CN102224425B - 通过分析负载瞬时状态实现非介入测定装置消耗电能的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非介入测定用户装置消耗电能的方法和装置。从构成消耗信号且传输至装置的供给电流和供给电压的采样数值中，在连续观察时间窗中对采样数值进行分组(A)；运用束法方法来分辨在各个当前观察窗中的消耗信号的极点(S₁)和留数(R₁)(B)，极点和留数的集合与表示各个独立电力负载的特征信号组合的至少一个奇异数值(SG₁)相关联；计算在当前观察窗持续时间内操作的电力负载子集所消耗的至少有功功率.电力负载(C₁)所消耗的有功功率之和联系这些极点和留数的消耗功率的函数。应用：测量装置所消耗的电能。

Description

通过分析负载瞬时状态实现非介入测定装置消耗电能的方法和装置

本发明涉及通过分析负载瞬时状态实现非介入测定装置消耗电能的方法和装置。

目前，由交流电压网络提供的用户装置所消耗电能以及对应的电能消耗可从装置物理参数的直接测量中测定，例如供给电压、传输的电流强度、传输电流和供给电压之间的相移。

通常，电子模块可以根据上述电压、电流及相移的数值来计算消耗的有功和无功电能，并且通过对一个给定时间范围的连续电能数值的积分来计算所消耗的电能。

上述电子模块通常都安装在测量表中，例如电表，并且在某些情况下可以传输上述测量数值和/或功率数值或最终消耗的能量数值。

上述测量表都是令人十分满意的。

然而，它们存在着缺点，都需要将上述电子模块安装在测量表中，并因此该表在多数情况下都在用户的私人房产内，即更普遍的是在用户的住所中。

为了从用户的私人房产中移出所述装置并且测量功率或电能，已经提出了各种不同的改进方法。

例如，一种方法包括通过分析电表或电表上行线路的装置的整体负载曲线，在用户私人住所外测量在用户装置分支上的供给电压和传输电流，从采用非介入处理过程的观点来看，称之为NIALM(即，Non-Intrusive Appliance Load Monitoring＝非介入式负载检测应用)。

上述非介入处理过程明显有益于面临能量成本预测、网络发展和降低能耗挑战的电能的提供者、分销商以及消费者。

NIALM处理过程显示了非介入的几个阶段，包括器具的自动训练阶段，正如专利文献US 4858141所阐述的；包括器具的人工训练阶段，正如专利文献US 5483153所阐述的。

人工NIALM处理过程证明比自动NIALM处理过程更加精确，因为以不同的能耗阶段来收集器具的能耗信号。

然而，这种半介入形式对于用户来说十分恼火，而对于电能的分销商或提供商来说也没有任何吸引力。

在人工NIALM处理的情况下，可以根据在各个器具上的电流传感器来构建电接收器具的数据库。

在自动NIALM处理的情况下，基于电表所测量到的功率来构建随时间改善的电接收器具的库。

上述库实际上有可能识别各个电器及其能耗，并且已经提升对这些电器使用的识别或者甚至这些电器用户的使用习惯或电器能耗的识别。

因此，对使用的识别提出了各种不同的处理方式：

-根据电流强度变化的识别，正如专利申请FR 2645968所描述的。将这种变化与家用负载连接/断开情况下的阈值典型数值相比较。该阈值数值列在数据库中；

-根据在稳定状态中装置的有功和无功功率和/或导纳的变化测量，正如专利文献US4858141所描述的。与库所存储的市场现有各种不同电器的参考表进行比较；

-根据基频及其谐波的电流测量，正如专利文献US6816078所描述的。通过电器所产生并在库中分类的谐波(通过频率变化FFT)来识别各个电器。可通过验证形成总电流所存在的最高谐波频率来评估该电器的操作；

-根据在瞬变条件中的装置的有功和无功功率的测量，正如专利文献5483153所描述的。瞬变的轮廓与用于负载识别的数据库进行比较；

-根据连接着电网的电器所发出的启动高频脉冲的提示，正如专利文献EP1136829和US7078982B2所描述的。如果需要，这个过程需要在各个被检测的电器上进行，其适用于在公共网络中产生高频信号的装置以及使用能放大高频信号的接收器或中继器。尽管描述为非介入式，但当识别装置第一次安装的时候，这一过程就需要电器经历多次逐一的接通和断开；

