祁 兵，劉利亞，張 瑜，翟 峰，楊 斌

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024)

居民負(fù)荷作為電力負(fù)荷重要組成部分，其電能消耗比重逐漸增大，因此居民用電節(jié)能對推進(jìn)整個社會的節(jié)能減排、緩解能源危機(jī)起著重要作用[1]。居民家庭的用電可視化是開展節(jié)能工作的基礎(chǔ)，它有助于了解自身不同時段各家電負(fù)荷電能的消耗情況，制定合理的節(jié)能措施，有針對性的選購節(jié)能設(shè)備，從而降低能源消耗，減少電費(fèi)開支。

20世紀(jì)80年代，麻省理工學(xué)者George W. Hart提出了一種基于非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(NILM：Nonintrusive Load Monitoring)[2]的用電負(fù)荷識別技術(shù)，該技術(shù)有望解決現(xiàn)有居民負(fù)荷用電可視化的問題。NILM利用居民負(fù)荷特性(Load Signature)來識別并細(xì)化每個用電負(fù)荷的操作信息和用電消耗量。因此，基于NILM技術(shù)實(shí)現(xiàn)非干預(yù)式的居民家庭用電可視化的技術(shù)基礎(chǔ)是居民負(fù)荷特性研究與負(fù)荷識別算法研究?；谠O(shè)備的負(fù)荷特性和耗電特性可以建立用戶用電數(shù)據(jù)庫和典型家電負(fù)荷樣本模型庫，從而實(shí)現(xiàn)對用戶用電行為的分析和改善，為社會節(jié)能節(jié)電提供科學(xué)指導(dǎo)；也有助于實(shí)現(xiàn)居民家庭能耗測算，為能耗測算提供數(shù)據(jù)支持。此外，負(fù)荷特征研究在電力需求側(cè)管理和智能化用電方面也起到基礎(chǔ)性作用[3]。

近年來，隨著節(jié)能減排技術(shù)的不斷推進(jìn)，國內(nèi)外一些機(jī)構(gòu)在家庭典型負(fù)荷特性分析方面的研究逐漸增多，并獲得一定成果。負(fù)荷特征是用電設(shè)備耗電時特有的電氣行為，每一個用電設(shè)備在用電過程中都有獨(dú)特特征，可以通過分析研究用電設(shè)備的用電信息來獲取[4]。傳統(tǒng)電力負(fù)荷特征研究著重于穩(wěn)態(tài)模型研究，如P-Q模型等。但隨著用電設(shè)備種類和數(shù)量的不斷增加，負(fù)荷功率特征出現(xiàn)了重疊相似，單單依靠這一特征已不足以支撐負(fù)荷識別研究。近年針對居民負(fù)荷微觀特性的研究逐漸開展，如亞里士多德大學(xué)、羅徹斯特大學(xué)和阿爾伯特大學(xué)等，并取得豐碩的研究成果[5-7]。

負(fù)荷特征可分為暫態(tài)特征、穩(wěn)態(tài)特征和運(yùn)行模式特征，其包含的信息量十分豐富。穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩類負(fù)荷特征取決于設(shè)備內(nèi)部的元器件特征，運(yùn)行模式類特征則取決于設(shè)備的運(yùn)行控制策略[8]。研究結(jié)果表明，不同負(fù)荷特征之間具有較大區(qū)別。目前國內(nèi)著眼于宏觀層面上的大區(qū)域、大范圍負(fù)荷特性研究，在微觀負(fù)荷特征方面的研究不多。國內(nèi)一般說的負(fù)荷特性是指一段時間內(nèi)某一區(qū)域內(nèi)總的電力負(fù)荷，尤其是功率方面的變化表現(xiàn)出的規(guī)律。因此在居民用電負(fù)荷的微觀層面對其負(fù)荷特征進(jìn)行深入探討具有實(shí)際意義。

