用于非侵入式負載監測的方法和系統技術方案

通過使用在住宅機構或商業機構的主斷路器級獲得的合計的功率數據來識別并跟蹤主要電器。階躍功率變化和功率劇變表征了電器的特性。識別這些特征并且考慮使用時間和持續時間的統計，以將所觀測到的功率變化序列與正被接通和斷開的電器進行匹配。然后，重新構建電器的依賴于時間的使用以及電器的功耗。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于非侵入式負載監測的方法和系統
本專利技術涉及對住宅環境和商業環境中的電力利用進行監測和管理的領域。更具體地，本專利技術涉及非侵入式負載監測，在該非侵入式負載監測中將針對住宅房屋或商業房屋的合計的功耗數據進行分解以與能量管理結合使用。
技術介紹
廣泛認識到可以通過對住宅建筑和商業建筑進行更好的能量管理和控制來實現電能消耗的顯著節約。為了實現更有效的能量控制，對使用中的電氣負載(例如，電器、照明裝置、電機等)進行相當準確的實時監測是有益的。(在下文中，除非上下文表示了意指特定類型的電器，否則專用術語“電器”以與通用術語“負載”可互換的方式使用)。獲得關于能量利用的、對負載特定的信息的一種方式是單獨監測每個負載。然而，這要求在利用電器內部的設備(因此，提高每個電器的成本，尤其是為了改進已經安裝的電器)的情況下或者在需要每個電器的附加裝置的情況下來在每個電器處監測能量的使用。另一方式是在主斷路器級(main breaker level)或服務饋電級(service feed level)處監測合計的總電力消耗，接著分解數據以分離出所關注的每個負載的定時和貢獻。擁有該信息，可以考慮電能的更有效使用，例如可通過采取各種步驟(從將電器變為另一模式或者對電器的使用進行時移，到許多其他措施中的任一措施)而實現節約。然而，將整體能量消耗分解成其組成部分并不是一項小任務。這樣的非侵入式電器負載監測(NIALM)方法需要硬件部件(包括傳感器和其他元件)和軟件部件(即，在一個或更多個處理器上執行的信號處理算法)兩者。NIALM的軟件部件依賴于硬件部件。例如，如果傳感器以至少數kHz的速率來對電壓和電流進行采樣，則可以使用信號波形分析。然而，這樣的傳感器仍是昂貴的并且不是廣泛地可獲取的。廉價且容易安裝的硬件替換物是如下傳感器:該傳感器以約IHz的采樣頻率來測量正被輸送至住宅房屋或商業房屋的總電力。在例如美國專利4，858，141,5, 717，325,5, 483，153以及若干學術刊物中已經詳述了與這樣的傳感器對應的NIALM算法。這些算法檢測功率的階躍變化并且將這些變化與正被接通或斷開的負載相匹配。功率的變化可以是一維的(例如，僅測量有功功率)或者二維的(例如，測量有功功率分量和無功功率分量兩者)。盡管這些NIALM算法能夠監測主要家用電器等，但是其準確度級別僅在80%附近。監測準確度這樣低的主要原因在于，兩個或更多個不同負載可能同時被操作并且甚至可能以非常接近的時間接近度被接通或斷開。此外，兩個不同負載所消耗的功率量可能會非常相似。例如，計算機監視器的功率損耗可能近似等于白熾燈泡的功率損耗，這使得這兩種負載不能通過所提到的算法來區分。低準確度的另一重要原因在于，所提到的算法認為功率變化與負載狀態的切換之間一對一的匹配。該匹配易于引起測量誤差和算法誤差兩者，并且易于引起由于同時啟動或停止多個負載而產生的模糊性。因此，存在對能夠提供更準確的電器(負載)使用數據的NIALM系統和方法的需求。
技術實現思路
本文中示出的一組新的NIALM系統和方法(B卩，算法)能夠顯著地克服上面提到的挑戰并且解決所觀察到的需求。這些方法存在三個主要優點。第一，不僅使用負載狀態變化而且還使用功率劇變(power surge)(劇變幅度和持續時間的統計)以及負載狀態變化和功率劇變的統計分布，以更準確地識別負載及其能量消耗。第二，為了更好地進行電器識別并且與能量消耗進行匹配，利用使用時間(在持續時間和一天中的時間兩者的方面)的統計。第三，通過考慮電器狀態之間的可能的一系列轉變(transition)來進行所測量的功率觀測與房屋處的電器之間的匹配，這不僅使得正確地確定給定系列的功率變化的可能性最大化，還使得正確確定使用時間統計和功率劇變統計的可能性最大化。在一些實施例中，基于相對“長”的時間間隔，使用以經驗方式獲得的或來自其他源的歷史數據來估計針對合計的(公共的)饋電的功率變化的時間統計。使用這些統計來對合計的功率變化數據進行再處理，以對在統計上將會呈現為可能歸因于同一負載的功率變化的元組(對(pair)、三元組(triplet)等)進行聚類。然后,使用維特比(Viterbi)算法或相似技術，合并相似的聚類，最好分離重疊的聚類，并且更新時間統計以估計負載呈現為處于不同的狀態下的時間。基于所更新的統計，然后以相同的方式處理實時功率變化測量結果，以將所檢測到的變化進行聚類并且形成實時負載狀態信息。為了將該信息與可識別的負載相關聯，可以將已知負載動作與估計值相互關聯(例如，通過對獲知負載已被接通和/或斷開進行至少一次記錄并且將這些動作與所觀測到的功率變化進行匹配)。