-根据对电流和电压所进行的测量来确定装置的负载阻抗随时间的变化，正如专利文件WO93/04377所描述的。但是，这样的过程仍旧是介入式的。在电表中的大量存储组件必需由员工定期的更换。

上述所有的处理过程都包括介入的层级，这与大量家用电器所呈现出的大规模应用是不相符的。

上述过程可以使用更能保证电网提供纯正弦电压的参数和数值，例如：视在功率、无功功率、有功功率，电流和电压的有效值，并因为它们不适合越来越多的电器会产生叠加在基频分量上的电子干扰和噪声，因此在广泛使用众的多个用户装置的情况下，它们被破坏。

上述过程都为本领域的技术人员所熟知的，用于分析信号的快速傅立叶变换(FFT)类型的频率处理过程。

这种类型的处理过程需要正在处理的信号的相对较大的观察窗，以便于有效地辨别正在处理的信号的各种不同分量，50Hz或60Hz的基频以及谐波频率，以满足上述叠加在基频分量上的噪声分量的处理。

在提出上述通过频率变换的傅里叶变换类型的纯粹的频率分析方法的同时，也已经提出了其它基于可变电磁场的***实时传输响应分析的理论分析方法。

提出了一种称之为束法(Pencil Method)的特殊方法，形成了研究由电磁波激发的反射体或天线的响应的基础，这里假定电磁波是以平面波进行传输的，从而有可能根据目标对电磁辐射激发的瞬时和永久响应，通过解决广义特征值的问题来确定上述响应的极点和留数。

为了描述上述束法应用于电导线形成目标的理论研究方法，我们通可以有效地参考文献“″Generalized Pencil-of-Function Method forExtracting Poles of an EM System from its Transient Response″(见IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，Vol.37，No.3，February 1989，p 229-234，作者Yingbo Hua和Tapan K.Sarkar，单位和地址Department of Electrical and Computer Engineering，Syracuse University，Syracuse，NY 13344-1240)。

最近，频率分析技术(例如傅里叶变换)和束法之间的频谱分辨率的相互性能比较的对比报告，″Comparison between the Matrix PencilMethod and the Fourier Transform Technique for High ResolutionSpectral Estimation″(见Digital Signal Processing 6，p108-125(1996)Article No.0011，作者JoséEnrique Fernandez del Rio和Tapan K.Sarkar，作者单位及地址Department of Electrical and ComputerEngineering，121 Link Hall，Syracuse University，Syracuse，New York13244-1240)显示了束法在尤其是在超出特定阈值数值的信噪比的评估的离散性和均方根误差方面优于傅里叶变换频率处理的方法。

本发明涉及实施非介入测定装置消耗电能的方法和装置，其运用束法来分析负载的瞬时状态，所述装置连接着一个或多个负载，这些负载具有随着时间变化的响应特性，且部分和/或完全吸收由配电电网以电磁激发信号的形式所传输的电能。

根据本发明，适用于非介入测定用户装置消耗电能的方法，是基于传输至所述装置的供给电压数值和电流强度数值的周期性采样来执行，以便获得消耗信号。值得注意的是，基于消耗信号的采样数值，其至少包括这些在连续观察时间窗中分组采样数值，在各个连续的当前观察时间窗中运用束法分辨消耗信号的极点和留数的集合。在当前观察窗中所述极点和留数的集合表示各个电力负载的特征信号组合，它至少包括与该装置操作时运用束法所获得的至少一个奇异数值相关联的所定义的极点和留数，适用于计算当前观察窗口中至少一个持续时间的在装置操作时电力负载中的至少一个子集所消耗的有功功率，并表示成该子集中的各个独立电力负载所消耗的有功功率之和，从而验证联系这些极点和留数的消耗电能函数。