本文以居民用戶實(shí)際用電環(huán)境為背景，依據(jù)信號分析相關(guān)理論，選取易于區(qū)分的負(fù)荷特征以及合適的特征提取方法。設(shè)計(jì)不同的用電場景，在電力入口處采集用電數(shù)據(jù)，從中提取負(fù)荷特征，并進(jìn)行處理存儲，形成負(fù)荷特征庫。為了方便調(diào)用和分析特征庫中的信息，本文建立一個可視化界面。該界面可以清晰顯示不同負(fù)荷的各類特征，為后續(xù)負(fù)荷特征分析以及負(fù)荷識別提供依據(jù)。

1 負(fù)荷特征分析

現(xiàn)有負(fù)荷特征可以分為暫態(tài)特征和穩(wěn)態(tài)特征兩大類，如圖1所示。穩(wěn)態(tài)特征主要包括有功功率、無功功率、電壓電流的基波分量及諧波分量等，穩(wěn)態(tài)特征提取方法較為簡單，一般采用時域分析或諧波分析等提取方法。暫態(tài)特征主要包括瞬時電流、瞬時功率、開關(guān)暫態(tài)等，其提取方法相對而言較復(fù)雜，常用方法有頻譜分析、小波分析等頻域分析方法。

圖1 負(fù)荷特征類型與分析方法

1.1 穩(wěn)態(tài)特征分析

穩(wěn)態(tài)特征多數(shù)可以經(jīng)過直接采樣或簡單數(shù)據(jù)處理獲得，相對于暫態(tài)特征，穩(wěn)態(tài)特征具有測量和處理較為簡單的優(yōu)勢，因此在非侵入式負(fù)荷監(jiān)測研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。常見穩(wěn)態(tài)負(fù)荷特征及提取方法見表1。

由表1可知，基于穩(wěn)態(tài)特征的提取技術(shù)不能有效應(yīng)對一些辨識難度較高的場景，如某些用電設(shè)備的特征類似及重疊等情況。下面介紹常用穩(wěn)態(tài)特征的計(jì)算公式。

a. 有功無功功率[13]：通過采樣電流和電壓，可直接計(jì)算出有功功率和無功功率。

有功功率：

(1)

無功功率：

(2)

式中：U、I為負(fù)荷正常工作時電壓與電流的有效值；φ為負(fù)荷正常工作時的功率因數(shù)角；k為諧波次數(shù)。

b. 電壓-電流軌跡：以1個周期內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)作為橫坐標(biāo)，電流數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)繪制V-I曲線，V-I曲線可以從圖形角度反映出設(shè)備諧波含量的高低[14]，對于電阻負(fù)載其V-I圖形是1條直線；感性容性負(fù)載其V-I曲線是1個橢圓；若只對3次諧波電流繪制V-I曲線，其必有2個交點(diǎn)。因此V-I曲線可以從圖形角度反映出電流中所含諧波成分的高低，若繪制的V-I曲線有交點(diǎn)，其諧波含量必然很高；若圖形與橢圓形狀相差很大，則其諧波含量必然很高。

不同負(fù)荷的V-I曲線相差明顯，如空調(diào)、微波爐等電器的V-I曲線具有交點(diǎn)，而熱水壺等電器沒有交點(diǎn)，所以可以取交點(diǎn)的個數(shù)作為V-I特性的衡量參數(shù)；各曲線的中心線傾斜角也有所不同，中心線對應(yīng)V-I曲線中最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的連線，因此取中心線的斜率作為V-I特性的衡量參數(shù)；V-I曲線是一閉合的曲線，且不同負(fù)荷其V-I曲線圍成的面積各不相同，因此可以取V-I曲線的面積作為衡量參數(shù)。因此，選取V-I曲線的中心線斜率、封閉區(qū)域面積、交叉點(diǎn)個數(shù)作為負(fù)荷V-I曲線的特征點(diǎn)。

c. 電流波形特征：不同家電的電流波形存在明顯差異。為反映各個用電設(shè)備電流波形的差異，計(jì)算提取各電器電流波形的均方根、幅值和波峰系數(shù)，計(jì)算公式如下:

均方根：

(3)

幅值：

IP=max(i(k)),0≤k

(4)

