本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)負(fù)荷監(jiān)測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及非侵入式的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

負(fù)荷監(jiān)測(cè)是指通過實(shí)時(shí)采集負(fù)荷的電氣參數(shù)，監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。負(fù)荷監(jiān)測(cè)不僅能監(jiān)測(cè)單個(gè)負(fù)荷，還可以從整個(gè)系統(tǒng)的全局角度出發(fā)，了解各類負(fù)荷的狀態(tài)參數(shù)、用電量和用電時(shí)間，從而幫助決策者合理地分配電能，使整個(gè)電力系統(tǒng)始終處于高效的運(yùn)行狀態(tài)，這在強(qiáng)調(diào)節(jié)能減排的今天具有重要的意義。

目前的負(fù)荷監(jiān)測(cè)手段大都是侵入式的，即針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的每類負(fù)荷都安裝傳感器，單獨(dú)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。

侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)需要大量的硬件設(shè)備，在采購、安裝、維護(hù)時(shí)都會(huì)耗費(fèi)大量成本，又因?yàn)槊總€(gè)檢測(cè)設(shè)備都是一個(gè)數(shù)據(jù)源，因此在負(fù)荷較多時(shí)，數(shù)據(jù)處理和分析都將變得比較困難。

因此希望有一種非侵入式的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法可以克服或至少減輕現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種非侵入式的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)僅在電力系統(tǒng)的總端安裝監(jiān)測(cè)裝置，通過采集總端的電氣參數(shù)，分析得到系統(tǒng)內(nèi)各類負(fù)荷的含量和狀態(tài)。這樣可以省去大量的監(jiān)測(cè)設(shè)備，減少數(shù)據(jù)處理與分析工作，同時(shí)變相實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)每類負(fù)荷的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種非侵入式的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法，所述非侵入式的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法建立穩(wěn)態(tài)過程的非侵入式負(fù)荷分解模型，供電電壓采用的是50HZ的工頻周期電壓，因此電流波形也必定是50HZ的周期量，則依據(jù)傅里葉分析理論，單個(gè)負(fù)荷在某次測(cè)量中的電流可分解為：

i_t＝α₁·sin(ωt+θ₁)+α₂·sin(2·ωt+θ₂)+…+α_k·sin(k·ωt+θ_k) (1)

公式(1)中第一項(xiàng)為基波，其余項(xiàng)為各次諧波,其中α為基波或各次諧波的幅值，ω為基波角頻率，工頻時(shí)為2π·50，θ為基波或各次諧波在此次測(cè)量中的初相角,構(gòu)成了周期量的三要素幅值、頻率和相位角；

同一個(gè)負(fù)荷，對(duì)其電流進(jìn)行多次測(cè)量，基波和各次諧波的幅值是恒定的，頻率由諧波次數(shù)反映也是恒定的，由于測(cè)量開始記錄的波形位置不恒定，因此相位角不恒定，對(duì)于一個(gè)包含數(shù)量大于1次的諧波的穩(wěn)態(tài)電流來說，其能有固定的波形，是因?yàn)榛ê透鞔沃C波有恒定的幅值，且基波和各次諧波間有固定的相對(duì)位置，這種相對(duì)位置的信息就在每次測(cè)量的相位角中，找到基波與各次諧波間的相位差，就可依據(jù)幅值重構(gòu)出原始波形；

因?yàn)椴煌C波的頻率不相同，所以不能直接求相位差，為此設(shè)基波相位角為參考相位，采用換元法，另x＝ωt+θ₁，則有ωt＝x-θ₁，代入(1)式中的第j次諧波則有：

i_t(j)＝α_j·sin(j·(x-θ₁)+θ_j)＝α_j·sin(j·x+(-j·θ₁+θ_j)) (2)

公式(2)僅針對(duì)本次測(cè)量，設(shè)除本次測(cè)量外的任意一次測(cè)量的基波相位角為θ_c，則有x＝ωt+θ_c,代入式(2)并推廣到公式(1)有公式(3)：

其中：

Δθ_j＝mod(-j·θ₁+θ_j,2π) (4)

