非侵入式负荷监测系统的发展及应用

非侵入式负荷监测系统的发展及应用

摘要

对电力系统而言，负荷监测具有重要意义。传统的负荷监测一般需要在每一个被监视负荷处加装传感器等硬件设备，这种侵入式监测方法在安装和维护方面需要花费大量的时间和金钱，也满足不了不断发展的电力系统的需要。为此，人们提出了非侵入式负荷监测系统，它只需要在电力入口处安装监测设备，通过监测该处的电压、电流等信号就可以分析得到负荷集群中单个负荷的种类和运行情况。NILM 可以方便地进行负荷监测，能够节省安装和维护所需要的时间和金钱，符合目前整个社会所提倡的建设节约型社会的要求。对电力公司来说，NILM 还有助于电力公司了解电力用户负荷的构成，加强负荷侧管理，通过引导用户合理消费、合理安排负荷的使用时间达到调节峰谷差和降低网损等目的；有助于改善电力负荷的预测精度，为电力系统仿真分析、系统规划提供更准确的数据。对电力用户来说，‘通过NlLM 对负荷能耗等数据的有效分析可以减少不必要的能源开销，达到节能降耗的目的。非侵入式负荷监测是未来电力测量方面的发展趋势，吸引了学术界和工业界的广泛关注。

电力负荷的暂态响应特性是与其执行的物理任务密切相关的，不同类型的负荷在投切等过程中，通常会表现出独特的暂态特征信息。据此暂态特征信息，NlLM 能够实现对整个变电站、建筑物内部负荷集群的分解与分析，进一步获得有用的信息。它一定程度上能克服利用负荷稳态特征信息进行负荷辨识时的局限性，能够提高负荷辨识率。NILM 系统应该能够自动检测负荷投切等所引起的暂态过程，并触发相关程序把暂态信息记录下来，然后送给后台高级应用程序做进一步处理。

一、研究背景

一百多年以来，电力从无到有已经渗透到我们生产生活的方方面面。随着现代社会的发展，电能已经是现代经济中使用最为广泛、最重要的能源。电能由于具有使用方便、传输简单、清洁安全等优点，在国民生产和生活能源中所占的比重也日益增大，我国一半以上的能源是以电能形式通过电网进行输送和分配使用的。目前，电力系统的发展已经是关乎国计民生的重要组成部分。据统计数字显示，我国的用电量随着经济的发展也在逐年增长。同时，随着科技的发展，传统电力工业向高度集约化、高度知识化、高度技术化方向转变，电网已经成为世界上最大最复杂的机器之一。用户对电力系统的可靠性、安全性、经济性和稳定性提出了更高的要求。但是电能在整个生产、输送、分配和使用过程中，我们对其运行信息的掌握还相当匮乏。尤其对于我国来说，地域广阔，地形复杂，环境气候条件差异较大，整个输配电线路传输距离远、分支多、故障率高。由于目前的

技术、人力、物力、财力的限制，我国电力运行监测系统相对于高速发展、日渐庞大的电力工业来说还相对滞后。传统的监测系统往往需要大量的硬件设备。传感器等设备的在线安装测量，不但需要大量的资金投入，在安装和维护阶段仍需花费大量金钱和时间。同时由于传统的电力监测系统采用“侵入式”技术设计，在安装、维护时，需对供电用户进行短暂停电，容易造成用户不满或者引起其他经济损失，往往难以满足系统优化、节能、故障检测分析等的需要。这些都迫切需要我们提供电力系统的监测水平。另外，在能源紧缺的今天，整个国际社会都在呼吁节能减排、建设节约型社会。尤其是我国人口基数大，人均资源稀缺，减少电能损耗，提高电能传输效率，对我国构建“节能型社会”，促进各种能源高效利用，缓解我国面临的能源危机，具有重要的现实意义。

要实现上述目的，就需要深入了解电网运行特性，从而进行有效分析，制定出适当措施。作为电力系统监测的一个重要组成，负荷监测不但有利于改善负荷组成，引导用户合理消费，降低用电成本，同时还有利于国家电力资源的优化配置。因此，建设高效的负荷监测系统是十分必要的。

传统的侵入式负荷监测系统需要在所要监测的每一个负载上加装硬件设备，并使用电力载波等技术将信息传输至数据处理中心。虽然这种方法简单、方便，但由于采用“侵入式”技术方案，在安装、维护时，需要大量的时间和费用。同时还降低了系统的可靠性。以尽量少的投资代价，提高我国电力监测系统监测水平，实现系统优化运行、故障检测准确、系统损耗降低等目的，对电力行业具有重要的现实意义和经济价值。