波峰系數(shù)：

(5)

d. 電流諧波：不同負(fù)荷電流中所含諧波成分有所差別，根據(jù)傅里葉變換技術(shù)，對負(fù)荷電流進(jìn)行處理，得到頻域諧波[15]，計(jì)算公式如下:

(6)

同時還可就按各負(fù)荷的總諧波畸變率THD(Total Harmonics Distortion)值。THD指的是電流全部諧波含量均方根值與基波均方根值之比。計(jì)算公式如下:

(7)

式中：I(k)表示電流k次諧波分量的有效值；I(1)表示電流基波分量的有效值。

1.2 暫態(tài)特征分析

對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)特征在負(fù)荷識別方面的局限，暫態(tài)特征提取技術(shù)具有更強(qiáng)的適用性，能區(qū)分不同功能的負(fù)荷。此外，負(fù)荷的暫態(tài)過程持續(xù)時間短于穩(wěn)態(tài)過程持續(xù)時間，因此暫態(tài)特征的重疊現(xiàn)象也較穩(wěn)態(tài)特征少。常見暫態(tài)負(fù)荷特征及提取方法見表2。

表2 常見暫態(tài)負(fù)荷特征及提取方法分析

下面介紹常用暫態(tài)特征的計(jì)算公式。

a. 瞬時功率：瞬時功率定義為電壓與電流的乘積，計(jì)算公式如下：

p(t)=u(t)×i(t)

(8)

常見瞬時功率波形特征值包括幅值、雙峰面積，計(jì)算公式如下：

幅值：

Pp=max(p(k)),0≤k

(9)

雙峰面積：

(10)

b. 開關(guān)暫態(tài)特征：各電器從開啟到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需的時間有所差異，開啟時電流的變化形式各不相同，對于電阻負(fù)載直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，對于非線性負(fù)載電流啟動時會有脈沖電流。因此，可以通過采集負(fù)荷開啟到穩(wěn)定工作這段時間的電流波形，從中提取投切耗時、啟動脈沖峰值以及啟動時電流的階躍高度作為開關(guān)暫態(tài)特征值；也可以采集完整的電流波形并提取電流包絡(luò)線，從包絡(luò)線中也可以獲得啟動脈沖峰值以及階躍電流高度，還可以觀察到不同負(fù)荷電流包絡(luò)線的文波特性。一般對于電動機(jī)負(fù)載，如空調(diào)、洗衣機(jī)等，其電流波形具有文波特性。

2 家電負(fù)荷特征提取

本文通過在實(shí)驗(yàn)室中搭建電力數(shù)據(jù)測量平臺，對典型家電負(fù)荷的電流電壓波形進(jìn)行采樣記錄，采樣頻率為1～10 kHz。然后利用一定的方法從中提取出不同類型的特征值。

2.1 電流穩(wěn)態(tài)特征

選取用戶中典型的幾種負(fù)荷，如電水壺、熱水器、吸塵器、電腦、微波爐、冰箱、空調(diào)等作為研究對象，得到其正常工作時的穩(wěn)態(tài)電流波形，如圖2所示。

由圖2可知，發(fā)現(xiàn)不同負(fù)荷的電流曲線有所不同。其中電水壺和熱水器的電流為明顯的正弦曲線，而微波爐、吸塵器、電腦，空調(diào)制冷狀態(tài)的電流畸變嚴(yán)重，而且畸變形狀不同。為了更清楚地反映各負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流波形的區(qū)別，根據(jù)式(3)—(5)提取各家電負(fù)荷的電流波形特征值，結(jié)果如表3所示。

圖2 家電負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流波形

表3 各家電負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流波形曲線特征值

觀察表3，發(fā)現(xiàn)不同家電負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流波形中包含的特征值存在較大區(qū)別，可以作為負(fù)荷識別的依據(jù)。其中較為明顯的是各負(fù)荷的電流幅值不同，空調(diào)制熱模式下的幅值可達(dá)810.428 8 A，而電腦的幅值僅0.457 7 A，相差較大。另外結(jié)合圖3，可以發(fā)現(xiàn)電水壺、熱水器這些線性負(fù)荷的波峰系數(shù)接近于1.4；非線性負(fù)荷的波峰系數(shù)則與1.4差距較大，且非線性程度越大，其差距越大。