公式(3)即為單負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流的完備數(shù)學(xué)模型，定義公式(4)中的Δθ_j為諧波位置角，其決定了第j次諧波與基波的相對(duì)位置，和幅值α_j共同固化了整個(gè)波形的形狀；θ_c為基波相位角，其決定了整個(gè)波形在時(shí)間軸上的移動(dòng)，但不影響波形的形狀；θ₁和θ_j分別為某次訓(xùn)練測(cè)量的基波和諧波的相位角，用于計(jì)算Δθ_j；

由于Δθ_j是固定值，可由訓(xùn)練測(cè)量的相位角計(jì)算得來，因此要分解并重構(gòu)任意一次實(shí)測(cè)的電流波形，僅需計(jì)算其基波相位角θ_c即可；

由疊加定理可知,n類負(fù)荷電流組成的總負(fù)荷電流可用下式表示：

I_t＝β₁i_t1+β₂i_t2+…+β_ni_tn (5)

上式(5)中，i_t為單負(fù)荷電流，β為各類負(fù)荷的權(quán)重系數(shù)，是相應(yīng)負(fù)荷的數(shù)量,依據(jù)公式(3)，將I_t表示為矩陣形式：

上式(6)中，α_I和θ_I分別為多負(fù)荷電流I_t的幅值和相位，α為各類負(fù)荷的基波或諧波的幅值，Δθ和θ_C分別為各類負(fù)荷的諧波位置角和基波相位角，β為權(quán)重系數(shù),對(duì)于分解過程，α_I、θ_I、α和Δθ可由訓(xùn)練或諧波分析得出為已知量，θ_C和β為待求量。

優(yōu)選地，在同一次測(cè)量中，對(duì)于同類負(fù)荷，由于具有相同的容感性，所述基波相位角θ_C是相同的，直接乘所述權(quán)重系數(shù)β表示多個(gè)此類負(fù)荷同時(shí)工作；而對(duì)于不同負(fù)荷，由于容感性不同，所述基波相位角θ_C也是不同的，在總電流波形中，所述基波相位角θ_C決定了各類負(fù)荷電流波形的相對(duì)位置，而各類負(fù)荷電流波形中，所述諧波位置角Δθ決定了基波和各次諧波間的相對(duì)位置，根據(jù)所述已知量α_I、θ_I、α和Δθ，求解未知量所述基波相位角θ_C和所述權(quán)重系數(shù)β，完成了多負(fù)荷電流波形的分解，公式(6)為多負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流的完備數(shù)學(xué)模型，其表示為：

I_t＝A·B (7)

公式(7)中，I_t＝(α_I1∠θ_I1，α_I2∠θ_I2,…α_Ik∠θ_Ik)^T，為諧波分析得到的總負(fù)荷電流的矩陣形式，A為特征參數(shù)矩陣，其包含了單個(gè)負(fù)荷電流波形的形狀信息和不同負(fù)荷電流波形的位置信息，B為權(quán)重系數(shù)矩陣，其包含了總電流波形中各個(gè)負(fù)荷的數(shù)量。

優(yōu)選地，穩(wěn)態(tài)過程的非侵入式負(fù)荷分解，根據(jù)測(cè)量得到的總負(fù)荷電流矩陣I_t，依據(jù)矩陣A求出矩陣B，由于矩陣A中也有未知量所述基波相位角θ_C，因此分解過程可轉(zhuǎn)化為求解如下未知數(shù)向量：

由于實(shí)際測(cè)量中都存在誤差，因此公式(7)不能求出精確解析解，為此建立目標(biāo)函數(shù)：

上式中為要求解的未知數(shù)向量，‖·‖²為L(zhǎng)₂范數(shù)，β_max為對(duì)應(yīng)負(fù)荷數(shù)量的估計(jì)或?qū)嶋H最大值，總負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流的分解轉(zhuǎn)化為求解使公式(9)取得最小值的向量及求解：

