一种基于非侵入式监测技术的用电监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于非侵入式监测技术的用电监测系统及方法，该系统包括数据采集装置、后台分析主站以及在用户侧客户端。数据采集装置负责采集、预处理和传输用户侧电流数据；后台分析主站存储了各用电设备正常工作时的谐波分析结果以及各用户的设备开关状态，通过所存储的设备谐波分析数据以及历史设备工作状态数据，采用云遗传算法对所接收的总线电流波形信息进行设备开关状态识别，并将结果发送至客户端。本发明专利技术能够根据在电力用户总进线处采集电气数据就能实现用户设备开关状态的识别，无需侵入用户内部装设大量传感器，对用户生产、生活造成的影响小，经济成本低、实用性强，广泛适用于商业、居民与工业用户。

An Electricity Monitoring System and Method Based on Non-intrusive Monitoring Technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于非侵入式监测技术的用电监测系统及方法
本专利技术涉及配用电系统监测与管理，具体涉及一种基于非侵入式监测技术的用电监测系统及方法。
技术介绍
智能电网作为电力系统的发展方向，是指以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的坚强电网为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网，能够很好地消纳分布式的清洁能源，通过需求侧管理提高电能的利用率，实现节能减排的目标。而数据分析技术是智能电网实现高度信息化、自动化的必要条件，利用数据挖掘方法对用户负荷大数据进行处理，能够从中提取出有用信息，从而能够对电力负荷有更系统和深入的理解进而改善负荷管理水平及系统运行的安全性与经济性，其中负荷检测技术是大数据挖掘在电力系统中应用的重要领域。当前的负荷监测技术分为侵入式负荷监测技术和非侵入式负荷监测技术。传统的负荷监测采取侵入式(ILM)的方法，即在用户的各用电设备上都安装传感器记录其使用情况。该方法优点在于监测数据准确可靠，缺点是实际可操作性差、实施成本高、用户接受程度较低。非侵入式负荷监测(NILMD)由Hart于20世纪80年代提出。顾名思义，在NILMD中取消了用户内部的各用电器传感器，只监测用户最外部的总线上的用电信息，把家庭中所有设备消耗的总的电力数据分解成各个设备所消耗的数据。综合考虑监测性能、成本、可靠性等方面，NILMD具有更大的优势。NILMD的使用对电力公司和电力用户都有重要的意义。传统的非侵入式用电监测装置多采用基于大量学习样本的神经网络算法、遗传和粒子群等进化算法，或是神经算法与进化算法的组合，但在实际使用过程中用户往往缺乏足够的学习样本，而只使用一般的进化算法常常会得不到全局最优导致负荷识别准确率低，且收敛速度可能过慢，不能实时反映负荷投切状态变换情况。同时，考虑到进行负荷识别需要处理的数据量大，对服务器的存储与计算性能要求高，这也直接导致了传统的非侵入式数据采集装置的成本高昂。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于非侵入式监测技术的用电监测系统及方法以解决传统非侵入式电气数据采集技术的不足。本专利技术的目的通过如下技术方案实现。本专利技术提出一种基于非侵入式监测技术的用电监测系统，包括数据采集装置、后台分析主站、远程控制模块、RS485IO模块以及客户端；所述数据采集装置设有顺次连接的低频电流采样模块、模拟信号处理模块、数据采集主控模块、高频电流采样模块、录波模块和通信模块；后台分析主站包括数据处理分析服务器与数据库，所述数据处理分析服务器通过无线网络分别与数据采集装置的通信模块以及所述的客户端连接；所述模拟信号处理模块分别与电流互感器、电压互感器、红外探头和RS485接口连接；数据采集装置的通信模块向远程控制模块发送投切负荷的指令，远程控制模块通过RS485IO模块对用户侧设备进行遥控；所述后台分析主站通过无线网络分别与数据采集装置的通信模块以及所述的客户端连接。所述远程控制模块输出端通过RS485IO模块与用户侧负荷连接。