2.2 電流諧波特征

利用短時傅里葉變換技術(shù)手段，對負(fù)荷電流進(jìn)行傅里葉變換，得到頻域上的諧波，并根據(jù)式(7)計(jì)算得到各家電負(fù)荷的THD值，結(jié)果如圖3、表4所示。

圖3 家電負(fù)荷電流諧波對比圖

表4 各家電負(fù)荷THD值 %

通過上述不同電器電流諧波比較，可以看出吸塵器的畸變率較高，THD值為47%，存在較大幅值的直流和低次諧波；微波爐與電腦的THD值都在38%左右，但是二者幅值各次諧波的差距均極大，可以明顯區(qū)分出來；空調(diào)制冷模式與制熱模式的THD值都在14%上下，諧波以奇次諧波為主，但制熱模式的諧波幅值較制冷模式更高。最小的是電風(fēng)扇和電熱壺，電風(fēng)扇THD值為7%，電熱壺THD為2%，兩者可以通過THD值與基波幅值比較識別。經(jīng)過分析，家用電器負(fù)荷各自具有獨(dú)特的諧波特征，通過諧波特征對家用電器進(jìn)行識別是可行的。

2.3 瞬時功率特征

圖4所示為典型家電負(fù)荷的瞬時功率曲線，可以看出不同用電設(shè)備的瞬時功率波形相差較大，各用電設(shè)備在1個周期內(nèi)瞬時功率波形幅值不同，且相差較大?；谏鲜龇治?，計(jì)算瞬時功率波形的幅值，雙峰面積作為瞬時功率波形的特征，提取瞬時功率波形特征值數(shù)據(jù)見表5。

由表5可以看出，不同負(fù)荷之間的瞬時功率特征參數(shù)存在較大差別。空調(diào)制熱模式下的瞬時功率峰值高達(dá)2 989.313 W，吸塵器與電水壺的功率幅值相對而言也較大，電腦與其它負(fù)荷相比功率幅值明顯降低，僅115.842 W，雙峰面積也有較大區(qū)別，總體而言數(shù)據(jù)間差異較大，根據(jù)瞬時功率相關(guān)的特征參數(shù)易于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷識別。

圖4 典型負(fù)荷的瞬時功率曲線

表5 瞬時功率特征參數(shù)

2.4 諧波功率特征

有功功率和無功功率是描述用電設(shè)備耗電特性的最常用指標(biāo)，本文選取用戶內(nèi)常用的家電設(shè)備作為研究對象，提取典型家電負(fù)荷的各次諧波功率特征，結(jié)果如圖5所示。

圖5 典型負(fù)荷的諧波功率

由圖5可知，就絕對值而言，吸塵器的直流、2次諧波有功功率比其他負(fù)荷大許多；微波爐的3次諧波有功明顯比其他負(fù)荷要大；空調(diào)制熱的5次諧波比其他負(fù)荷更大。還可以通過功率的正負(fù)來判斷。在無功功率中，明顯可以看出的是，比較絕對值大小，吸塵器的2次諧波無功較大，微波爐3次、4次諧波無功較大，空調(diào)制熱的3次、5次、7次諧波無功比其他負(fù)荷更大。不同負(fù)荷的無功正負(fù)也有差別。

2.5 電流包絡(luò)線特征

典型負(fù)荷中，有一類負(fù)荷含有電動機(jī)負(fù)載，例如空調(diào)、吸塵器、洗衣機(jī)等。這種負(fù)荷的電流波形有文波特性。利用采集數(shù)據(jù)時完整密集的電流波形，繪制每個負(fù)荷的包絡(luò)線，以便更好地顯示其動態(tài)特性。典型家電負(fù)荷的包絡(luò)線如圖6所示。