为解决侵入式负荷监测系统的弊端，学者们提出了所谓的非侵入式负荷监测系统，并得到了学术界和工业界的广泛关注。NILM 与传统的负荷监测方法不同之处在于它只需要在电力供给的入口处安装监测设备就可以对整个系统内部的负荷进行监测。相较于传统的侵入式负荷监测方法，NILM 不需要大量的检测设备，同时节省了购买、安装和维护这些硬件设备所需要的金钱和时间。当然，NILM 还可以进行能源监测，故障监测，故障分析等多种类型的电能质量控制分析。

非侵入式负荷监测系统，既能对系统负荷进行运行监测，了解负荷运行情况，进行相应的操作，实施电网优化，又能避免传统方式下，量测设备由于长期安装所需的大量运行维护费用；而且不会对被量测对象及周围环境产生任何影响。

NILM 系统在对负荷运行情况进行监测时，是利用不同负荷在开关状态变化时所引起的功率变化等信息来进行分类的。NILM 系统可以根据这些信息来辨识或者估计出每个负荷的类型、运行情况及其相关参数等信息。根据系统分析的结果可以建立出更加符合实际的系统模型，以方便进行有关电网优化，负荷监控，电能管理等方面的研究。

同时，NILM 还可以具有诊断功能，例如NILM 能够辨识感应电动机参数，一旦感应电动机发生故障，相关参数会发生变化，从而通过跟踪参数能够辨识电动机是否发生故障；NILM 未来还将实现居民用电信息远程自动实时采集、智能双向互动用电服务等功能。NILM 也将是未来智能电网、智能电网的一部分。

研究表明，非侵入式负荷监测系统是未来负荷监测的一个重要发展方向，并且随着电力系统的不断发展，会衍生出更多的作用和功能。相较于传统的负荷测量方法，非侵入式负荷监测系统的优点可以总结如下：

(1)便于安装维护，因为NILM 只需要在电力入口处安装表计即可；

(2)便于数据采集，因为NlLM 不需要侵入系统就可以方便地采集到系统内任一负荷的有用信息：

(3)便于数据分析，因为NILM 可以在主站进行数据采集和分析。

二、NILM 的发展及应用

2．1概述

随着传统能源的不断减少以及伴随全球经济不断发展而不断增长的能源需求，能源的高效、优化利用是非常重要的。能源的高效、优化利用在节约能源的同时也能减少污染，这对我们建设具有可持续性发展的和谐型国家具有重要的社会效益和经济效益。对用户个人而言，能源的优化利用也能减少电费支出，节省开支。对电力负荷的监视有助于我们对能源的高效、优化利用，并且越来越受到大家的重视。比如通过负荷监测，我们能够知道哪种设备更加节能；通过分析不同时间段的负荷大小和能源使用情况，我们可以更加合理地安排相关设备的启停及工作状态。此外，对负荷的监测也有助于我们对负荷特性的近一步深入了解，能为相关部门做好负荷预测、电网规划等工作提供参考信息，

目前的负荷监测系统大致可以分为侵入式和非侵入式两大类。传统的侵入式负荷监测系统把传感器安装至各个负荷处，监控每个负荷的运行情况。传统的侵入式负荷监测方法的～个显著特点是通常具有复杂的硬件和简单的软件。各监测点通过电话线、电力载波等技术连接到中央数据处理器，而软件则只对观测数据做一些简单的处理。虽然这些传感器简单、方便、易于使用，但是在安装和维护等方面需要大量的时间和金钱。此外，传感器在植入电力系统时会降低系统可靠性，引起系统参数的变化，随着电力系统的不断增大，以及对自动化水平和安全性、可靠性要求的提高，我们需要一种使用更方便、价格更低廉的新型负荷监测方法，非侵入式负荷监测方法应运而生。NILM 与传统的负荷监测方法恰恰相反，它常配置简单的硬件和复杂的分析软件。分析软件能够对采集数据进行复杂的数学分析，获得有用的信息。分析软件对微处理器的数据处理能力和运算速度提出了较高的要求。但随着信息技术的发展，DsP 等微处理器设计、制造技术飞速发

展，微处理器的数据处理速度和能力快速提高而成本却大幅度下降，运算成本快速降低，这为NILM 在未来的广阔应用提供了有利条件。对负荷监测技术来说，NILM 具有非常好的成本效益，这也是NILM 的主要优势所在。

