用于瞬时功率分解和估计的系统以及方法技术方案

一种用于分解并估计由单个电插座(10)供电的电负载(4、6、8)的功率消耗的系统(2)。系统包括具有程序(14)的处理器(12)；与处理器协作的电流传感器(16)，用于测量由单个电插座供电的电负载的聚合的电流波形(18)的一个线周期的样本；以及与处理器协作的电压传感器(20)，用于测量由单个电插座供电的电负载的电压波形(22)的一个线周期的样本。处理器程序将所聚合的电流波形和电压波形的一个线周期的所测量的样本转换成单个电插座的聚合的电压-电流轨迹(24)，以及根据一个线周期的所聚合的电压-电流轨迹提供多个不同类别的电负载的功率消耗的即时分解。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2013年6月18日提交的美国专利申请序列号No.13/920,602的优先权和权益，其通过引用并入本文。本专利技术在国家能源技术实验室能源部(DepartmentofEnergyNationalEnergyTechnologyLaboratory)授予的DE-EE0003911的政府支持下做出。
所公开的概念一般涉及电负载，并且特别地涉及确定电负载的功率消耗的方法。所公开的概念还涉及用于确定电负载的功率消耗的系统。
技术介绍
在商业建筑使用的主要电量中，大约37％是由插入式电负载(PEL)消耗的，也称为混杂电负载(MEL)。这种使用预期在2008和2030年之间上升78％。将PEL限定为在建筑中的所有非干线连接的电负载，并且PEL包括例如且不限于冰箱、计算机、食物准备电器和空间加热器/电扇的各种电设备。这些“插入式”设备的总能量消耗经常被忽略。一些研究表明，PEL的有效管理可潜在地提高建筑物节能直到约其使用的10％至30％。然而，发展可广泛应用的PEL的节能方案是困难的，主要是因为现今建筑物中PEL能量使用的受限的可见性。为克服以上困难，需要知道PEL的类型和类别的能量消耗。因此，期望在负载级(也称为“电器级”)上发展具有成本效率的非侵入式电器负载监测和识别技术。在建筑物中，可将电能通过墙壁插座直接提供到PEL，或通过插入到墙壁插座的电源板提供到PEL以便将电能分配到电源板的多个插座。后一情形是用户为实现墙壁插座同时为多个PEL提供电能而更常采用的。通常期望能够通过仅测量墙壁插座级的所聚合的电信号来分解/解耦PEL的功率消耗的技术为具有成本效率的非侵入式负载监测和识别(NILM)方案。通过美国专利No.4,858,141公开了在先的示例NILM设备和方法。世界范围内的许多研究者已经致力于能够提供关于在个体电器或设备级的消耗的分解数据的新一代电测量系统。一般而言，可将用于监测下至电器级或设备级的特征和分解方法分类为三组：(1)检测在聚合实际和无功功率消耗两者中的剧烈变化；(2)电流消耗和启动特性；以及(3)电压标记。尽管从1980年代已经发展NILM技术，但是仍认为不存在已知的容易部署、准确度高并具有成本效益的在商业上可获得的分解方法。多数已知方法需要若干小时或甚至更长时间的观测，并且一些其它方法需要中央处理单元(CPU)和操作系统来运行人工智能算法，这通常需要昂贵的平台来支持该实施。存在用于估计多个电负载的功率消耗的方法的改进空间。同样存在用于估计多个电负载的功率消耗的系统的改进空间。
技术实现思路
通过所公开概念的实施例来满足这些和其它需求，该实施例测量由单个电插座供电的多个电负载的聚合的电流波形和电压波形的一个线周期的多个样本，将一个线周期的测量的样本转换成单个电插座的聚合的电压-电流轨迹，以及根据一个线周期的聚合的电压-电流轨迹提供多个不同类别的电负载的功率消耗的即时分解。根据本公开概念的一个方面，分解并估计由单个电插座供电的多个电负载的功率消耗的方法包括：测量由单个电插座供电的多个电负载的聚合的电流波形和电压波形的一个线周期的多个样本；通过处理器将一个线周期的所测量的样本转换成单个电插座的聚合的电压-电流轨迹；以及根据一个线周期的聚合的电压-电流轨迹提供多个不同类别的电负载的功率消耗的即时分解。