一些實施例涉及一種用于對在經由公共饋電供應電力的房屋處的多個電氣負載的電能使用進行非侵入式監測的方法。這樣的方法包括:基于相對“長”的時間間隔，使用歷史數據來估計針對公共饋電的功率變化的時間統計；使用這些統計對合計的功率變化數據進行再處理，以將在統計上呈現為可能歸因于同一負載的功率變化的元組進行聚類；合并相似的聚類；分離重疊的聚類；更新時間統計，以估計負載呈現為在不同狀態下的時間；以及基于所更新的統計，根據前述步驟(通過更新的再處理)中的一些步驟來處理實時功率變化測量結果，以將所檢測到的變化進行聚類并且形成實時負載狀態信息。采用這樣的方法的實施例可以進一步包括將實時負載狀態信息與可識別的負載相關聯，并且將實時負載狀態信息與可識別的負載相關聯可以包括將已知負載動作與估計相互關聯。在采用前述方法示例中的任一方法示例的實施例中，可以使用維特比算法的變型來執行所述合并相似的聚類。根據一些實施例，示出了一種用于對在經由公共饋電供應電力的房屋處的多個電氣負載的電能使用進行非侵入式監測的方法，該方法包括:經由傳感器，提供傳感器輸出信號，該傳感器輸出信號表示在一定時間間隔上通過上述饋電輸送的功率；監測傳感器輸出信號，以檢測功率的正向變化和負向變化、功率劇變幅度以及持續時間；將功率的負向變化進行聚類；將功率的負向變化和正向變化進行匹配；估計在所關注的間隔期間負載被接通和斷開的時間；以及以統計方式表征所述負載中的至少一個負載的操作。在一些實施例中，用于對在經由公共饋電供應電力的房屋處的多個電氣負載的電能使用進行非侵入式監測的方法包括:使用監測負載狀態變化和功率劇變以及負載狀態變化和功率劇變的統計分布，以更準確地識別負載及其能量消耗。第二，為了更好地進行電器識別并且與能量消耗進行匹配，利用使用時間(在持續時間和一天中的時間兩者方面)的統計。第三，通過考慮電器狀態之間的可能的一系列轉變而進行所測量的功率觀測與房屋處的電器之間的匹配，這不僅使得正確地確定給定系列的功率變化的可能性最大化，而且使得正確地確定使用時間統計以及功率劇變統計的可能性最大化。在一些實施例中，提供了 一種用于對在經由公共饋電供應電力的房屋處的多個電氣負載的電能使用進行非侵入式監測的方法，該方法包括:經由傳感器，提供傳感器輸出信號，該傳感器輸出信號表示在第一時間間隔上通過上述饋電輸送的功率；監測傳感器輸出信號，以檢測功率的正向變化和負向變化、功率劇變幅度以及持續時間；將功率的負向變化進行聚類；將功率的負向變化和正向變化進行匹配；估計在所關本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于對在經由公共饋電供應電力的房屋處的多個電氣負載的電能使用進行非侵入式監測的方法，包括：a.基于相對“長”的時間間隔，使用歷史數據來估計針對公共饋電的功率變化的時間統計；b.使用所述統計來對合計的功率變化數據進行再處理，以將在統計上呈現為可能歸因于同一負載的功率變化的元組進行聚類；c.合并相似的聚類；d.分離重疊的聚類；e.更新所述時間統計，以估計所述負載呈現為在不同狀態下的時間；以及f．基于所更新的統計，根據步驟b至步驟e對實時功率變化測量結果進行處理，以將所檢測到的變化進行聚類并形成實時負載狀態信息。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種用于對在經由公共饋電供應電力的房屋處的多個電氣負載的電能使用進行非侵入式監測的方法，包括: a.基于相對“長”的時間間隔，使用歷史數據來估計針對公共饋電的功率變化的時間統計； b.使用所述統計來對合計的功率變化數據進行再處理，以將在統計上呈現為可能歸因于同一負載的功率變化的元組進行聚類； c.合并相似的聚類； d.分離重疊的聚類； e.更新所述時間統計，以估計所述負載呈現為在不同狀態下的時間；以及 f.基于所更新的統計，根據步驟b至步驟e對實時功率變化測量結果進行處理，以將所檢測到的變化進行聚類并形成實時負載狀態信息。2.根據權利要求1所述的方法，還包括使所述實時負載狀態信息與可識別的負載相關聯。3.根據權利要求2所述的方法，其中，將所述實時負載狀態信息與可識別的負載相關聯包括將已知負載動作與估計相互關聯。4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，使用維特比算法來執行合并相似的聚類。5.一種用于對在經由公共饋電供應電力的房屋處的多個電氣負載的電能使用進行非侵入式監測的方法，包括: a.經由傳感器，提供表示在第一時間間隔上通過所述饋電輸送的功率的傳感器輸出信號; b.監測所述傳感器輸出信號，以檢測功率的正向變化和負向變化、功率劇變幅度以及持續時間； c.將功率的負向變化進行聚類； d.將功率的負向變化和正向變化進行匹配； e.估計在所關注的間隔期間負載被接通和斷開的時間；以及 f.以統計方式表征所述負載中的至少一個負載的操作。6.根據權利要求5所述的方法，還包括...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邁克爾·蔡夫曼，
申請(專利權)人：美國弗勞恩霍夫股份公司，
類型：發明
國別省市：美國;US