2．2非侵入式负荷监测的基本概念

非侵入式电力监测最初被称为非侵入式电器负荷监测NIALM) ，它最早是由Hart 在20世纪80年代提出的，其目的是研制一种低成本的监测工具，使电力公司可以通过最小的侵入来获得住宅用户各电力设备电能消耗的具体数据。后来随着研究的深入和研究内容的扩展，被监测的负荷不再局限于一般家用电器，非侵入式负荷监测的含义进一步扩展，删去电器(appliance)一词，改为非侵入式负荷监测(Non—intrusive Load Monitoring ，NILM) 系统。在本文中，我们也主要称非侵入式负荷监测为NILM 。

传统的侵入式负荷监测系统需要在所要监测的每一个负荷处加装硬件设备，并使用电力载波等技术将信息传输至数据处理中心。NILM 与传统侵入式负荷监测系统的最大不同之处在于它不需安装传感器到其所要监测的负荷，是在不影响或者尽量小的影响被监测对象的前提下，提取相关的信息。NILM 的概念可以通过图2—1简要描述。

NILM 只需将监测装置安装在电力供给的入口处，通过量测电力入口处的电压、电流、功率等稳态和暂态信号并运用合适的数学算法对这些数据进行处理、分析，就能辨识系统内各个负荷以及其运行状态，并把这些信息及时、准确地显示给电力公司和电力客户，使他们能够了解系统状态，有利于引导用户改变用电方式、用电时间，提高系统的运行效率。电力供给的入口既可以理解为一个家庭、一个小区、一栋商业大楼的电力入口，也可以扩展为一条高压母线等。由于NILM 的负荷监测的测量方式，使得其测量所需要的仪器大幅度减少。所以说NILM 是一种易于安装、维护的负荷监测系统。

2．3非侵入式负荷监测系统的分析方法

对于非侵入式负荷监测来说，负荷辨识方法是非常重要的内容。在这方面提出了很多不同的理论和算法。非侵入式技术在电力行业的一个主要应用是对电力负荷进行在线分解和监控，即利用电力负荷入口处的电压、电流及功率等信息，对其成分进行分析和研究。几十年来，量测、通信和计算机技术等领域飞速发展，非侵入式负荷监测系统分析处理方法也发生了较大的变化。非侵入式负荷监测分析方法大致可以分为两大类，如图2—2所示，基于负荷稳态特征的分析方法和基于负荷暂态特征的分析方法。其中，稳态特征主要是指负荷的稳态基波、谐波功率等特征。暂态特征主要指那些负荷开启瞬间的电压、电流等信号的变化规律，如暂态波形及其结构等。

2．4基于负荷稳态特征的分析方法

由于当时技术条件的限制，在非侵入式负荷监测系统发展初期，NlLM 主要采用基于负荷稳态特性的分析方法。这种分析方法主要利用负荷的稳态特征，对监测系统的硬件水平要求较低，系统的采样频率和计算能力都比较低。其基本原理可以简要说明如下。不同负荷在运行时都有其特征，例如负荷运行时的有功功率、无功功率及谐波功率等对于不同类型的负荷是不同的。被监测系统内单个负荷投入、切除时通常会使电力供给入口处系统总的有功功率、无功功率等信号发生相应的变化。反过来，根据电力供给入口处系统总的有功功率、无功功率、谐波功率等信号的变化信息，可以判断系统内负荷投入或切除的变化，并可以根据功率的大小等信息判断出负荷的类型。

图2—3为一个住宅一小时内的电能使用记录，每个负荷的功率都不相同，因此只要对功率的变化进行分析就能得知每个负荷的使用情况。例如，假设热水器为1000瓦，电磁炉为2000瓦，空调为800瓦，图中在第30分钟时，总功率突然上升2000瓦，就可以判断是电磁炉投入使用，在第42分钟，总功率突然下降2000瓦，可以判断电磁炉在此时停止使用。从上面的例子说明可以通过分析功率的变化来进行负荷辨

由于实际的负荷种类繁多，在实际测量时，需要根据负荷的特点对负荷进行分类研究，下面的图示解释了双态负荷与多态负荷：

图2—4表示一个双态负荷的模型，所谓的双态负荷是指只有开(On)和关(Off)两种状态的一类电器。

图2—5为一些有多个功率档位的多态负荷，多态设备是指那些有不止一个运行状态的设备，并且各个状态之间都有暂态联系。这些档位能按照一定的顺序进行变换选择，例如洗衣机或电磁炉等等。家用电器大部分都是双态设备，那些拥有几个独立负载组成的电器，比如有电动机和电阻组成，也可以认为是双态设备。例如洗碗机，就可以认为是温控电阻和用于循环水及抽水的电动机组成。而这些独立负载可以认为是双态设备，因为它们在工作时是独立开关的。