作为本公开概念的另一方面，用于分解并估计由单个电插座供电的多个电负载的功率消耗的系统包括：包括程序的处理器；与处理器协作的电流传感器，用于测量由单个电插座供电的多个电负载的聚合的电流波形的一个线周期的多个样本；以及与处理器协作的电压传感器，用于测量由单个电插座供电的多个电负载的电压波形的一个线周期的多个样本；其中处理器的程序被构造成将所聚合的电流波形和电压波形的一个线周期的所测量的样本转换成单个电插座的聚合的电压-电流轨迹，以及根据一个线周期的所聚合的电压-电流轨迹提供多个不同类别的电负载的功率消耗的即时分解。附图说明当结合附图阅读时，从以下优选实施例的描述中可得到对公开概念的全面理解，在附图中：图1A和1B分别是针对电阻(R)负载的电压-电流(V-I)轨迹以及电压和电流波形的图；图2A和2B分别是针对电抗(X)负载的V-I轨迹以及电压和电流波形的图；图3A和3B分别是针对另一电抗(X)负载的V-I轨迹以及电压和电流波形的图；图4A和4B分别是针对相角控制(PAC)负载的V-I轨迹以及电压和电流波形的图；图5A和5B分别是针对具有功率因数校正电路的电子负载(P)的V-I轨迹以及电压和电流波形的图；图6A和6B分别是针对不具有功率因数校正电路的电子负载(NP)的V-I轨迹以及电压和电流波形的图；图7是根据本公开概念的实施例的即时功率分解和估计程序的流程图；图8A是LED灯的电压和电流波形以及V-I轨迹的图；图8B是白炽灯的电压和电流波形以及V-I轨迹的图；图8C是空间电扇的电压和电流波形以及V-I轨迹的图；图8D是调光灯的电压和电流波形以及V-I轨迹的图；图9A和9B分别是根据本公开概念的实施例的针对包括LED灯和白炽灯的组合负载的聚合电流和电压波形以及对应V-I轨迹的图；图10A是图9A和9B的组合负载的分解的电流波形和原始的聚合电流的图；图10B是图10A的组合负载的V-I轨迹和分解的电流波形的图；图11A和11B分别是根据本公开概念的实施例的包括LED灯和空间电扇的组合负载的聚合电流和电压波形以及对应V-I轨迹的图；图12A是图11A和图11B的组合负载的分解电流波形和原始的聚合电流的图；图12B是图12A的组合负载的V-I轨迹和分解的电流波形的图；图13A和13B分别是根据本公开概念的实施例的包括LED灯、空间电扇和调光灯的组合负载的聚合电流和电压波形以及对应V-I轨迹的图；图14A是图13A和13B的组合负载的分解的电流波形和原始的聚合电流的图；图14B是图14A的组合负载的V-I轨迹和分解的电流波形的图；图15和16是根据本公开概念的实施例的系统的框图。具体实施方式如本文所采用的，术语“数量”将意为一或大于一的整数(即，多个)。如本文所采用的，术语“处理器”将意为可存储、获取和处理数据的可编程模拟和/或数字设备；计算机；数字信号处理器；控制器；工作站；个人计算机；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，用于分解并估计由单个电插座(10)供电的多个电负载(4、6、8)的功率消耗，所述方法包括：测量(16、20)由所述单个电插座供电的所述多个电负载的聚合的电流波形(18)和电压波形(22)的一个线周期的多个样本；通过处理器(12)将所述一个线周期的所述测量的样本转换成所述单个电插座的聚合的电压‑电流轨迹(24)；以及根据所述一个线周期的所述聚合的电压‑电流轨迹，提供所述多个不同类别的电负载的功率消耗的即时分解。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.18 US 13/920,6021.一种方法，用于分解并估计由单个电插座(10)供电的多个电负载
(4、6、8)的功率消耗，所述方法包括：
测量(16、20)由所述单个电插座供电的所述多个电负载的聚合的电
流波形(18)和电压波形(22)的一个线周期的多个样本；
通过处理器(12)将所述一个线周期的所述测量的样本转换成所述单