根据本发明的方法，值得注意的是：对于有功功率，功率公式满足关系式：

式中：

P：表示特征信号(S_i，R_i，SG_i)中的各个独立电负载C_i的集合所消耗的有功功率；

S_ci和R_ci：分别表示传输至所述装置的采样电流的极点和留数；S_vi′和R_vi′：分别表示传输至所述装置的采样电压的极点和留数，SGi表示为奇异值；

t_kd：表示序列为k的观察窗的起始时间；

Δt：表示为观察窗的持续时间；

sinhc(X)：数值X的基数的双曲正弦函数，即：

M：表示传输至装置的采样电流中可观察到的极点和留数的数量；

M′：表示传输至装置的采样电压中可观察到的极点和留数的数量。

根据本发明的方法，还值得注意的是：适用于获得消耗信号的采样频率和各个观察窗中的时间周期Δt的关联关系式为：

式中：

Nem：表示各个观察窗持续时间内采样的最小数量；

Nc：表示用户装置的各个独立电力负载的观察数量；

nci：表示所考虑的电力负载的极点的数量；

H：供给电压的基频的谐波分量的数量。

此外，根据本发明的方法，更值得注意的是：消耗信号的观察窗包括负载的连接/断开的自由状态和强制状态的起始时间，纯电阻性负载的连接/断开是由观察窗内存在着的唯一的强制状态来表征，在强制状态中由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数且由强制状态中留数的零相位来表征；电阻和电容性负载的连接/断开是由观察窗内存在着的独立的自由状态和独立的强制状态来表征，在强制状态中由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来表征，且在自由状态中由实部极点和留数来表征，在强制状态中的留数负相位呈现出负载具有总的电容特性的特征；电阻和电感性负载的连接/断开是由观察窗内存在着的独立的自由状态和独立的强制状态来表征，在强制状态中由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来表征，且在自由状态中由实部极点和复数留数来表征，留数的正相位呈现出负载具有总的电感特性的特征。

最后，根据本发明的方法，还需要注意的是：对消耗信号的观察窗还包括负载连接/断开的自由状态和强制状态的起始，电阻性、电感性和电容性负载的连接/断开是由存在着的独立的强制状态和独立的自由状态来表征、在强制状态中由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来表征；在自由状态中由两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来表征；在强制状态中的留数负相位呈现出负载的总的电容特性的特征，以及在强制状态中的留数正相位呈现出负载的总的电感特性的特征。

根据本发明，用于非介入测定用户装置所消耗电能的装置至少包括适用于周期性采样传输至所述装置的供给电压和电力电流强度数值的装置，以便获得消耗信号。

此外，还值得注意的是，其还包括至少一个用于计算传输瞬时功率、传输供给电压和传输电流强度的数值的采样数值的乘积的模块，消耗信号至少包括传输电压、传输电流的强度或传输的瞬时功率的采样数值之一；用于存储和读取在至少一个观察窗中消耗信号的连续数值的装置；用于在至少一个观察窗中对消耗信号执行运用束法进行滤波处理的装置，以便于分辨在该窗中表示各个独立电力负载的特征信号组合的极点和留数的集合，且其至少包括与装置操作时运用束法所获得的至少一个奇异值相关的极点和留数；用于瞬时追踪特征信号的组合以及用于至少计算在至少当前观察窗的持续时间中装置操作时电力负载的至少一个子集所消耗的有功功率的模块，并表示为该子集的各个独立电力负载所消耗的有功功率之和，从而验证与这些极点和留数相关的消耗功率的函数。

此外，根据本发明的装置，还值得注意的是：其中用于瞬时追踪特征信号组合和至少计算由电力负载至少一个子集所消耗的有功功率的模块，至少包括用于检测电力负载连接/断开状态变化的模块，用于从电力负载的特征信号中识别电力负载连接和/或断开的模块，以它们的特征信号关联来识别电力负载的库模块，用于识别用户使用的消耗用途和用于至少计算有功功率的消耗的模块。

