基于混合功率判据的非侵入式非变频冰箱启动辨识方法与流程

本发明属于智能用电技术领域，涉及一种针对非变频冰箱的非入侵式辨识方法。

背景技术：

居民电力负荷监测分解技术是一门新兴的智能电网基础支撑技术，与目前智能电表仅量测用户总功率不同，它以监测并分解出居民户内所有电器的启动时间、工作状态、能耗情况为目标，从而实现更加可靠、精确的电能量管理。电力负荷监测分解技术使用户的电费清单像电话费清单一样，各类家用电器的用电量一目了然，从而使用户及时了解自己的用电情况，为合理分配各个电器的用电时间及相应的用电量提供参考，最终能够有效减少电费支出和电能浪费。Google统计数据显示，如果家庭用户能够及时了解住宅电器的详细用电信息，就能使每月电费开支下降5％～15％；如果全美国有一半家庭每个月节省这么多开支，减少的碳排放量相当于减少800万辆汽车的使用。对于工业用户而言，其负荷投切安排一般是比较固定的，只需分时计量即可，对负荷分解的需求较少，因此电力负荷监测分解的主要研究对象是住宅用电负荷。

目前，居民电力负荷监测分解技术主要分为侵入式监测分解(Intrusive Load Monitoring and decomposition，ILMD)和非侵入式监测分解(Non-intrusive Load Monitoring and decomposition，NILMD)两大类：

(1)侵入式负荷监测分解技术(ILMD)：侵入式负荷监测将带有数字通信功能的传感器安装在每个电器与电网的接口，可以准确监测每个负荷的运行状态和功率消耗。但大量安装监测传感器造成建设和维护的成本较高，最重要的是侵入式负荷监测需要进入居民家中进行安装调试，容易造成用户抵制心理；

(2)非侵入式负荷监测分解技术(NILMD)：)非侵入式负荷监测仅在用户入口处安装一个传感器，通过采集和分析入口总电流、电压等信息来判断户内每个或每类电器的用电功率和工作状态(例如，空调具有制冷、制热、待机等不同工作状态)，从而得出居民的用电规律。和侵入式负荷分解相比，由于只需要安装一个监测传感器，非侵入负荷分解方案的建设成本和后期维护难度都大幅降低；另外，传感器安装位置可以选择在用户电表箱处，完全不会侵入居民户内进行施工。可以认为，NILMD以分解算法代替ILMD系统的传感器网络，具有简单、经济、可靠、数据完整和易于迅速推广应用等优势，有望发展成为高级量测体系(AMI)中新一代核心技术(成熟后，NILMD算法也可以融合到智能电表的芯片内)，支持需求侧管理、定制电力等智能用电的高级功能，也适用于临时性的负荷用电细节监测与调查。

我国是冰箱生产大国，每年冰箱产量突破8000万台，同时也是冰箱消费大国，冰箱作为家庭长开电器和主要用电器之一，耗电量占居民用电量总量的40％以上。由于长开和间歇性工作的特性，以往对于冰箱的能耗情况，个人往往难以做出判断。

目前尚无文献提出一种准确、有效、快速辨识非变频冰箱的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够准确有效快速地辨识非变频冰箱启动的非侵入式辨识方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于混合功率判据的非侵入式非变频冰箱启动辨识方法，用于以非侵入方式辨识出户内电网中是否有非变频冰箱启动，所述基于混合功率判据的非侵入式非变频冰箱启动辨识方法包括以下步骤：

步骤一：按照设定的采样频率fs对所述户内电网的总电源进线的电压和电流进行采样，分别形成电压采样序列u和电流采样序列i；

步骤二：设定时间窗口；依据所述电压采样序列u和所述电流采样序列i中与所述时间窗口所对应的部分，计算所述总电源进线处与所述时间窗口对应的平均功率值Pk，所述平均功率值Pk依次为构成平均功率序列P的元素；k对应于本次采用的时间窗口的编号；

步骤三：扫描所述平均功率序列P，计算其中的突变功率增量ΔP1、突变前后稳态功率增量ΔP2、所述突变功率增量与所述突变前后稳态功率增量的比值K；

步骤四：根据所述突变功率增量ΔP1、所述突变前后稳态功率增量ΔP2、所述突变功率增量与所述突变前后稳态功率增量的比值K，判断所述户内电网中是否有非变频冰箱启动，若没有非变频冰箱启动则返回步骤二。

所述步骤四中，若同时满足所述突变功率增量ΔP1大于设定的突变功率增量阈值、所述突变前后稳态功率增量ΔP2属于设定的稳态功率增量取值范围内、所述突变功率增量与所述突变前后稳态功率增量的比值K大于设定的比例阈值三个条件时，则判断所述户内电网中有非变频冰箱启动。

优选的，所述突变功率增量阈值为1000W，所述稳态功率增量取值范围为50-200W，所述比例阈值为8。

所述步骤一中，所述采样频率的取值范围为0.5kHz-2kHz。

所述步骤二中，所述平均功率值Pk的计算方法为：

其中，m为所述时间窗口内所含工频周期数，n为所述时间窗口内首个进行采样的采样点编号，N为一个工频周期包含的采样点数目。

所述步骤三中，所述突变前后稳态功率增量的计算方法为

ΔP2＝P2-P1

其中，P2为突变后的稳态功率值，P1为突变前的稳态功率值；

所述突变功率增量与所述突变前后稳态功率增量的比值的计算方法为：

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的一种基于混合功率判据的非侵入式非变频冰箱启动辨识方法，根据用户进线端的功率突变量、突变前后稳态功率差以及启动突变功率倍数，可以准确有效快速地辨识非变频冰箱，此方法不需要进入居民家中就可以准确辨识非变频冰箱启动，具有简单、经济、易于推广应用等优点。辨识结果有助于用户了解非变频冰箱的启动特性以及能耗情况，并可对其故障诊断做出相应的辅助判断。