图2—6为一个更复杂的多态负荷模型，以一个有三个功率档位的电热水器为例，可以运行在500W ，1000W 和1500W 以及关闭状态，它描述了一个由按钮控制的四态设备，每个状态都可以转换为其他任何状态。根据上述分析，我们可以得到这样一个事实：在电力入口处安装计量设备并监测建筑物内的电能使用情况，可以辨识建筑物内单个负荷的运行情况。这是因为一个负荷运行时往往拥有特定的功率信息，负荷投切时常伴随着功率水平的变化。

Hart 以1Hz 的采样频率测量了负荷的有功和无功的阶跃变化，然后将得到的负荷数据绘制到功率(有功一无功) 二维平面上，再根据它们到原点的距离进行负荷分类。Hart 还开发了基于Viterbi 算法的负荷序列分析程序，该程序可以根据分类负荷事件的序列提取电力负荷的历史运行情况。基于Hart 的研究，EPRI 开发了负荷监测原型系统以监测住宅内的负荷

但是Hart 的算法存在的不足之处在于它只可以检测到恒功率负荷的孤立投

切事件。如果同时发生两个负荷的投切事件，它要么使分类失败，或者使随后的负荷事件序列分析更为复杂。对于多态功率的负荷Hart 没有制定相关算法。而对于可变功率负荷，如VSD ，Hart 的算法显然对此无能为力。Hart 的研究另一个不足之处在于他的方法只可以用来测量稳态特征值，当负荷开关状态改变时，该测量方法无法分辨暂态值。

有研究者使用神经网络进行负荷辨识方法的研究。很多电力负荷在运行时会产生谐波，不同类型的负荷会产生不同的特征谐波，根据测量的谐波特性也能辨识负荷，根据负荷的谐波特性，Srinivasan 等开发了一种基于神经网络非侵入检测方法，但是此方法无法在不同电压下对不同的负荷进行分类研究。

2．5基于负荷暂态特征的分析方法

负荷的暂态值比稳态值更难测量出来，但是暂态值可以补充稳态值所提供信息的不足之处。比如：拥有相同稳态值的元件可能有不同的暂态启动电流。所以分析负荷暂态特征信息对于NILM 系统来讲是非常重要的。不同类型负荷在投切过程中其暂态特性是独一无二的。电阻性负荷通常在切换时没有暂态值，或者存在时间很短(低于50赫兹期) ；以电动机来驱动的电泵等设备能产生长期暂态值；其他电动机驱动电器，如风扇、洗衣机、搅拌机等设备，它们启动时的暂态值较小；电子类电器(电视机，录像机，计算机) 的特点是有一个短但幅值较大的暂态启动值；荧光灯有着较长的二阶暂态值。运用这一概念可以通过检测负荷暂态特征值并以此得到每个负荷的运行模式。

麻省理工学院的steven Leeb及其研究小组在非侵入式负荷监测方面做了大量的工作。在上世纪90年代早期，等提出了基于负荷投切暂态过程信息的负荷辨识方法。根据Leeb 的研究，可以根据负荷的暂态电流信号来辨识各种不同类型的负荷。根据负荷接通时暂态模式的唯一性，Steven Leeb设计了一个模拟谱包络线分析器，它可以用来估计负荷的有功功率，无功功率和谐波功率等信息，并基于此开发了相应的暂态检测和负荷分类算法。Shaw 开发了数字频谱包络线分析器，并提出了用于NILM 系统的改进的基于波形采样的离散傅立叶变换(DFT)算法，可以实现实时负荷监测。

NlLM 早期主要通过电话线实现数据的传输，随着无线通信技术的飞速发展，未来的NlLM 系统有可能采用无线通讯技术，将更能达到完全“非侵入式”的效果。

根据比较各种负荷辨识方法可以认为，以非侵入式负荷监测标准进行负荷辨别主要可以分为两个步骤：第一步：使用检测装置，对负荷的电压、．电流、功率、开关事件等信息进行采集，第二步：运用不同理论的算法对采集信息进行处理，与资料库里的负荷模型进行匹配以辨识负荷种类。

三、结论

电力负荷监测系统主要可以分为侵入式和非侵入式两大类。非侵入式负荷监测系统由于所需硬件安装少，以及较好的经济性越来越受到人们的关注，成为了未来负荷监测的发展趋势之一，各国都在就这一方向积极开展研究工作。但是非侵入式的软件更为复杂，同时对负荷辨识的算法也提出了更高的要求。