李 爭(zhēng) 王 澤 馮 威 安國(guó)慶 李 崢 王 強(qiáng) 陳 賀

（1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 石家莊 050018；2.河北省智能配用電裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（石家莊科林電氣股份有限公司）石家莊 050222）

引言

近些年來(lái)，非侵入負(fù)荷監(jiān)測(cè)（Non-Intrusive Load Monitoring，NILM）發(fā)展迅速，引起了關(guān)于節(jié)能環(huán)保技術(shù)部門的研究熱潮。國(guó)家在節(jié)能環(huán)保方面也出臺(tái)了許多相關(guān)文件，對(duì)節(jié)能環(huán)保方面做出了重要指示，采取合理方案使供需關(guān)系平衡發(fā)展，促進(jìn)和響應(yīng)節(jié)能減排的號(hào)召。非侵入式負(fù)荷檢測(cè)具有成本低、可行性高等特點(diǎn)[1-3]，是未來(lái)負(fù)荷檢測(cè)的發(fā)展方向。非侵入式負(fù)荷檢測(cè)不僅可以對(duì)用戶的用電信息進(jìn)行科學(xué)的對(duì)比分析，還可以對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘。智能電表的普及對(duì)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)也起到一定的推動(dòng)作用[4-6]。

電力負(fù)荷用電監(jiān)測(cè)（簡(jiǎn)稱負(fù)荷監(jiān)測(cè)），是指對(duì)于不同類型的用電負(fù)荷通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理得到相應(yīng)的電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)并檢測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)和能耗情況，是一種具有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵性技術(shù)[7]。通過(guò)了解各類負(fù)荷的運(yùn)行模式、啟停時(shí)間、用電量等信息，可以提高用戶的節(jié)電意識(shí)。在為電力公司提供相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，促進(jìn)電力公司負(fù)荷模型的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更高精度的負(fù)荷建模，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在供需平衡的條件下極大地減少用電消耗，深度挖掘用戶行為習(xí)慣[8]。在不會(huì)對(duì)用戶隱私侵犯的前提下采集用戶的用電信息，為減少能源浪費(fèi)提供了便利條件[9-11]。

根據(jù)檢測(cè)時(shí)負(fù)荷特征的獲取方式不同，負(fù)荷監(jiān)測(cè)可分為侵入式和非侵入式兩大類[12]。傳統(tǒng)的負(fù)荷監(jiān)測(cè)所采用的方法是侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)，通過(guò)給每個(gè)負(fù)荷安裝傳感器的方式進(jìn)行負(fù)荷用電特征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖1所示。該方法不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)負(fù)荷特征數(shù)據(jù)的獲取相對(duì)容易。缺點(diǎn)也非常明顯，不僅可操作性很差并且實(shí)施成本和維護(hù)成本也十分高昂，大部分用戶無(wú)法負(fù)擔(dān)得起。而且安裝時(shí)需要將設(shè)備埋入建筑的內(nèi)部，不僅存在安全隱患，對(duì)于設(shè)備的定期維修也造成了一定的困難；另一方面，由于侵入式負(fù)荷檢測(cè)所用傳感器較多，雖然具有較少的擾動(dòng)誤差但存在較多的干擾因素，這也會(huì)影響到運(yùn)行負(fù)荷的可靠性與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)示意圖

非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)是指僅需通過(guò)某電力用戶的家用電表就可以對(duì)該用戶所用負(fù)荷類型進(jìn)行判斷，如圖2所示。該方法根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)值序列來(lái)精準(zhǔn)識(shí)別或推理用戶負(fù)荷的運(yùn)行檔位和用電器參數(shù)等信息，不需要在用戶的家中安裝大量的傳感器，優(yōu)點(diǎn)主要為經(jīng)濟(jì)成本較低[13]，不會(huì)干擾用戶的生產(chǎn)生活，安裝成本很低，檢測(cè)設(shè)備的檢修較為方便。

圖2 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)示意圖

設(shè)備智能化是目前發(fā)展的一種趨勢(shì)，設(shè)備的智能化對(duì)數(shù)據(jù)挖掘有較高的要求[14]，而NILM系統(tǒng)可以提供可靠的數(shù)據(jù)支持，這有利于家居智能化、智慧電網(wǎng)等方向的發(fā)展。從成本和監(jiān)測(cè)的性質(zhì)方面對(duì)兩種監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行對(duì)比，如表1所示[15]。

