基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能用電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣 機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 居民電力負(fù)荷監(jiān)測分解技術(shù)是一門新興的智能電網(wǎng)基礎(chǔ)支撐技術(shù)，與目前智能電 表僅量測用戶總功率不同，它以監(jiān)測并分解出居民戶內(nèi)所有電器的啟動(dòng)時(shí)間、工作狀態(tài)、能 耗情況為目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)更加可靠、精確的電能量管理。電力負(fù)荷監(jiān)測分解技術(shù)使用戶的電 費(fèi)清單像電話費(fèi)清單一樣，各類家用電器的用電量一目了然，從而使用戶及時(shí)了解自己的 用電情況，為合理分配各個(gè)電器的用電時(shí)間及相應(yīng)的用電量提供參考，最終能夠有效減少 電費(fèi)支出和電能浪費(fèi)。Google統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，如果家庭用戶能夠及時(shí)了解住宅電器的詳細(xì) 用電信息，就能使每月電費(fèi)開支下降5%~15%。如果全美國有一半家庭每個(gè)月節(jié)省這么 多開支，減少的碳排放量相當(dāng)于減少800萬輛汽車的使用。對(duì)于工業(yè)用戶而言，其負(fù)荷投切 安排一般是比較固定的，只需分時(shí)計(jì)量即可，對(duì)負(fù)荷分解的需求較少，本項(xiàng)目的主要研究對(duì) 象是住宅用電負(fù)荷。
[0003] 目前，居民電力負(fù)荷監(jiān)測分解技術(shù)主要分為侵入式監(jiān)測分解（IntrusiveLoad Monitoringanddecomposition，ILMD)和非侵入式監(jiān)測分解（Non-intrusiveLoad Monitoringanddecomposition，NILMD)兩大類：
[0004] (1)侵入式負(fù)荷監(jiān)測分解技術(shù)（ILMD):侵入式負(fù)荷監(jiān)測將帶有數(shù)字通信功能的傳 感器安裝在每個(gè)電器與電網(wǎng)的接口，可以準(zhǔn)確監(jiān)測每個(gè)負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)和功率消耗。但大 量安裝監(jiān)測傳感器造成建設(shè)和維護(hù)的成本較高，最重要的是侵入式負(fù)荷監(jiān)測需要進(jìn)入居民 家中進(jìn)行安裝調(diào)試，容易造成用戶抵制心理。
[0005] (2)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測分解技術(shù)（NILMD):僅在用戶入口處安裝一個(gè)傳感器，通 過采集和分析入口總電流、電壓等信息來判斷戶內(nèi)每個(gè)或每類電器的用電功率和工作狀態(tài) (例如，空調(diào)具有制冷、制熱、待機(jī)等不同工作狀態(tài)），從而得出居民的用電規(guī)律。和侵入式 負(fù)荷分解相比，由于只需要安裝一個(gè)監(jiān)測傳感器，非侵入負(fù)荷分解方案的建設(shè)成本和后期 維護(hù)難度都大幅降低；另外，傳感器安裝位置可以選擇在用戶電表箱處，完全不會(huì)侵入居民 戶內(nèi)進(jìn)行施工。可以認(rèn)為，NILMD以分解算法代替ILMD系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有簡單、經(jīng) 濟(jì)、可靠、數(shù)據(jù)完整和易于迅速推廣應(yīng)用等優(yōu)勢，有望發(fā)展成為高級(jí)量測體系（AMI)中新一 代核心技術(shù)（成熟后，NILMD算法也可以融合到智能電表的芯片內(nèi)），支持需求側(cè)管理、定制 電力等智能用電的高級(jí)功能，也適用于臨時(shí)性的負(fù)荷用電細(xì)節(jié)監(jiān)測與調(diào)查。
[0006] 洗衣機(jī)利用電動(dòng)機(jī)以及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)衣物上下左右翻轉(zhuǎn)，由于家庭衣物量 有限，家用洗衣機(jī)的穩(wěn)態(tài)有功功率一般在200W至1000W之間。洗衣機(jī)洗衣過程基本由設(shè)備 自動(dòng)控制，由同一電機(jī)控制洗衣桶以一定頻率（約為0.05Hz)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)交替運(yùn)行。
[0007] 綜上所述，NILMD技術(shù)已經(jīng)逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化對(duì)全 社會(huì)的節(jié)能減排具有重要意義。目前，NILMD技術(shù)的研究還停留在理論研究階段，多態(tài)電器 尤其是洗衣機(jī)的分解辨識(shí)方法等關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。
[0008] 因此，亟待解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠準(zhǔn)確感知洗衣機(jī)的運(yùn)行的基于實(shí)時(shí)平均 功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法。