可以看出，不同的設(shè)備其電流包絡(luò)線完全不同，空調(diào)、微波爐、吸塵器啟動時有短時的脈沖電流；吸塵器、空調(diào)制冷的包絡(luò)線具有明顯的波紋，空調(diào)制熱狀態(tài)在工作初期不穩(wěn)定時也有一段明顯的波紋，電水壺的波形則一直比較平穩(wěn)。這里電風(fēng)扇有波紋是因?yàn)榇嬖谠肼暤脑?，風(fēng)扇的幅值較小，所以相同噪聲下受到的影響更大。

選取電流包絡(luò)線的脈沖電流幅值(取絕對值)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時平均值及開啟時階躍高度作為電流包絡(luò)線的特征值見表6。

可以看出不同電器由關(guān)到開電流階躍大小存在明顯差異，脈沖峰值也有所不同，因此依據(jù)上述特征實(shí)現(xiàn)負(fù)荷識別在技術(shù)上是可行的。

圖6 典型家電負(fù)荷的包絡(luò)線

表6 負(fù)荷的包絡(luò)線特征參數(shù)A

2.6 開關(guān)暫態(tài)特征

本文提取了不同負(fù)荷從關(guān)到開再到正常工作時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，并計(jì)算出每個負(fù)荷的過渡時間和脈沖電流。各電器開啟到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時間有所差異，開啟時電流的變化形式各不相同，對于電阻負(fù)載直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，對于非線性負(fù)載電流啟動時會有脈沖電流。

各負(fù)荷的開關(guān)暫態(tài)波形如圖7所示。從開關(guān)暫態(tài)電流波形中提取的一些特征參數(shù)見表7。

圖7 典型負(fù)荷的開關(guān)暫態(tài)電流波形

表7 開關(guān)暫態(tài)特征參數(shù)

由表7對比不同負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)空調(diào)制熱模式存在最長的過渡時間；而電風(fēng)扇、電腦和冰箱的開啟時間較短；不同負(fù)荷開啟的脈沖電流也不同，冰箱開啟的脈沖電流高達(dá)18.42 A。

3 負(fù)荷特征庫可視化界面

設(shè)計(jì)負(fù)荷的特征庫可視化界面是為了用戶方便調(diào)用查看特征庫的信息，避免在龐大的特征庫中進(jìn)行人為搜索，利用機(jī)器自動調(diào)用并將結(jié)果呈現(xiàn)出來。

可視化界面主要包括兩部分內(nèi)容，一部分是對單負(fù)荷各種特征參數(shù)和圖像的展示，包括電流特征、功率特征、包絡(luò)線特征以及開關(guān)暫態(tài)特征等；另一部分是對多負(fù)荷混合情況下各種特征參數(shù)和圖像的展示。對于多負(fù)荷混合的情況其特征提取方法與上述單負(fù)荷特征提取方法完全一致，將多負(fù)荷混合運(yùn)行下的特征加入特征庫有助于分析負(fù)荷混合運(yùn)行與單獨(dú)運(yùn)行時不同特征之間的關(guān)聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)NILM的基礎(chǔ)。

如圖8所示，系統(tǒng)開始界面只有“單個負(fù)荷”與“多個負(fù)荷”2個選項(xiàng)，點(diǎn)擊1個按鈕，展開菜單欄，即可進(jìn)行負(fù)荷和表示特征的選擇。

圖8 開始界面

點(diǎn)擊“單負(fù)荷”按鈕后，會出現(xiàn)2個滑動菜單控件，一個是負(fù)荷名稱，另一個是負(fù)荷特征。分別對2個菜單進(jìn)行選擇，會在右邊出現(xiàn)相應(yīng)的圖像以及在下方顯示相應(yīng)的特征值。點(diǎn)擊“多負(fù)荷”按鈕后的界面與單負(fù)荷界面相似，只是由于滑動菜單寬度限制，對于混合負(fù)荷的描述采用簡化形式，為各個負(fù)荷編號，然后在下方設(shè)置1個點(diǎn)擊“多個負(fù)荷”時會顯示的解釋框，解釋菜單欄中各編號所指代的負(fù)荷名稱，其余設(shè)置和參數(shù)均與單負(fù)荷界面類似。