表1 侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)與非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的對(duì)比

1 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)基本原理

NILM 主要通過(guò)負(fù)荷分解，分解出用電信息，分解結(jié)果可進(jìn)一步用于反饋給電采集設(shè)備和用戶，可使用戶有計(jì)劃地節(jié)約用電，電網(wǎng)有計(jì)劃的供電進(jìn)而達(dá)到供需平衡的目的。從發(fā)展?jié)摿?lái)看，分解得到的用戶用電信息主要包括用電器的檔位大小、功率大小等，對(duì)這些信息進(jìn)行匯總、篩選和統(tǒng)計(jì)，將有利于電力公司及其用戶增強(qiáng)節(jié)能節(jié)電意識(shí)、有計(jì)劃性的斷電達(dá)到節(jié)能減排的目的，還有利于國(guó)家對(duì)電價(jià)的調(diào)控以及鼓勵(lì)措施，實(shí)現(xiàn)多方共贏。

非侵入負(fù)荷檢測(cè)典型框架如圖3所示[16]。由于近年來(lái)智能家居、智能儀表的等蓬勃發(fā)展，需求響應(yīng)也在逐步增加。非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)擁有大量的用戶群體，同時(shí)也對(duì)用電信息等數(shù)據(jù)提出了更高的要求，而NILM 的研究也為實(shí)現(xiàn)家居智能化提供了可靠的數(shù)據(jù)背景?，F(xiàn)如今非侵入式負(fù)荷檢測(cè)的研究例如在負(fù)荷特征提取、分解辨識(shí)等方面均有一定研究基礎(chǔ)。

圖3 非侵入式負(fù)荷檢測(cè)典型流程圖

2 負(fù)荷特征的提取方法

隨著負(fù)荷功能的增加，雖然負(fù)荷差異有所增加，但是具有相似負(fù)荷特征的用電器也在增加這使得辨識(shí)愈發(fā)的困難。負(fù)荷特征是在辨識(shí)和分解中起著至關(guān)重要的作用，不僅是作為識(shí)別負(fù)荷設(shè)備的依據(jù)，也是實(shí)現(xiàn)NILMD原理的關(guān)鍵[17]。在非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，負(fù)荷特征是區(qū)分負(fù)荷設(shè)備類型的關(guān)鍵，不同負(fù)荷運(yùn)行的啟停在非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中都可以識(shí)別出來(lái)。雖然不同的負(fù)荷設(shè)備具有不同的運(yùn)行特征，但有些負(fù)荷具有多種特征，有些負(fù)荷之間的特征又十分相似，將對(duì)負(fù)荷識(shí)別的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。為提高負(fù)荷識(shí)別的準(zhǔn)確性，應(yīng)合理地結(jié)合多種負(fù)荷特征進(jìn)行負(fù)荷辨識(shí)，從而提高系統(tǒng)的工作效率。然而，多種負(fù)荷特征的結(jié)合對(duì)負(fù)荷特征數(shù)據(jù)庫(kù)的要求較高[18]，需要一定的方法對(duì)負(fù)荷特征進(jìn)行區(qū)分、存儲(chǔ)，從而達(dá)到盡可能完善數(shù)據(jù)庫(kù)的目的。目前大部分非侵入式識(shí)別算法的準(zhǔn)確率較高，文獻(xiàn)[19]基于暫態(tài)特征進(jìn)行辨識(shí)最高準(zhǔn)確率為97.4 %；文獻(xiàn)[20]基于穩(wěn)態(tài)特征使用GMCE圖像作為負(fù)荷辨識(shí)依據(jù)，準(zhǔn)確率能達(dá)到97 %。