[0010] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明公開了一種基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗 衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法，其特征在于：該辨識(shí)方法包括如下步驟：
[0011] (1)在一定采樣頻率范圍內(nèi)，對(duì)總電源進(jìn)線的電壓和電流進(jìn)行采樣，形成電壓采樣 序列u和電流米樣序列i;
[0012] (2)在一定計(jì)算時(shí)間窗口內(nèi)，計(jì)算總電源進(jìn)線處的實(shí)時(shí)平均功率序列P;
[0013] (3)選取實(shí)時(shí)平均功率序列P的一組樣本量進(jìn)行快速傅里葉變換，得到該實(shí)時(shí)平 均功率序列P的幅頻特性；
[0014] (4)根據(jù)步驟（3)中實(shí)時(shí)平均功率序列P的幅頻特性判斷是否有洗衣機(jī)啟動(dòng)，如未 啟動(dòng)，則返回步驟（3)。
[0015] 其中，所述步驟（1)中的采樣頻率范圍為f= 0· 5kHz~2kHz。
[0016] 優(yōu)選的，所述步驟（2)中所述實(shí)時(shí)平均功率序列P的計(jì)算公式為
[0017]
[0018] 其中，m為實(shí)時(shí)平均功率序列P的計(jì)算時(shí)間窗口所含工頻周期數(shù)目，取m= 5個(gè)工 頻周期，k為采樣點(diǎn)編號(hào)，N為一個(gè)工頻周期包含的采樣點(diǎn)數(shù)目。
[0019] 進(jìn)一步，所述步驟（3)中所述實(shí)時(shí)平均功率序列P的幅頻特性包括幅值結(jié)果序列 和頻率結(jié)果序列，其計(jì)算公式為
[0020] Fp[j] =FFT(P),fp[j] = (j-l)*50/(m*Ns)
[0021] 其中，j= 1，2, ^FFT表示快速傅里葉變換運(yùn)算，F(xiàn)p[j]為幅值結(jié)果序列，fp[j] 為頻率結(jié)果序列，隊(duì)為參與本次快速傅里葉變換的P的樣本數(shù)量，N3取600~1200個(gè)。
[0022] 其中，所述步驟（4)中判斷方法為：掃描幅頻特性中的幅值結(jié)果序列和頻率結(jié)果 序列，如果在〇. 01Hz~0. 1Hz頻率范圍內(nèi)存在幅值大于50W的頻譜分量，即可判斷當(dāng)次計(jì) 算時(shí)間窗口內(nèi)有洗衣機(jī)啟動(dòng)，否則返回步驟（3)對(duì)實(shí)時(shí)平均功率序列P的下一組樣本量進(jìn) 行快速傅里葉變換。
[0023] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：因多狀態(tài)居民電器尤其 是洗衣機(jī)的負(fù)荷識(shí)別一直是非侵入辨識(shí)的難點(diǎn)，且現(xiàn)有的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法主要 圍繞洗衣機(jī)的啟功電流、有功功率、無功功率等負(fù)荷特性進(jìn)行探索研究，但實(shí)質(zhì)性的能準(zhǔn)確 辨識(shí)出洗衣機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的方法尚且沒有。本發(fā)明提供了的基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗 衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法，解決了上述難題，能夠準(zhǔn)確感知洗衣機(jī)的運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的 非侵入辨識(shí)提供了技術(shù)支撐。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法的流程 示意圖；
[0025]圖2為基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法中實(shí)時(shí)平均功 率的計(jì)算結(jié)果圖；
[0026]圖3為基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法中實(shí)時(shí)平均功 率幅頻特性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
[0028] 如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明公開了一種基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī) 運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法，具體的流程步驟如下：
[0029] (1)取采樣頻率f= 1kHz，對(duì)總電源進(jìn)線的電壓和電流進(jìn)行采樣，形成電壓采樣序 列u和電流米樣序列i。
[0030] (2)取計(jì)算時(shí)間窗口m= 5個(gè)工頻周期，計(jì)算總電源進(jìn)線處的實(shí)時(shí)平均功率序列 P，P的計(jì)算公式戈
，式中，k為采樣點(diǎn)編號(hào)，N為一個(gè)工頻周期包含的采樣點(diǎn) 數(shù)目；
[0031] 從圖2為洗衣機(jī)一次完整洗滌過程對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)平均功率的計(jì)算結(jié)果圖，可以看出 洗衣機(jī)的功率波動(dòng)性大，存在較多功率波動(dòng)"尖峰";此外，該洗衣機(jī)的最大有功功率為200W 左右，功率波動(dòng)一次的時(shí)間間隔A為20s左右，波動(dòng)頻率約為0. 05Hz，該頻率對(duì)應(yīng)洗衣機(jī)的 正反轉(zhuǎn)頻率。