如圖9(a)、9(b)所示，點(diǎn)擊“單負(fù)荷”按鈕后，會出現(xiàn)2個菜單欄，左邊為特征庫中包含的單負(fù)荷名稱，右邊為特征庫中包含的特征種類，對兩者進(jìn)行選擇，圖9(a)為選擇電水壺的電流特性后的界面，圖9(b)為選擇微波爐的電流特性后的界面。該界面會自動展示所選負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)電流波形和電流諧波，并將與電流相關(guān)的一些特征參數(shù)，如均方根、幅值、波峰系數(shù)和THD值顯示在右下角的參數(shù)顯示框內(nèi)。如圖9(c)所示，點(diǎn)擊“多負(fù)荷”按鈕后，同樣出現(xiàn)2個菜單欄，不同之處在于左邊為特征庫中包含的混合負(fù)荷，這里將不同的負(fù)荷簡化為1個數(shù)字，并在下面的解釋框中進(jìn)行說明。如圖9(c)中選擇了“3+4”的電流特性，其具體含義是指微波爐和電水壺混合運(yùn)行時的電流特性，結(jié)果同樣在右側(cè)顯示。

圖9 單負(fù)荷與多負(fù)荷電流特性界面

通過負(fù)荷特征可視化界面可以清晰比較不同負(fù)荷之間的關(guān)聯(lián)，觀察圖9，可發(fā)現(xiàn)電水壺與微波爐電流波形相差較多，電水壺電流波形十分接近，正弦波屬于線性負(fù)荷，而微波爐的電流波形存在嚴(yán)重畸變，屬于非線性負(fù)荷，兩者混合運(yùn)行時的電流波形畸變明顯減輕，其波峰系數(shù)與THD值均介于兩者之間，近似線性。

圖10為選擇包絡(luò)線特性后的界面，與電流特性界面相似，均在右邊展示負(fù)荷運(yùn)行時的電流包絡(luò)，并將與電流包絡(luò)相關(guān)的特征參數(shù)，如脈沖電流、階躍電流、平均電流等，顯示在右下角的參數(shù)顯示框內(nèi)。

圖10 單負(fù)荷與多負(fù)荷包絡(luò)線特性界面

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)從居民用電負(fù)荷的微觀層面對其負(fù)荷特征進(jìn)行深入探討，有助于更充分地挖掘不同負(fù)荷之間的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，為居民負(fù)荷可視化研究奠定基礎(chǔ)。

選取用戶內(nèi)部較為典型的家電設(shè)備作為研究對象，依據(jù)信號分析相關(guān)理論對負(fù)荷特征進(jìn)行分析。選取幾種具有辨識性的特征，包括暫態(tài)特征和穩(wěn)態(tài)特征。通過在實(shí)驗(yàn)室中搭建電力數(shù)據(jù)測量平臺，模擬居民用戶中不同的用電場景，采集各負(fù)荷工作時的電壓和電流，然后利用一定的數(shù)學(xué)方法從中提取特征，形成負(fù)荷特征庫。最后利用Matlab建立負(fù)荷特征庫可視化界面，方便調(diào)用和分析特征庫的數(shù)據(jù)，為下一步負(fù)荷識別做準(zhǔn)備。

負(fù)荷特征庫靈活性較強(qiáng)，可以隨時隨地進(jìn)行完善補(bǔ)充，也可對一些內(nèi)容進(jìn)行刪除。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一種新型的可辨識性較強(qiáng)的特征時，可以對不同負(fù)荷進(jìn)行提取，然后加入特征庫中，使其更加完善。為了方便對比分析不同負(fù)荷之間、單負(fù)荷與混合負(fù)荷之間特征的關(guān)聯(lián)，可以借助可視化界面對比較對象的特征同時調(diào)用顯示，從而可以清晰明了地比較不同負(fù)荷特征之間的區(qū)別和聯(lián)系。