非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)分析方法一般分為基于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)負(fù)荷特征兩大類，如圖4所示?；跁簯B(tài)負(fù)荷特征的獲取要求較高[21]，需要通過(guò)高頻采樣觀測(cè)獲取，因此穩(wěn)態(tài)特征較暫態(tài)特征更易獲取，而且穩(wěn)態(tài)特征有著較好的抗干擾能力。就數(shù)據(jù)收集的難易程度而言，穩(wěn)態(tài)特性具有良好的可操作性，并且越來(lái)越多地用于負(fù)荷監(jiān)測(cè)相關(guān)研究中。實(shí)際上，通常存在兩個(gè)及其以上的負(fù)荷同時(shí)進(jìn)行工作的情形，且不同用電器的負(fù)荷特性也都不一樣。在噪聲必須存在的情況下，功率較大的設(shè)備會(huì)對(duì)功率較小的設(shè)備產(chǎn)生一定的影響，這會(huì)對(duì)識(shí)別的精度帶來(lái)一定的影響?？傊乔秩胴?fù)荷監(jiān)測(cè)需要考慮的因素較多，不僅需要考慮數(shù)據(jù)采集的方案是否可行，還必須考慮負(fù)荷特征組合對(duì)識(shí)別效率的影響。 因此合理的負(fù)荷特征提取方法是非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵。

圖4 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)分析方法

2.1 暫態(tài)特征提取

隨著科技的進(jìn)步智能電表逐漸普及，智能電表的發(fā)展使穩(wěn)態(tài)條件下的負(fù)荷特性更易獲取，促進(jìn)了非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的發(fā)展。由于用電器具有很多不同的功能和擋位，因此不同的用電器具有不同的狀態(tài)。用電器的穩(wěn)定狀態(tài)可大致分為三類，并且辨識(shí)難度依次增加。第一類為開/關(guān)二狀態(tài)設(shè)備（ON/OFF），這類用電器僅有兩種運(yùn)行狀態(tài)即開和關(guān)，是用電器辨識(shí)中最簡(jiǎn)單的一種[22]。第二類為有限多狀態(tài)設(shè)備（Finite State Machine，F(xiàn)SM）該類設(shè)備可以大致理解為有多種第一類狀態(tài)并且可以在不同設(shè)備之間進(jìn)行來(lái)回切換，故相比于第一類負(fù)載具有一定的復(fù)雜性。第三類為連續(xù)變狀態(tài)設(shè)備（Continuously Variable Devices，CVD），這種設(shè)備具有較大的辨識(shí)難度，主要生成該類特征的電器為變頻器。該類設(shè)備在運(yùn)行時(shí)利用暫態(tài)很難進(jìn)行檢測(cè)，并且時(shí)常會(huì)與其他電器進(jìn)行混淆。在前兩種設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，功率較大的設(shè)備，由于諧波和影響因子較多會(huì)產(chǎn)生過(guò)多雜波。功率較小的設(shè)備因其功率較小，會(huì)對(duì)小功率暫態(tài)特征造成極大的干擾。面對(duì)不同的功率進(jìn)行辨識(shí)，需要有多種完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，才能提高負(fù)荷識(shí)別的精度。

在日常生活中，用電器占比較大的負(fù)荷類別為電阻類，例如熱水器、電熱毯、電飯煲等，該類負(fù)載核心用電裝置為電阻絲，該電阻絲如同純電阻一般進(jìn)行發(fā)熱，通過(guò)該裝置將電能轉(zhuǎn)化為熱能，由于有功功率比較大，雖然有少許的感性會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率但相對(duì)于有功功率來(lái)講可忽略不計(jì)，并且該用電器暫態(tài)特征持續(xù)時(shí)間較少，電流波形比較接近正弦波沒(méi)有高次諧波，因此有功功率為該負(fù)載的主要特征。對(duì)于感性負(fù)荷而言，設(shè)備的核心用電設(shè)備具有較多的線圈，其線圈在運(yùn)行時(shí)大致呈現(xiàn)感性。產(chǎn)生該負(fù)荷特征的用電器主要有電扇、洗衣機(jī)和水泵等電機(jī)類負(fù)載，該設(shè)備具有一定的無(wú)功功率并且相對(duì)于有功功率而言不可忽略。以電機(jī)為例，帶載能力的不同，暫態(tài)時(shí)無(wú)功功率的大小、峰值與形狀也不同。因此無(wú)功功率可以作為暫態(tài)檢測(cè)指標(biāo)之一。容性負(fù)載較少且主要用于電力電子設(shè)備器件中，有時(shí)也用于中和感性負(fù)載。其目的是為了提高功率因數(shù)。綜上所述，暫態(tài)特征可以提取有功功率和無(wú)功功率的幅值和大小，可以對(duì)不同的特征進(jìn)行分類并辨識(shí)出最終結(jié)果。