用全局尋優(yōu)算法求解公式(10),求得使電流負(fù)荷波形最優(yōu)化匹配，完成穩(wěn)態(tài)過程的非侵入式負(fù)荷分解。

優(yōu)選地，穩(wěn)態(tài)負(fù)荷分解方法的流程分為兩部分：訓(xùn)練和實(shí)測(cè)分解，所述訓(xùn)練方法是求解特征參數(shù)矩陣中的幅值α和諧波位置角Δθ，所述實(shí)測(cè)分解方法是對(duì)測(cè)量得到的多負(fù)荷電流波形進(jìn)行分解。

優(yōu)選地，所述訓(xùn)練方法包括以下步驟：

(1)測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)所有類別負(fù)荷的單負(fù)荷電流穩(wěn)態(tài)波形；

(2)諧波分析，得到每類負(fù)荷電流基波和各次諧波的幅值及相位；

(3)計(jì)算所述諧波位置角Δθ；

(4)將各類負(fù)荷的幅值α和諧波位置角Δθ填入特征參數(shù)矩陣A。

優(yōu)選地，所述實(shí)測(cè)分解方法包括以下步驟：

(1)測(cè)量某一時(shí)刻系統(tǒng)的總負(fù)荷電流波形，將其作為待分解波形；

(2)諧波分析，得到總電流基波和各次諧波的幅值α_I和相位θ_I；

(3)形成總負(fù)荷電流I_t的矩陣形式，和訓(xùn)練算法得到的A一起代入公式(9)，完善目標(biāo)函數(shù)；

(4)用全局尋優(yōu)算法針對(duì)公式(10)進(jìn)行全局尋優(yōu)；

(5)得到各類負(fù)荷含量，完成穩(wěn)態(tài)分解。

本發(fā)明的非侵入式的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法能在電力系統(tǒng)總端只安裝一個(gè)傳感器的情況下，精確的測(cè)得系統(tǒng)內(nèi)各類負(fù)荷的含量和狀態(tài)，本發(fā)明的非侵入式的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法能夠極大地節(jié)省硬件設(shè)備的采購、安裝、維護(hù)等成本，減少傳感器的數(shù)量，降低數(shù)據(jù)處理難度，是一種優(yōu)良的負(fù)荷監(jiān)測(cè)算法。

附圖說明

圖1是進(jìn)行穩(wěn)態(tài)過程的非侵入式負(fù)荷分解的訓(xùn)練方法流程圖。

圖2是進(jìn)行穩(wěn)態(tài)過程的非侵入式負(fù)荷分解的實(shí)測(cè)分解方法流程圖。

圖3是待分解實(shí)測(cè)波形。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

在本發(fā)明一寬泛實(shí)施例中：所述非侵入式的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法建立穩(wěn)態(tài)過程的非侵入式負(fù)荷分解模型，供電電壓采用的是50HZ的工頻周期電壓，因此電流波形也必定是50HZ的周期量，則依據(jù)傅里葉分析理論，單個(gè)負(fù)荷在某次測(cè)量中的電流可分解為：

i_t＝α₁·sin(ωt+θ₁)+α₂·sin(2·ωt+θ₂)+…+α_k·sin(k·ωt+θ_k) (1)

公式(1)中第一項(xiàng)為基波，其余項(xiàng)為各次諧波,其中α為基波或各次諧波的幅值，ω為基波角頻率，工頻時(shí)為2π·50，θ為基波或各次諧波在此次測(cè)量中的初相角,構(gòu)成了周期量的三要素幅值、頻率和相位角；

同一個(gè)負(fù)荷，對(duì)其電流進(jìn)行多次測(cè)量，基波和各次諧波的幅值是恒定的，頻率由諧波次數(shù)反映也是恒定的，由于測(cè)量開始記錄的波形位置不恒定，因此相位角不恒定，對(duì)于一個(gè)包含數(shù)量大于1次的諧波的穩(wěn)態(tài)電流來說，其能有固定的波形，是因?yàn)榛ê透鞔沃C波有恒定的幅值，且基波和各次諧波間有固定的相對(duì)位置，這種相對(duì)位置的信息就在每次測(cè)量的相位角中，找到基波與各次諧波間的相位差，就可依據(jù)幅值重構(gòu)出原始波形；