个电插座的聚合的电压-电流轨迹(24)；以及
根据所述一个线周期的所述聚合的电压-电流轨迹，提供所述多个不同
类别的电负载的功率消耗的即时分解。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
采用电阻负载、相角控制负载、电抗负载和具有功率因数校正电路的
电子负载作为所述电负载的所述不同类别；
分层确定在聚合的电压-电流轨迹中是否可得到所述电阻负载、所述相
角控制负载、所述电抗负载以及所述具有功率因数校正电路的电子负载的
典型特征；以及
针对所述不同类别中的每种类别，估计由所述单个电插座供电的若干
电负载的功率消耗。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括：
所述分层确定从所述电阻负载开始，
确定在所聚合的电压-电流轨迹中可得到若干所述电阻负载的典型特
征，并且作为响应地使用最后的所述典型特征来分解所述若干所述电阻负
载的电流波形和电压-电流轨迹；以及
估计若干所述电阻负载的功率消耗，并且估计针对所述相角控制负载、
所述电抗负载以及所述具有功率因数校正电路的电子负载的由所述单个电
插座供电的若干其余负载的功率消耗。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括：
采用所述电负载的所述不同类别进一步包括不具有功率因数校正电路

\t的电子负载；
分层确定所述若干其余负载的功率消耗从所述相角控制负载开始，然
后是所述电抗负载，并且然后是所述具有功率因数校正电路的电子负载；
以及
最后基于在所聚合的电压-电路轨迹中的电流不连续性水平，估计不具
有功率因数校正电路的若干所述电子负载的功率消耗。
5.如权利要求3所述的方法，进一步包括：
采用所述电负载的所述不同类别进一步包括不具有功率因数校正电路
的电子负载和未知电负载；
分层确定所述若干其余负载的功率消耗从所述相角控制负载开始，然
后是所述电抗负载，并且然后是所述具有功率因数校正电路的电子负载；
最后基于在所聚合的电压-电流轨迹中的电流不连续性水平，估计若干
所述未知电负载的功率消耗。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
以所述聚合的电流和电压波形的每个样本大约若干千赫兹的速率，对
所述聚合的电流和电压波形进行采样。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
根据下式估计由所述单个电插座供电的若干电阻负载的功率消耗：
Vpeak2×Slopdiag/2
采用Vpeak作为所采样的电压波形的最大值；
采用Slopdiag作为通过Slopdiag＝Ik/Vk计算的聚合的电压-电流轨迹的对
角线的斜率；
采用(Vk，Ik)作为沿着所聚合的电压-电流轨迹的任意点；
采用k＝1，2，…N；以及
采用N作为每个所述一个线周期的每个聚合的电流和电压波形的样本
数。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
根据下式估计若干电抗负载的功率消耗：
Vpeak·Ipeak·cos(θ)/2；以及
采用Vpeak作为所采样的电压波形的最大值；
采用Ipeak作为所采样的聚合的电流波形的最大值；
采用θ作为在该电压波形和聚合的电流波形之间的相角；
根据下式在图形上估计θ：
π2-acos(VI=0Vpeak);]]>以及
采用VI＝0作为当对应电流值为0时的正电压值。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
根据下式估计若干电抗负载的功率消耗：
Vpeak·Ipeak·cos(θ)/2；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨奕，L·杜，D·何，
申请(专利权)人：伊顿公司，
类型：发明
国别省市：美国;US