根据本发明的方法和装置获得用于电器的住宅安装或工业安装的非介入式管理的应用，应用于消耗电能的电表的结构中，更常见的是应用于用户电力装置的监督和监测。

通过阅读下述内容并且参考附图能对本发明有更好的理解，附图包括：

-图1a通过实例的方式示出了用于实施根据本发明方法的基本步骤的流程图；

-图1b通过实例的方式示出了根据本发明方法的非限制性优选实施例，其中观察窗持续时间的具体选择可以根据电压和/或电流信号的采样频率来确定；

-图2a通过实例的方式示出了用户装置观察负载的特征信号的采集步骤的应用的非限制实施例；

-图2b通过实例的方式示出了从它们特征信号来识别电力负载的实施步骤的非限制实施例；

-图2c通过实例的方式示出了基于它们特征信号的辨别来监测各个电力负载分别投入操作/退出操作的执行步骤的应用的非限制实施例。

-图3a以通过实例所示的实例示出了用于表示根据本发明方法所实施的这类装置的任意用户装置的电力线路图；

-图3b通过实例的方式示出了根据图3b所示时序图来操作开关T1、T2、T3和T4，从而测量切换图3a所示装置的负载的电流强度的数值；

-图3c示出了在图3b所示装置的负载切换过程中，运用束法获得的奇异数值的空间分布及其对应的瞬时跟踪；

-图3d和3e分别示出了在图3b所示装置的负载切换的极点的实部数值以及极点的虚部数值的瞬时追踪的时序图；

-图3f和3g示出了在图3b所示装置的负载切换的与强制状态和自由状态分别相关联的留数的瞬时追踪的时序图；

-图4a和4b通过实例的方式以框图形式示出了根据本发明用于非介入测定一装置所消耗电能的装置的功能图。

根据本发明，通过分析负载的瞬时现象，非介入测定装置所消耗电能的方法的实施步骤的详细说明将结合附图1a和随后的附图作详细阐述。

根据本发明的非介入实施的方法和装置可以理解为关于任何用户装置操作的全透明执行的实施方式，既可在所述用户电表的下行通路和/或在任何测量表中，也可在用户电表的上行通路中。

参考上述图1a，考虑用户装置、住宅装置或工业装置，通过周期采样可获得传输至所述装置的供给电压的数值和电流强度的数值，从而获得消耗的信号。

在图1a中，传输的电流强度I_x和电压V_x的采样数值根据关系式(1)表示为：

在这个关系式中，x表示上述数值连续采样的序列，KN表示在各个具有N个采样的K个连续采样窗口中的采样序列的任意最终数值，fe表示上述数值的采样频率。

根据本发明的方法，值得注意的部分是，其包括在步骤A中从消耗信号的采样数值开始，对连续观察时间窗中的上述采样数值进行分组。

在图1a所示的步骤A中，对应的操作可表示为关系式(2)：

通过“对应的操作”表示任何采样数值的集合实际上可再分为多个采样数值的子集，各自包括这些采样数值的观察窗，其中k表示观察窗的序列，以及j表示所考虑的序列k的观察窗中的各个传输电压和传输电流的采样数值的序列。此外，k表示所使用的最后观察窗中的序列的最终数值，以及N表示在所考虑的每个的序列k的观察窗中的各个电压和电流的最后采样序列的最终数值。

通常，需要指出的是，可以采用常规的方法，通过在内存中选择读-写传输电压采样和传输电流的地址来进行各个传输电压和传输电流的数值的连续采样分组。

因此，所获得的连续观察窗可以有效地形成不重叠的窗口，且不需要执行采样的加权样本和/或观察。

由传输电压和传输电流的各个数值的N采样序列所形成的各个观察窗对应于与采样的数值N成正比的观查的持续时间Δt。

然后，上述分组步骤A之后是步骤B，该步骤包括通过束法，在各个观察时间窗中分辨连续序列k的消耗信号的至少标记为S_i和R_i的极点和留数的集合。

在图1a所示的步骤B中，极点和留数的分辨操作可表示为关系式(3)：

束法

在上述关系式(3)中，

表示通过对采样执行数据处理的束法应用；

表示N个采样的k序列的各个观察窗；

表示所考虑的k序列的观察窗中可由束法所获得的观察到的极点S_i、留数R_i和奇异数值SG_i的集合。

根据本发明的方法，值得注意的部分是，上述的极点、留数、奇异数值的集合表示为所考虑的序列k的当前观察窗中的各个电力负载C_i的特征信号

的组合。

需要注意的是，根据本发明的方法的特有的非限制部分，任何电力负载C_i的极点S_i、留数R_i和奇异数值SG_i可基于传输装置的形成消耗信号的电流、电压或瞬时功率的分量之一来计算，正如说明书后续部分所解释的那样。

