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基于 物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置及方法

阅读：1016发布：2020-08-19

专利汇可以提供基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种新型的基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置及方法，该装置和方法通过直接在配电变压器进线总进口处安装非侵入式配用电负荷监测装置(e‑NILM)，辨识出此配电变压器下口的负荷种类及负荷能耗情况，根据总进口处的电压、电流及功率的动态信息，对配电变压器下口的每个主要用电设备进行负荷分解，检测用电设备造成的电能质量相关指标。，下面是基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置(e-NILM)，其特征在于，所述监测装置直接安装在配电变压器进线总进口处，所述非侵入式配用电负荷监测装置包括数据采集及计算单元和负荷事件检测捕获单元；
其中，所述数据采集及计算单元用于采集三相电压及电流的瞬时值数据和波形，并计算三相电网的基本电力参数，包括三相电压电流有效值、三相有功无功功率、功率因数、三相电压电流不平衡度、各次谐波含有率、电压电流谐波总畸变率，此单元包括AD7606采集芯片和DSP处理器；
所述负荷事件检测捕获单元用于捕获负荷投切时造成的电压功率突变波形数据，并从中提取相应的特征数据，生成事件特征值模板，存储于此单元中，此单元主要包括ARM处理器及其外围电路。
2.如权利要求1所述的负荷监测装置，其特征在于，检测电压相电压范围为0～264V，电流范围为0～5A。
3.如权利要求1或2所述的负荷监测装置，其特征在于，非侵入式配用电负荷监测装置基于物联网MQTT标准协议，可方便地接入云服务器，流量耗费低，仅限于用户传递的实际数据，可实时将所有数据传送至主站，实现与主站的可靠双向通信。
4.如权利要求3所述的负荷监测装置，其特征在于，非侵入式配用电负荷监测装置通信模块采用3G或者4G通信。
5.一种基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测方法，其特征在于，该方法通过直接在配电变压器进线总进口处安装非侵入式配用电负荷监测装置(e-NILM)，辨识出此配电变压器下口的负荷种类及负荷能耗情况，根据总进口处的电压、电流及功率的动态信息，对配电变压器下口的每个主要用电设备进行负荷分解，检测用电设备造成的电能质量相关指标。
6.如权利要求5所述的负荷监测方法，其特征在于，在所述负荷监测方法中，每台非侵入式配用电负荷监测装置安装在用户配电变压器的进线口处。
7.如权利要求5或6所述的负荷监测方法，其特征在于，非侵入式配用电负荷监测装置进行负荷辨识方法包括如下步骤：
S1.采集模块以10kHz采样率对电压和电流采样；
S2.实时计算电压、电流有效值，有功、无功功率；
S3.基于双滑动窗口，对电压电流等暂态事件进行捕获；
S4.对每次提取的暂态事件特征值进行提取与存储，经过多次自动提取和装置自动学习，生成暂态事件特征库；
S5.将捕获的暂态事件特征值与特征库中的某个事件特征值进行对比，由此区分出是哪种负荷。
8.如权利要求7所述的负荷监测方法，其特征在于，非侵入式配用电负荷监测装置通过软件锁相环PLL获取电网电压值us和相位θs，将三相电压和电流经过abc/dq坐标变换分解，得到dq轴的电压和电流，采用瞬时无功功率算法，可以计算出三相电压和电流的不平衡度指标。
9.如权利要求8所述的负荷监测方法，其特征在于，非侵入式配用电负荷监测装置通过加窗口插值的傅里叶变换，可计算出电压和电流的谐波指标。
10.如权利要求9所述的负荷监测方法，其特征在于，非侵入式配用电负荷监测装置使用FTP协议实现远程升级、更新程序。

说明书全文

基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置及方法

所属技术领域

[0001] 本发明涉及配用电领域，一种基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置及方法(简称e-NILM)。

背景技术

[0002] 配用电负荷监测是实现配电网需求侧响应的前提条件。参见附图1，现有的配用电负荷监测装置，大多是针对每个重要的用电负荷都安装相应的采集器，然后通过汇集器远程通信上传至服务器。虽然也能实现配用电负荷的监测，但现有的监测设备存在以下主要的问题：

[0003] (1)安装点过多，成本高；

[0004] (2)监测设备与主站通信通常采用各方自定义的通信接口，无法与其他系统进行兼容；

[0005] (3)大多数配用电监测设备更多的只是实现电量等采集功能，把每个采集点的采集数据传送至主站，需要人工对数据进行分析，以挖掘其潜在的价值。

发明内容

[0006] 为解决上述问题，本发明提供一种基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置(e-NILM)，所述监测装置直接安装在配电变压器进线总进口处，所述非侵入式配用电负荷监测装置包括数据采集及计算单元和负荷事件检测捕获单元；