进一步的，上述的录波模块包括DSP处理器与录波器，DSP处理器与录波器和延时开关连接，在监测到投切事件发生时启动录波器进行录波，延时接通与通信模块的通讯链路。进一步的，后台分析主站包括数据库与数据处理分析服务器，数据库记录有：(1)各类电气负荷单独运行时的稳态电流波形快速傅里叶分析(fastFouriertransform，简称FFT)数据，用于建立负荷识别求解模型；(2)负荷识别的历史结果，用于简化负荷识别模型；所述数据处理分析服务器装载有基于云遗传算法的开关状态识别算法以及基于历史开关状态识别结果的求解模型简化程序；(3)各类电气负荷单独运行时的有功功率、无功功率、功率因素、谐波畸变率、三相不平衡度，用于进一步分析各类电气负荷的用电情况及其对电能质量的影响。所述数据处理分析服务器装载有基于云遗传算法的负荷识别算法。其中，数据库记录的各类负荷稳态电流波形数据保存为如下矩阵形式：其中Ik为第k类负荷的FFT数据，包括基波及各次谐波的幅值akn，以及各次谐波与基波之间的相角差。本专利技术还提出了一种基于非侵入式监测技术的电气数据采集装置的负荷识别方法，包括如下步骤：步骤一：系统运行之前通过收集可能投入运行的电气负荷种类及数量，上报至后台分析主站，后台分析主站数据处理分析服务器根据考察结果读取数据库中相应的负荷稳态电流波形FFT分析数据，建立负荷识别模型；数据采集模块通过模拟信号处理模块从多个传感器中实时获取负荷的电力基础数据，数据采集主控模块对模拟信号处理模块输出的信号进行低通滤波处理，并将低频的稳态基本电能信息，包括总线的功率与电能质量信息，通过通信模块发送到后台分析主站。即系统运行前先要求用户分别单独运行每一类设备中的1台，随后数据采集装置对总线电流数据进行采样并通过录波模块生成波形数据，通过通信模块发送到后台分析主站，数据处理分析服务器对电流波形进行FFT分析后将结果存储到数据库中，得到每一类设备基波与各次谐波的幅值与相角如式(1)所示：iLn＝{an1∠θn1,an2∠θn2,...,ank∠θnk}(1)其中，ank、θnk分别表示第n类设备第k次谐波的幅值和相角；步骤二：要求用户同时运行每一类设备中的1台，后台分析主站利用基于云遗传算法的开关状态识别算法对各设备的基波相位角进行求解，第n类设备的基波相位角为θCn；步骤三：录波模块中的DSP处理器对模拟信号处理器输出的相邻周期的有功功率进行差分计算，当相邻周期有功功率差值的绝对值超过新增单个负荷可能增加的最小功率值时，，判断有负荷的投切事件发生，当相邻周期有功功率差值为正时，判断有负荷投入事件发生，当功率差值为负时，判断有负荷切除时间发生；步骤四：DSP处理器继续进行功率差分计算，当相邻周期有功功率差值绝对值小于总线功率波动产生的最大差分功率值时，判断经过投切事件后，总线负荷达到新的稳态，控制录波器打开，录波模块与通信模块之间的线路接通，延时开关进入延时，取延时时间为1秒，即取50个周期的总线稳态电流波形数据发送到后台分析主站，延时结束后线路关闭；步骤五：后台分析主站数据处理分析服务器根据总线稳态电流波形以及建立的负荷识别模型，使用云遗传算法求解，完成负荷识别；步骤六：数据处理分析服务器将负荷识别结果写入数据库，以当前时刻的负荷识别结果简化负荷识别模型，准备下一次的负荷识别计算；步骤七：后台分析主站通过无线网络将负荷识别的结果发送给用户，同时发送总线稳态功率与电能质量数据、当前正在运行的各类负荷的稳态功率与电能质量信息给用户，用户可以知道当前总用电功率大小和电能质量情况，同时可以对照正在运行负荷的功率与电能质量信息，得知各个负荷具体的用电情况，以及各个负荷对电能质量的影响情况；步骤八：后台分析主站根据用户需求，通过数据采集装置的通信模块向远程控制模块发送投切负荷的指令，远程控制模块通过RS485IO模块对用户侧设备进行遥控。进一步的，上述步骤一中，负荷识别模型为：il＝β1i1+β2i2+…+βnin其中，il为总线负荷电流，in为第n类负荷的单元电流，β为各类负荷的权重系数，即相应负荷的开关状态，为0-1相量。