附图说明

附图1为本发明的基于混合功率判据的非侵入式非变频冰箱启动辨识方法的流程示意图。

附图2为冰箱启动制冷运行是功率的启动及工作特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：冰箱是通过制冷来达到延长食物保存期的作用的，其制冷工作通过以压缩机为主的制冷系统来完成。制冷系统主要由四大件组成：压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，根据控制或是使用需要中间还可能安装压力控制器、温度控制器、干燥过滤器等辅助器件。在电力系统动态模拟实验室进行的冰箱特性试验的基础上，搭建冰箱负荷的试验平台，对冰箱负荷的制冷、待机(制冷、待机为冰箱负荷的主要运行状态)的启动运行过程进行详细分析。结果表明：冰箱电器制冷启动时，功率突变增量很大，启动时启动突变功率倍数可达稳态运行功率的8倍以上，突变过程在0.2s左右，突变功率大小与非变频冰箱的额定功率大小息息相关；此外，稳态平均功率有一个明显的增量，根据冰箱的型号不同，稳态平均功率增量一般在70-150w之间。

基于非变频冰箱的以上特性，提出一种用于以非侵入方式辨识出户内电网中是否有非变频冰箱启动的基于混合功率判据的非侵入式非变频冰箱启动辨识方法，它包括以下步骤：

步骤一：按照设定的采样频率fs并使用电压传感器和电流传感器对用户的户内电网的总电源进线的电压和电流进行采样，分别形成电压采样序列u和电流采样序列i。电压采样序列u中的元素依次为u1、u2、u3、…，电流采样序列i中的元素依次为i1、i2、i3、…。该步骤中，采样频率的取值范围为0.5kHz-2kHz。本实施例中，选择采样频率fs＝1kHz。

步骤二：设定时间窗口；按设定的时间窗口在其窗口时间内，对电压采样序列u和电流采样序列i进行扫描，从而依据电压采样序列u和电流采样序列i中与时间窗口所对应的部分，计算总电源进线处与时间窗口对应的平均功率值Pk，多个时间窗口对应的多个平均功率值Pk依次为构成平均功率序列P的元素；平均功率值Pk中的下角标kk对应于本次采用的时间窗口的编号，k≥1。

该步骤中，平均功率值Pk的计算方法为：

其中，m为时间窗口内所含工频周期数，取m＝5，n为时间窗口内首个进行采样的采样点编号，N为一个工频周期包含的采样点数目。

步骤三：扫描平均功率序列P，若其中存在突变，则计算其中的突变功率增量ΔP1、突变前后稳态功率增量ΔP2、突变功率增量与突变前后稳态功率增量的比值K。

如附图2所示，A阶段为非变频冰箱启动前的稳态运行阶段，其功率P1大约为5W；在C阶段非变频冰箱启动而产生大约1500W的突变；B阶段为非变频冰箱启动后的稳态运行阶段，其功率P2大约为90W。

该步骤中，突变功率增量ΔP1的计算方法为：以突变顶点的功率值与突变前的稳态功率值之差作为突变功率增量ΔP1，故根据图2，ΔP1＝1500-5＝1495W。

突变前后稳态功率增量的计算方法为

ΔP2＝P2-P1

其中，P2为突变后(B阶段)的稳态功率值，P1为突变前(A阶段)的稳态功率值。故根据图2，ΔP2＝90-5＝85W。

突变功率增量与突变前后稳态功率增量的比值的计算方法为：

故根据图2，

步骤四：根据突变功率增量ΔP1、突变前后稳态功率增量ΔP2、突变功率增量与突变前后稳态功率增量的比值K，判断户内电网中是否有非变频冰箱启动，若没有非变频冰箱启动则返回步骤二

具体的，若同时满足突变功率增量ΔP1大于设定的突变功率增量阈值、突变前后稳态功率增量ΔP2属于设定的稳态功率增量取值范围内、突变功率增量与突变前后稳态功率增量的比值K大于设定的比例阈值三个条件时，则判断户内电网中有非变频冰箱启动。通常，突变功率增量阈值为1000W，稳态功率增量取值范围为50-200W，比例阈值为8。

结合附图2，ΔP1＞1000W，50＜ΔP2＜200，K＞8，则可以判断存在非变频冰箱启动。

本发明的方法能够根据实时电压和电流信号，计算启动突变功率增量、启动突变功率倍数以及突变前后稳态功率增量，当用户进线端的突变功率增量大于1000W，突变前后的稳态功率差值在50-200w之间，且突变功率增量与稳态功率差值的比大于8的时候，判断存在非变频冰箱启动。

本发明为非变频冰箱启动辨识提供了一种有效的判断方法，此方法不需要进入居民家中就可以准确辨识非变频冰箱启动，具有简单、经济、易于推广应用等优点。辨识结果有助于用户了解大功率非变频冰箱电器的启动运行特性以及能耗情况，并可作为冰箱电器的故障检测的辅助判断手段。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。