[0007] 其中，所述数据采集及计算单元用于采集三相电压及电流的瞬时值数据和波形，并计算三相电网的基本电力参数，如三相电压电流有效值、三相有功无功功率、功率因数、三相电压电流不平衡度、各次谐波含有率、电压电流谐波总畸变率等，此单元包括AD7606采集芯片和DSP处理器；

[0008] 所述负荷事件检测捕获单元用于捕获负荷投切时造成的电压功率突变波形数据，并从中提取相应的特征数据，生成事件特征值模板，存储于此单元中，此单元主要包括ARM处理器及其外围电路。

[0009] 优选的，非侵入式配用电负荷监测装置电压检测为三相三线制或三相四线制式，检测电压相电压范围为0～264V，电流范围为0～5A。

[0010] 优选的，非侵入式配用电负荷监测装置基于物联网MQTT标准协议，可方便地接入云服务器，流量耗费低，仅限于用户传递的实际数据，可实时将所有数据传送至主站，实现与主站的可靠双向通信。

[0011] 优选的，非侵入式配用电负荷监测装置通信模块采用3G或者4G通信。

[0012] 为解决上述问题，本发明还提供一种基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测方法，该方法通过直接在配电变压器进线总进口处安装非侵入式配用电负荷监测装置(e-NILM)，辨识出此配电变压器下口的负荷种类及负荷能耗情况，根据总进口处的电压、电流及功率的动态信息，对配电变压器下口的每个主要用电设备进行负荷分解，检测用电设备造成的电能质量相关指标。

[0013] 优选的，在所述负荷监测方法中，每台非侵入式配用电负荷监测装置安装在用户配电变压器的进线口处。

[0014] 优选的，非侵入式配用电负荷监测装置进行负荷辨识方法包括如下步骤：

[0015] S1.采集模块以10kHz采样率对电压和电流采样；

[0016] S2.实时计算电压、电流有效值，有功、无功功率；

[0017] S3.基于双滑动窗口，对电压电流等暂态事件进行捕获；

[0018] S4.对每次提取的暂态事件特征值进行提取与存储，经过多次自动提取和装置自动学习，生成暂态事件特征库；

[0019] S5.将捕获的暂态事件特征值与特征库中的某个事件特征值进行对比，由此区分出是哪种负荷。

[0020] 优选的，非侵入式配用电负荷监测装置通过软件锁相环PLL获取电网电压值us和相位θs，将三相电压和电流经过abc/dq坐标变换分解，得到dq轴的电压和电流，采用瞬时无功功率算法，可以计算出三相电压和电流的不平衡度指标。

[0021] 优选的，非侵入式配用电负荷监测装置通过加窗口插值的傅里叶变换，可计算出电压和电流的谐波指标。

[0022] 优选的，非侵入式配用电负荷监测装置使用FTP协议实现远程升级、更新程序。

[0023] 本发明具有如下优点：(1)本发明直接在配用电进口处安装监测装置，不仅大量节省成本，而且安装方便；(2)本发明可以通过捕获暂态事件进行自动学习，以实现用电负荷的分解，为实现需求侧响应提供依据；(3)本发明也可监测用户用电的电能质量相关指标，为提高用电质量提供依据；(4)本发明使用物联网的标准通信协议，可方便地接入云服务器，并与主站进行双向通信；(5)本发明不仅可以实现负荷种类的识别以及用电量的区分，而且还可以借助大数据技术来评估节能潜力，为节能投资经济性提供决策参考。

附图说明

[0024] 图1示出了现有技术中的一种用电负荷监测系统的框图；

[0025] 图2示出了本发明的一种非侵入式配用电负荷监测装置的示意框图；

[0026] 图3示出了本发明的一种非侵入式配用电负荷监测方法的流程图。

具体实施方式

[0027] 图2公开了本发明的一种基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测装置(e-NILM)，所述监测装置安装在直接配电变压器进线总进口处，所述非侵入式配用电负荷监测装置包括数据采集及计算单元和负荷事件检测捕获单元；

[0028] 其中，所述数据采集及计算单元用于采集三相电压及电流的瞬时值数据和波形，并计算三相电网的基本电力参数，如三相电压电流有效值、三相有功无功功率、功率因数、三相电压电流不平衡度、各次谐波含有率、电压电流谐波总畸变率等，此单元包括AD7606采集芯片和DSP处理器；

[0029] 所述负荷事件检测捕获单元用于捕获负荷投切时造成的电压功率突变波形数据，并从中提取相应的特征数据，生成事件特征值模板，存储于此单元中，此单元主要包括ARM处理器及其外围电路。

[0030] 非侵入式配用电负荷监测装置安装在配电变压器的220V(相电压)低压侧，使用鳄鱼夹夹住母排，将三相电压接到检测装置的三相电压接线端子排，使用开口式电流互感器将三相电流接到检测装置的三相电流接线端子排。