因?yàn)椴煌C波的頻率不相同，所以不能直接求相位差，為此設(shè)基波相位角為參考相位，采用換元法，另x＝ωt+θ₁，則有ωt＝x-θ₁，代入(1)式中的第j次諧波則有：

i_t(j)＝α_j·sin(j·(x-θ₁)+θ_j)＝α_j·sin(j·x+(-j·θ₁+θ_j)) (2)

公式(2)僅針對(duì)本次測(cè)量，設(shè)除本次測(cè)量外的任意一次測(cè)量的基波相位角為θ_c，則有x＝ωt+θ_c,代入式(2)并推廣到公式(1)有公式(3)：

其中：

Δθ_j＝mod(-j·θ₁+θ_j,2π) (4)

公式(3)即為單負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流的完備數(shù)學(xué)模型，定義公式(4)中的Δθ_j為諧波位置角，其決定了第j次諧波與基波的相對(duì)位置，和幅值α_j共同固化了整個(gè)波形的形狀；θ_c為基波相位角，其決定了整個(gè)波形在時(shí)間軸上的移動(dòng)，但不影響波形的形狀；θ₁和θ_j分別為某次訓(xùn)練測(cè)量的基波和諧波的相位角，用于計(jì)算Δθ_j；

由于Δθ_j是固定值，可由訓(xùn)練測(cè)量的相位角計(jì)算得來，因此要分解并重構(gòu)任意一次實(shí)測(cè)的電流波形，僅需計(jì)算其基波相位角θ_c即可；

由疊加定理可知,n類負(fù)荷電流組成的總負(fù)荷電流可用下式表示：

I_t＝β₁i_t1+β₂i_t2+…+β_ni_tn (5)

上式(5)中，i_t為單負(fù)荷電流，β為各類負(fù)荷的權(quán)重系數(shù)，是相應(yīng)負(fù)荷的數(shù)量,依據(jù)公式(3)，將I_t表示為矩陣形式：

上式(6)中，α_I和θ_I分別為多負(fù)荷電流I_t的幅值和相位，α為各類負(fù)荷的基波或諧波的幅值，Δθ和θ_C分別為各類負(fù)荷的諧波位置角和基波相位角，β為權(quán)重系數(shù),對(duì)于分解過程，α_I、θ_I、α和Δθ可由訓(xùn)練或諧波分析得出為已知量，θ_C和β為待求量。

在同一次測(cè)量中，對(duì)于同類負(fù)荷，由于具有相同的容感性，所述基波相位角θ_C是相同的，直接乘所述權(quán)重系數(shù)β表示多個(gè)此類負(fù)荷同時(shí)工作；而對(duì)于不同負(fù)荷，由于容感性不同，所述基波相位角θ_C也是不同的，在總電流波形中，所述基波相位角θ_C決定了各類負(fù)荷電流波形的相對(duì)位置，而各類負(fù)荷電流波形中，所述諧波位置角Δθ決定了基波和各次諧波間的相對(duì)位置，根據(jù)所述已知量α_I、θ_I、α和Δθ，求解未知量所述基波相位角θ_C和所述權(quán)重系數(shù)β，完成了多負(fù)荷電流波形的分解，公式(6)為多負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流的完備數(shù)學(xué)模型，其表示為：

I_t＝A·B (7)

公式(7)中，I_t＝(α_I1∠θ_I1，α_I2∠θ_I2,…α_Ik∠θ_Ik)^T，為諧波分析得到的總負(fù)荷電流的矩陣形式，A為特征參數(shù)矩陣，其包含了單個(gè)負(fù)荷電流波形的形狀信息和不同負(fù)荷電流波形的位置信息，B為權(quán)重系數(shù)矩陣，其包含了總電流波形中各個(gè)負(fù)荷的數(shù)量。

