效值 并保存;计算最近Ν个工频周期的用电负载电流有效值的平均值；当最近Ν个工频周期之内 的每个工频周期的负载电流有效值与该Ν个工频周期的负载电流有效值的平均值相比较， 波动幅度均小于设定的相对误差范围Ε时，判定用电负载进入稳定状态，转向步骤3;所述Ν 的取值范围为50-500;所述Ε的取值范围为2%-20% ; 步骤3、将最近Ν个工频周期之内的负载电流有效值的平均值作为用电负载稳态电流； 将用电负载开始启动时刻至最近Ν个工频周期起始时刻之间的时间作为启动过程时间；计 算用电负载开始启动后L个工频周期之内的用电负载电流有效值的平均值与用电负载稳态 电流之间的比值，将该比值作为用电负载的启动冲激电流;计算用电负载的启动过程时间 之内的用电负载电流有效值的平均值与用电负载稳态电流之间的比值，将该比值作为用电 负载的启动平均电流;计算用电负载的启动平均电流与启动过程时间之间的乘积，将该乘 积作为用电负载的启动电流冲量;所述L的取值范围为1 -5。9. 如权利要求8所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述组合分类器的输入特征 还包括用电负载稳态电流。10. 如权利要求5所述的用电负载类型识别器，其特征在于，所述用电负载的基波电压 电流相位差通过以下方法获得： 步骤①、待用电负载进入稳定状态后，同步获取用电负载的稳态电压信号、稳态电流信 号，并将其转换为相应的稳态电压数字信号、稳态电流数字信号； 步骤②、对稳态电压数字信号、稳态电流数字信号分别进行数字滤波，提取出基波电压 信号、基波电流信号； 步骤③、分析计算基波电压信号与基波电流信号之间的相位差，将基波电压信号与基 波电流信号之间的相位差作为用电负载的基波电压电流相位差。
【文档编号】G06K9/62GK105868790SQ201610213382
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】凌云, 肖伸平, 陈刚
【申请人】湖南工业大学