各个特征信号

至少包括与装置中的负载和负载切换所表示的至少一个奇异数值SG_i相关的定义的极点S_i和留数R_i。

因此，各个特征信号

由极点、留数和奇异数值所表示的三个一组的数值构成，并表示为

然后，在步骤B之后紧随着步骤C，包括计算至少在上述当前观察窗持续时间内所消耗的电能。

应该理解的是，根据本发明的非限制性优选实施例，上述电能计算至少对在装置操作过程中的至少一个电力负载子集所消耗的有功功率、无功功率、或对任何消耗电能的类型进行计算。

根据本发明的方法，值得注意的部分是，由电力负载至少一个子集所消耗电能的计算可以该子集的各个独立电力负载所消耗电能的总和来建立，从而验证与上述极点和留数的消耗电能函数。

在图1a所示的步骤C中，仅作为消耗有功功率的非限制性实例，电能公式满足关系式(4)：

式中：

P：表示特征信号(S_i，R_i，SG_i)的各个电力负载C_i的集合所消耗的有功功率；

S_ci和R_ci：分别表示传输至装置的采样电流的极点和留数；

S_vi′和R_vi′：分别表示传输至装置的采样电压的极点和留数；

t_kd：表示k序列的观察窗的起始时间；

Δt：表示观察窗的持续时间；

sinhc(X)：数值X的基数的双曲正弦函数，例如：

M：表示传输至装置的采样电流的观察极点和留数的数量；

M′：表示传输至装置的采样电压的观察极点和留数的数量；

于是，关系式(4)表示在观察窗中的能量函数。

满足根据本发明方法的应用的各种不同的理论定性处理过程将在下文中进行阐述。

通常，应该注意的是，消耗信号是由传输至装置的电压和/或电流的采样数值的集合所构成的，选择性地补充大致对应于传输至装置的各个电流和电压的采样数值乘积或大致对应于这些数值组合的瞬时功率的数值，正如下文将进一步详细解释的那样。

将数据处理应用于上述数值以实施束法履行了根据表示为SVD(单值分解)方法变换的汉克尔矩阵的计算。

因此，极点S_i用于表示消耗信号在瞬时意义下对负载响应的贡献。

留数R_i用于表示消耗信号在能量交换或吸收意义下对负载响应的贡献。

奇异数值SG_i表示由于装置的负载在整体或部分上的连接/断开的从一种消耗状态转变为另一种状态的转变。上述奇异数值直接联系着在操作束法过程中的汉克尔矩阵特征值的识别。

对于采样数值，或更通常是消耗信号的各个观察窗来说，都存在着奇异数值的对应集合。

奇异数值的变化表示消耗信号的变化或转变，因为奇异数值在静态、在缺失全部的或部分负载切换的状态下，都具有相同的数值。

奇异数值的波动与极点S_i的数值关联。

在观察窗或系列观察窗中的奇异数值的出现大致同步于一个或多个的装置的负载同步或不同步切换时由装置所消耗的电流强度的状态的变化。

极点和留数的最终分辨有可能分辨出在操作中的负载类型，例如电阻、电容或电感型的负载，正如下文将进行详细阐述的那样。

更具体的是，为了实施根据本发明的方法以及对于频率ω和周期T的大致周期性供给电压来说，序列为k的各个当前观察窗的持续时间Δt可以等于周期T。

这种观察窗持续时间的选择不是不可缺少的。但是，从观察的微观角度而言，如同它曾经一样，上述选择允许电网或装置和负载返回至初始的状态。

更具体的说，各个观察窗的持续时间可以考虑采样频率且根据关系式(5)进行选择：

在上式中：

fe表示采样频率

Nem表示各个观察窗持续时间内的采样最小数值；

Nc表示用户装置的各自电力负载C_i的观察数量；

nci表示考虑中的电力负载C_i的极点的数量；

H表示供给电压的基频的谐波分量的数量。

参考图1b，值得注意的是，持续时间Δt的选择可以根据例如在子步骤A₁中的上述关系式和随后在子步骤A₂所执行对应的组。然后，继续执行步骤B和C。

将分别参考图2a，2b和2c详细阐述根据本发明方法的特征信号的分辨和采集、构成独立电力负载子集的电力负载的识别以及随后的监测各个独立负载的接通/断开切换的步骤。

一般来说，上述步骤可籍助于分类留数，极点和奇异数值的程序，在留数，极点和奇异数值的代表数值上执行，其一般流程图如上述附图描述所示。

参考图2a，在分辨消耗信号的极点和留数的集合构成的步骤之后，根据本发明的方法包括分辨和采集由一对极点S_i、留数R_i及其相关联的奇异数值SG_i所构成的特征信号