[0032] (3)選取實(shí)時(shí)平均功率序列P的一組樣本量進(jìn)行快速傅里葉變換，得到實(shí)時(shí)平均 功率序列P的幅頻特性，具體計(jì)算公式為Fp[j] =FFT(P)，fp[j] = (j-l)*5(V(m*Ns)，其中 j= 1，2,…，隊(duì)，其中FFT表示快速傅里葉變換運(yùn)算，F(xiàn)p[j]為快速傅里葉變換的幅值結(jié)果序 列，fp[j]為快速傅里葉變換的頻率結(jié)果序列，隊(duì)為參與本次快速傅里葉變換的P的樣本數(shù) 量，算例中隊(duì)取1000個(gè)。
[0033] (4)根據(jù)步驟（3)的實(shí)時(shí)平均功率序列P的幅頻特性判斷是否有洗衣機(jī)啟動(dòng)。掃 描幅頻特性中的幅值結(jié)果序列Fp[j]和頻率結(jié)果序列fp[j]，如果在0. 01Hz~0. 1Hz頻率 范圍內(nèi)存在幅值大于50W的頻譜分量，即可判斷本次處理的時(shí)間窗口內(nèi)有洗衣機(jī)啟動(dòng)，否 則返回步驟（3)對(duì)實(shí)時(shí)平均功率序列P的下一組樣本量進(jìn)行快速傅里葉變換。
[0034] 如圖3所示的幅頻特性圖分析可知，在0.04Hz~0.05Hz頻率范圍內(nèi)存在功率幅 值約為70W的頻譜分量，故可判斷本次處理的時(shí)間窗口內(nèi)有洗衣機(jī)啟動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法，其特征在于：該辨 識(shí)方法包括如下步驟： (1) 在一定采樣頻率范圍內(nèi)，對(duì)總電源進(jìn)線的電壓和電流進(jìn)行采樣，形成電壓采樣序列 u和電流米樣序列i ; (2) 在一定計(jì)算時(shí)間窗口內(nèi)，計(jì)算總電源進(jìn)線處的實(shí)時(shí)平均功率序列P ; (3) 選取實(shí)時(shí)平均功率序列P的一組樣本量進(jìn)行快速傅里葉變換，得到該實(shí)時(shí)平均功 率序列P的幅頻特性； (4) 根據(jù)步驟（3)中實(shí)時(shí)平均功率序列P的幅頻特性判斷是否有洗衣機(jī)啟動(dòng)，如未啟 動(dòng)，則返回步驟（3)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法， 其特征在于：所述步驟（1)中的采樣頻率范圍為f = 0. 5kHz~2kHz。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法， 其特征在于：所述步驟（2)中所述實(shí)時(shí)平均功率序列P的計(jì)算公式為其中，m為實(shí)時(shí)平均功率序列P的計(jì)算時(shí)間窗口所含工頻周期數(shù)目，取m = 5個(gè)工頻周 期，k為采樣點(diǎn)編號(hào)，N為一個(gè)工頻周期包含的采樣點(diǎn)數(shù)目。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法， 其特征在于：所述步驟（3)中所述實(shí)時(shí)平均功率序列P的幅頻特性包括幅值結(jié)果序列和頻 率結(jié)果序列，其計(jì)算公式為其中，j = 1，2,…，Ns，F(xiàn)FT表示快速傅里葉變換運(yùn)算，F(xiàn)p[j]為幅值結(jié)果序列，fp[j]為 頻率結(jié)果序列，隊(duì)為參與本次快速傅里葉變換的P的樣本數(shù)量，N 3取600~1200個(gè)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法， 其特征在于：所述步驟（4)中判斷方法為：掃描幅頻特性中的幅值結(jié)果序列和頻率結(jié)果序 列，如果在0.0 lHz~0.1 Hz頻率范圍內(nèi)存在幅值大于50W的頻譜分量，即可判斷當(dāng)次計(jì)算 時(shí)間窗口內(nèi)有洗衣機(jī)啟動(dòng)，否則返回步驟（3)對(duì)實(shí)時(shí)平均功率序列P的下一組樣本量進(jìn)行 快速傅里葉變換。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法,包括：在一定采樣頻率范圍內(nèi)，對(duì)總電源進(jìn)線的電壓和電流進(jìn)行采樣，形成電壓采樣序列u和電流采樣序列i；在一定計(jì)算時(shí)間窗口內(nèi)，計(jì)算總電源進(jìn)線處的實(shí)時(shí)平均功率序列P；選取實(shí)時(shí)平均功率序列P的一組樣本量進(jìn)行快速傅里葉變換，得到該實(shí)時(shí)平均功率序列P的幅值結(jié)果序列和頻率結(jié)果序列；根據(jù)實(shí)時(shí)平均功率序列P的幅值結(jié)果序列和頻率結(jié)果序列判斷是否有洗衣機(jī)啟動(dòng)。本發(fā)明提供了一種全新的基于實(shí)時(shí)平均功率頻域分析的洗衣機(jī)運(yùn)行非侵入辨識(shí)方法，該方法能夠準(zhǔn)確感知洗衣機(jī)的運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的非侵入辨識(shí)提供了技術(shù)支撐。
【IPC分類】G01R31/00
【公開號(hào)】CN105425079
【申請?zhí)枴緾N201510946076
【發(fā)明人】周贛, 符旺, 傅萌, 李永昆, 姚勛, 張亮, 張旭, 秦成明, 顧偉
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月17日