进一步地，il可表示为：il＝a本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非侵入式监测技术的用电监测系统，其特征在于：包括数据采集装置、后台分析主站、远程控制模块、RS485 IO模块以及客户端；所述数据采集装置设有顺次连接的低频电流采样模块、模拟信号处理模块、数据采集主控模块、高频电流采样模块、录波模块和通信模块；后台分析主站包括数据处理分析服务器与数据库，所述数据处理分析服务器通过无线网络分别与数据采集装置的通信模块以及所述的客户端连接；所述模拟信号处理模块分别与电流互感器、电压互感器、红外探头和RS485接口连接；所述远程控制模块输出端通过RS485 IO模块与用户侧负荷连接；数据采集装置的通信模块向远程控制模块发送投切负荷的指令，远程控制模块通过RS485 IO模块对用户侧设备进行遥控；所述后台分析主站通过无线网络分别与数据采集装置的通信模块以及所述的客户端连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于非侵入式监测技术的用电监测系统，其特征在于：包括数据采集装置、后台分析主站、远程控制模块、RS485IO模块以及客户端；所述数据采集装置设有顺次连接的低频电流采样模块、模拟信号处理模块、数据采集主控模块、高频电流采样模块、录波模块和通信模块；后台分析主站包括数据处理分析服务器与数据库，所述数据处理分析服务器通过无线网络分别与数据采集装置的通信模块以及所述的客户端连接；所述模拟信号处理模块分别与电流互感器、电压互感器、红外探头和RS485接口连接；所述远程控制模块输出端通过RS485IO模块与用户侧负荷连接；数据采集装置的通信模块向远程控制模块发送投切负荷的指令，远程控制模块通过RS485IO模块对用户侧设备进行遥控；所述后台分析主站通过无线网络分别与数据采集装置的通信模块以及所述的客户端连接。2.根据权利要求1所述的基于非侵入式监测技术的用电监测系统，其特征在于：所述的录波模块包括DSP处理器与录波器，DSP处理器分别与录波器和延时开关连接，在监测到投切事件发生时启动录波器进行录波，延时接通与通信模块的通讯链路。3.根据权利要求1所述的基于非侵入式监测技术的用电监测系统，其特征在于：所述数据库记录有：(1)各类设备单独运行时的稳态电流波形傅里叶分析数据，用于建立负荷识别求解模型；(2)负荷识别的历史结果，用于简化负荷识别模型；所述数据处理分析服务器装载有基于云遗传算法的开关状态识别算法以及基于历史开关状态识别结果的求解模型简化程序；(3)电气负荷单独运行时的有功功率、无功功率、功率因素、谐波畸变率、三相不平衡度，用于进一步分析各类电气负荷的用电情况及其对电能质量的影响；所述数据处理分析服务器装载有基于云遗传算法的负荷识别算法。4.一种利用权利要求1所述的基于非侵入式监测技术的用电监测系统的用电监测方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：用电监测系统投入运行之前先要求用户分别单独运行每一类设备中的1台，随后数据采集装置对总线电流数据进行采样并通过录波模块生成波形数据，通过通信模块发送到后台分析主站，数据处理分析服务器对电流波形进行快速傅里叶分析后将结果存储到数据库中，得到每一类设备基波与各次谐波的幅值与相角如式(1)所示：iLn＝{an1∠θn1,an2∠θn2,...,ank∠θnk}(1)其中，ank、θnk分别表示第n类设备第k次谐波的幅值和相角；并要求用户同时运行每一类设备中的1台，后台分析主站利用基于云遗传算法的开关状态识别算法对各设备的基波相位角进行求解，第n类设备的基波相位角为θCn；步骤二：通过模拟信号处理模块从传感器中实时获取负荷的电力基础数据，数据采集主控模块对模拟信号处理模块输出的信号进行低通滤波处理，并将低频的稳态基本电能信息，包括总进线的功率与电能质量信息，通过通信模块发送到后台分析主站；步骤三：录波模块中的DSP处理器对模拟信号处理器输出的相邻周期的有功功率进行差分计算，当相邻周期有功功率差值的绝对值超过新增单个负荷增加的最小功率值时，判断有负荷的投切事件发生，当相邻周期有功功率差值为正时，判断有负荷投入事件发生，当功率差值为负时，判断有负荷切除时间发生；步骤四：DSP处理器继续进行功率差分计算，当相邻周期有功功率差值绝对值小于总线功率波动产生的最大差分功率值时，判断经过投切事件后，总线负荷达到新...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘泽健，杨苹，陆进威，黄钰琪，彭嘉俊，陈燿圣，曾智基，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44