不同的負(fù)荷具有不同的負(fù)荷暫態(tài)特征，也具有可以大致確定的開關(guān)暫態(tài)特性，其中就包括暫態(tài)過(guò)程的負(fù)荷脈沖峰值、持續(xù)時(shí)間、在暫態(tài)期間所消耗的有功功率等。根據(jù)不同負(fù)荷設(shè)備在開啟的過(guò)程中的暫態(tài)特性不同，將其作為非侵入式負(fù)荷辨識(shí)的指標(biāo)之一。有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的描述[23]，通過(guò)對(duì)用電器瞬態(tài)的波形進(jìn)行小波變換并進(jìn)行了一定程度上的分析，例如通過(guò)對(duì)各頻段的信息進(jìn)行提取處理，分別從高低兩個(gè)頻段的信息中得出負(fù)荷的工作時(shí)間與開啟瞬間的諧波能量，基本特征均體現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的暫態(tài)波形上。

2.2 穩(wěn)態(tài)特征提取

穩(wěn)態(tài)不需要特別高的采樣率，相對(duì)于檢測(cè)具有高頻采樣率的暫態(tài)投切而言，該方法所需要的采樣頻率和硬件的要求相對(duì)較低，可以使硬件出現(xiàn)故障的頻率大幅度降低，對(duì)后續(xù)負(fù)荷檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性而言具有非常重要的意義。但采樣率較低這一特點(diǎn)給后續(xù)的分析與處理造成了一定量的難度。

實(shí)際情況中，當(dāng)相同類型用電器開啟時(shí)，僅利用暫態(tài)特性就會(huì)出現(xiàn)一定的局限性，此時(shí)穩(wěn)態(tài)特征的加入會(huì)增大二者之間的差距。且負(fù)荷設(shè)備穩(wěn)定工作需要一定的時(shí)間，在啟動(dòng)的瞬間電流波形存在差異，對(duì)于非線性負(fù)荷而言，不同用電器在啟動(dòng)的瞬間會(huì)產(chǎn)生大小不同的瞬時(shí)脈沖，這種脈沖會(huì)具有一定的持續(xù)時(shí)間。而電阻類負(fù)荷設(shè)備幾乎在啟動(dòng)瞬間就達(dá)到了穩(wěn)定工作狀態(tài)，當(dāng)遇到電阻類負(fù)荷時(shí)暫態(tài)提取法可能會(huì)由于時(shí)間較短無(wú)法檢測(cè)到大致曲線此時(shí)的暫態(tài)提取法具有較大的優(yōu)勢(shì)。

有關(guān)穩(wěn)態(tài)特征的提取算法較多，典型的算法有聚類算法，是穩(wěn)態(tài)提取中最常用的一種算法。其它算法例如K-means、Mean shift[24]、AP算法等[25]。上述算法主要是根據(jù)有功功率和無(wú)功功率的數(shù)值進(jìn)行聚類分析對(duì)功率大小相同的用電器認(rèn)為其為同一種用電器，運(yùn)算簡(jiǎn)單、成本低。

穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)易獲取，但也具有不足之處。不同功率的負(fù)荷在同一時(shí)刻工作時(shí)，穩(wěn)態(tài)負(fù)荷辨識(shí)的準(zhǔn)確度會(huì)非常低。由于提取暫態(tài)特征時(shí)提取的時(shí)間段會(huì)非常小。不同負(fù)荷的暫態(tài)具有比較直觀的差異，會(huì)減小特征重疊問(wèn)題，可通過(guò)負(fù)荷分解避免穩(wěn)態(tài)特征重疊問(wèn)題，這是穩(wěn)態(tài)特征無(wú)法比擬的。

為解決以上問(wèn)題，穩(wěn)態(tài)特征辨識(shí)常常與尋優(yōu)算法相結(jié)合可以很大程度上解決多種用電器同時(shí)啟停的問(wèn)題，以遺傳算法為例[26]，對(duì)于兩種用電器同時(shí)啟停的問(wèn)題可以通過(guò)交叉、變異以及通過(guò)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出最有可能的用電器組合，可以快速分解出用電器啟停，從而解決了多種用電器辨識(shí)的難題。