穩(wěn)態(tài)過程的非侵入式負(fù)荷分解，根據(jù)測(cè)量得到的總負(fù)荷電流矩陣I_t，依據(jù)矩陣A求出矩陣B，由于矩陣A中也有未知量所述基波相位角θ_C，因此分解過程可轉(zhuǎn)化為求解如下未知數(shù)向量：

由于實(shí)際測(cè)量中都存在誤差，因此公式(7)不能求出精確解析解，為此建立目標(biāo)函數(shù)：

上式中為要求解的未知數(shù)向量，‖·‖²為L(zhǎng)₂范數(shù)，β_max為對(duì)應(yīng)負(fù)荷數(shù)量的估計(jì)或?qū)嶋H最大值，總負(fù)荷穩(wěn)態(tài)電流的分解轉(zhuǎn)化為求解使公式(9)取得最小值的向量及求解：

用全局尋優(yōu)算法求解公式(10),求得使電流負(fù)荷波形最優(yōu)化匹配，完成穩(wěn)態(tài)過程的非侵入式負(fù)荷分解。

穩(wěn)態(tài)負(fù)荷分解方法的流程分為兩部分：訓(xùn)練和實(shí)測(cè)分解，所述訓(xùn)練方法是求解特征參數(shù)矩陣中的幅值α和諧波位置角Δθ，所述實(shí)測(cè)分解方法是對(duì)測(cè)量得到的多負(fù)荷電流波形進(jìn)行分解。

所述訓(xùn)練方法包括以下步驟：

(1)測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)所有類別負(fù)荷的單負(fù)荷電流穩(wěn)態(tài)波形；

(2)諧波分析，得到每類負(fù)荷電流基波和各次諧波的幅值及相位；

(3)計(jì)算所述諧波位置角Δθ；

(4)將各類負(fù)荷的幅值α和諧波位置角Δθ填入特征參數(shù)矩陣A。

所述實(shí)測(cè)分解方法包括以下步驟：

(1)測(cè)量某一時(shí)刻系統(tǒng)的總負(fù)荷電流波形，將其作為待分解波形；

(2)諧波分析，得到總電流基波和各次諧波的幅值α_I和相位θ_I；

(3)形成總負(fù)荷電流I_t的矩陣形式，和訓(xùn)練算法得到的A一起代入公式(9)，完善目標(biāo)函數(shù)；

(4)用全局尋優(yōu)算法針對(duì)公式(10)進(jìn)行全局尋優(yōu)；

(5)得到各類負(fù)荷含量，完成穩(wěn)態(tài)分解。

分別選取負(fù)荷1、負(fù)荷2、負(fù)荷3、負(fù)荷4、負(fù)荷5，每類負(fù)荷設(shè)開關(guān)兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，將5類負(fù)荷的狀態(tài)隨機(jī)組合(如負(fù)荷1、2、3開啟，負(fù)荷4、5關(guān)閉)，取15種組合測(cè)量其總的穩(wěn)態(tài)電流波形，分別表示為S1，S2，…S15，其實(shí)測(cè)波形如圖3所示，首先用高精度FFT算法對(duì)分別對(duì)5類負(fù)荷和上述15組多負(fù)荷電流波形進(jìn)行諧波分析，得到α_I、θ_I、a、Δθ，代入分解模型式(6)，完善目標(biāo)函數(shù)式(9)，繼而進(jìn)行全局尋優(yōu)，求解權(quán)重系數(shù)β和基波相位角θ_C。

用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行全局尋優(yōu)，取最后一代種群中最優(yōu)的個(gè)體作為尋優(yōu)結(jié)果，分解結(jié)果如表1所示,表中β_i和θ_Ci分別為五類負(fù)荷的權(quán)重系數(shù)和基波相位角。

表1分解結(jié)果

經(jīng)過與事先記錄的負(fù)荷開關(guān)狀態(tài)的對(duì)比，以上15組分解得到的權(quán)重系數(shù)全部正確，權(quán)重系數(shù)的尋優(yōu)正確率達(dá)到100％。由此說明，此穩(wěn)態(tài)算法精確地測(cè)得了系統(tǒng)中各負(fù)荷的含量。

最后需要指出的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制。盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。