[0031] 非侵入式配用电负荷监测装置电压检测为三相三线制或三相四线制式，检测电压相电压范围为0～264V，电流范围为0～5A。

[0032] 非侵入式配用电负荷监测装置基于物联网MQTT标准协议，可方便地接入云服务器，流量耗费低，仅限于用户传递的实际数据，可实时将所有数据传送至主站，实现与主站的可靠双向通信。

[0033] 非侵入式配用电负荷监测装置通信模块采用3G或者4G通信。

[0034] 图3示出了本发明的一种基于物联网通信的非侵入式配用电负荷监测方法，该方法通过直接配电变压器进线总进口处安装非侵入式配用电负荷监测装置(e-NILM)，就可以辨识出此配电变压器下口的负荷种类及负荷能耗情况，根据总进口处的电压、电流及功率等动态信息，对配电变压器下口的每个主要用电设备进行负荷分解，而且还可检测用电设备造成的电能质量相关指标。

[0035] 该方法具体包括如下步骤：

[0036] S1.采集模块以10kHz采样率对电压和电流采样。优选的，通过EMIFA接口控制AD7606采集模块以10kHz采样率对电压和电流采样。

[0037] S2.实时计算电压、电流有效值，有功、无功功率。计算方法如下：

[0038] S21.电压有效值：

[0039] 其中，N表示1个周波内的采样点数，u(k)表示第k个采样点的瞬时电压值。

[0040] S22.电流有效值：

[0041] 其中，N表示1个周波内的采样点数，i(k)表示第k个采样点的瞬时电流值。

[0042] S23.有功功率：

[0043] 其中，k表示1个周波内的采样点数，u(k)表示第k个采样点的瞬时电压值，i(k)表示第k个采样点的瞬时电流值。

[0044] S24.视在功率：S＝Urms·Irms

[0045] S25.无功功率：

[0046] S3.基于双滑动窗口，对电压电流等暂态事件进行捕获。使用两个单链表实现的队列，一个队列用于判断电压电流暂态事件，滑动窗口的长度为4～6个周波，当滑动窗口的首尾值变化量超过某一阈值时，判定为暂态事件发生；另一个队列用于存储暂态事件发生时对应的三相电力参数，滑动窗口为100个周波。

[0047] S4.将S3中捕获的暂态事件电压、功率等数据中典型特征值，如暂态事件发生时的电压、功率变化量，斜率等进行提取与存储，经过多次提取，生成暂态事件特征库。

[0048] S5.将捕获的暂态事件特征值与特征库中的某个事件特征值进行对比，由此可以区分出是哪种负荷。

[0049] 在所述负荷监测方法中，每台非侵入式配用电负荷监测装置安装在用户配电变压器的进线口处。

[0050] 非侵入式配用电负荷监测装置通过软件锁相环PLL获取电网电压值us和相位θs，将三相电压和电流经过abc/dq坐标变换分解，得到dq轴的电压和电流，采用瞬时无功功率算法，可以计算出三相电压和电流的不平衡度指标。具体计算方法如下(以电压不平衡度指标计算为例，电流不平衡度指标计算方法一致)：

[0051] S51.计算正序电压分量:

[0052] 首先进行如下Park变换

[0053]

[0054]

[0055] 其中，θ为软件锁相环PLL锁出的角度，uA为A相电压瞬时值，uB为B相电压瞬时值，uC为C相电压瞬时值。

[0056] 然后通过巴特沃兹低通滤波器，可得到滤波后的dq轴分量DS1、QS1。最后可求得正序电压分量：

[0057] S52.计算负序电压分量：

[0058] 首先进行如下Park变换

[0059]

[0060]

[0061] 其中，θ为软件锁相环PLL锁出的角度，uA为A相电压瞬时值，uB为B相电压瞬时值，uC为C相电压瞬时值。

[0062] 然后通过巴特沃兹低通滤波器，可得到滤波后的dq轴分量DS2、QS2。最后可求得负序电压分量：

[0063] S53.计算零序电压分量：

[0064] S54.计算负序电压不平衡度：

[0065] S55.计算零序电压不平衡度：

[0066] 非侵入式配用电负荷监测装置通过加汉明窗口的快速傅里叶变换，可计算出电压和电流的谐波含有率和总畸变率等。计算方法如下：

[0067] S56.计算第h次电压谐波含有率：

[0068] 其中，Uh表示第h次谐波电压有效值，U1表示基波电压有效值。

[0069] S57.计算第h次电流谐波含有率：

[0070] 其中，Ih表示第h次谐波电流有效值，I1表示基波电流有效值。

[0071] S58.计算电压总谐波畸变率：

[0072] 其中，Uh表示第h次谐波电压有效值，U1表示基波电压有效值。

[0073] S59.计算电流总谐波畸变率：

[0074] 其中，Ih表示第Ih次谐波电流有效值，I1表示基波电流有效值。

[0075] 非侵入式配用电负荷监测装置使用FTP协议实现远程升级、更新程序。

[0076] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

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