2.3 負(fù)荷特征組合

根據(jù)穩(wěn)態(tài)負(fù)荷特征和暫態(tài)負(fù)荷特征的區(qū)別進(jìn)行辨識(shí)，掌握兩者各自的優(yōu)勢(shì)與不足，并考慮使用場(chǎng)景的局限性是十分必要和科學(xué)的。結(jié)合目前家用負(fù)荷的實(shí)際情況對(duì)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)所存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，考慮到目前電器產(chǎn)品更新快、功能多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)負(fù)荷特征的分解工作造成一定的困難，應(yīng)采用多種負(fù)荷特征結(jié)合的方式為非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的分解與辨識(shí)提供科學(xué)的參考依據(jù)，從而提高非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)在復(fù)雜場(chǎng)景中的適應(yīng)性與負(fù)荷辨識(shí)結(jié)果的精度。

具有相同或相近負(fù)荷特征的用電器，僅依托一種負(fù)荷特征的非侵入式負(fù)荷識(shí)別結(jié)果并不可靠，對(duì)辨識(shí)結(jié)果的精度影響較大[27]。這是因?yàn)樾」β试O(shè)備有功和無(wú)功功率比較接近差距較小，造成不能夠清晰的辨識(shí)出兩者的不同之處，故容易產(chǎn)生二者相混淆的情況。因此將功率作為負(fù)荷特征還需輔助以其它特征諸如小波變換等。此外，同一種用電器不同檔位也存在相同的暫態(tài)特征，此時(shí)可通過(guò)功率來(lái)進(jìn)行區(qū)分。將不同的特征進(jìn)行多次辨識(shí)可以極大程度上彌補(bǔ)了單一負(fù)荷特征所辨識(shí)出的不足之處。

另一方面在公共建筑中存在大量不同種類的大功率負(fù)荷設(shè)備，其中以空調(diào)居多，對(duì)于小功率的用電設(shè)備的特征（如諧波）很容易被大功率用電器的波動(dòng)所淹沒(méi)造成檢測(cè)錯(cuò)誤的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同用電器進(jìn)行多特征辨識(shí)可以增加特征量減少誤檢、漏檢的可能。

3 總結(jié)與展望

本文圍繞非侵入式負(fù)荷特征的提取方法進(jìn)行研究分析，通過(guò)對(duì)侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)與非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，闡述了傳統(tǒng)侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)所存在的不足與非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。在分析用電器類別的基礎(chǔ)上需要對(duì)三類用電器的負(fù)荷特征建立起與之相對(duì)應(yīng)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，按照數(shù)據(jù)庫(kù)提取的方式可以分為暫態(tài)特征和穩(wěn)態(tài)特征兩類，具體分析并總結(jié)了暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)特征提取在NILM數(shù)據(jù)辨識(shí)中的應(yīng)用與各自的優(yōu)勢(shì)和不足之處。最后分析總結(jié)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)相結(jié)合的算法的優(yōu)勢(shì)。

隨著智能電網(wǎng)、智能家居、智能電表等技術(shù)的發(fā)展，以及用電水平改變對(duì)負(fù)荷側(cè)柔性調(diào)控需求的增加，非侵入式負(fù)荷特征提取與識(shí)別因其具有不需要用戶干預(yù)、需要安裝的硬件監(jiān)測(cè)設(shè)備較少、成本低等特點(diǎn)，已逐漸成為負(fù)荷監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向。

1）智能家居是目前發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，可以利用非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)研究開發(fā)，打造一個(gè)軟硬件結(jié)合的平臺(tái)，提高用戶的節(jié)能意識(shí)。

2）可將穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法對(duì)負(fù)荷模型進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的負(fù)荷建模。

3）目前非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)適應(yīng)性不強(qiáng)，但可借鑒數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行創(chuàng)新，進(jìn)一步提高非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的適應(yīng)性與準(zhǔn)確度。

未來(lái)的研究將以穩(wěn)態(tài)特征為主，暫態(tài)特征為輔，增加用電器的特征種類。該方法可以極大程度上增加系統(tǒng)的辨識(shí)精度，具有廣闊的發(fā)展前景。