步骤。

将分别参考图2a、2b和2c详细阐述用于识别在观察窗操作中的电力负载C_i的特征信号

的分辨和采集的步骤，以及监测各个负载接通/断开切换的步骤。

参考图2a，在分辨消耗信号极点S_i和留数R_i集合所构成的步骤之后，可以根据在上述附图所示处理过程，基于三元数组

来描述特征信号

的分辨和采集步骤。

上述三元数组集可以例如列表的形式进行存储，在步骤100中，转入读取根据符号关系式(6)所存储的在奇异数值SG_i的集合中所配置的各个奇异数值SG_i数值。关系式(6)为：

对测试100作出肯定的回答，例如，为了读取奇异数值SG_i，将三元数组(S_i，R_i，SG_i)在步骤101指定给所对应标记为

的特征信号识别码。

这个过程可继续索引l+1的下一个奇异数值，并通过步骤102返回至上述步骤100，直至没有未读取的奇异数值SG_i。

相反的，在步骤100中，对读取检测作出否定回答，则终止奇异数值集合的读取过程，并在步骤103中，可具有所考虑的装置中的总的或部分接通/断开切换所呈现出的电力负载C_i的特征信号

的集合。

然后，上述特征信号集合可以存储在存储器或特征信号库中，如同下文所阐述的那样。

参考图2b，上述特征信号的采集步骤，其后优选的具有识别构成在至少一个观察窗操作中的各个独立电力负载的整个子集的电力负载的步骤。尤其是，可以理解为的是，所考虑的装置的所有或部分电力负载可以不一定同时接通，可以完全根据使用者的意愿，单独地接通或断开装置的各个电力负载。

因此，参考图2b，从存储的特征信号的集合以及每个特征信号相关的三元数值极点、留数和奇异数值的情况开始，在步骤200中，转入到识别在操作中存在和观察到的极点、留数和奇异数值的装置的存在情况。这个识别步骤可以通过将极点、留数和奇异数值的数值与对应的特征信号所相关的三元数组的数值相比较、并且具有一个用于识别这些数值的置信区间来进行。

在步骤200中的操作可以表示为关系式(7)：

对上述步骤200中作出肯定的响应，特征信号

的识别与对应特殊电特征的电力负载C_i相关联。尤其是，可以理解的是，通过应用与特征信号数据库有关的负载库，双向单义对应的关系可以反映特征信号的任意数值或者特征信号

的代码与各个电力负载的电特性之间的效果，正如下文所阐述的那样。

通过步骤202(标记为关系式i＝i+1)返回步骤200，通过传递下一个特征信号来继续执行步骤200、201，使得电力负载的所有特征信号都进入到装置的操作中。

当可以用于所考虑装置操作的特征信号的集合以及电力负载都已经在步骤200中提交进行检测，则在步骤203中，具有可根据关系式(8)来指定在装置操作中编号为Nc的电力负载的集合，关系式(8)表示为：

这个集合包括可用于所考虑的装置操作的所有电力负载的集合，所述集合等于这个整体集合的全部或部分。

当然，可以理解的是，在特征信号

的数值或代码与其对应电力负载C_i之间的双向单义对应的响应也可以通过与其关联的三元数值(S_i，R_i，SG_i)来建立。

检测在装置中可以观察到的各个上述三元数值以及特征信号

和对应的电力负载C_i的存在与否，就有可能根据本发明方法的值得注意的方面，通过分辨在至少一个观察窗中电力负载的所有或部分特征信号，执行各个独立负载的接通/断开切换的检测步骤。

尤其是，可以理解的是，根据在上述的模糊逻辑的处理过程，上述的识别可以基于关联这个负载的三元组中的一个或多个数值来执行。

在图2c中，通过实例示出，对于上述子集中的各个电力负载C_i在检测步骤300中转入到根据关系式(9)来辨别极点、留数、奇异数值或后者的组合以识别特征信号

关系式(9)为：

如果对检测300作出肯定的响应，就在步骤301中申明电力负载C_i正在进行操作“ON”。相反的，如果对步骤检测作出否定的响应，则申明电力负载C_i未进行操作“OFF”。

检测过程可在任何时间段中通过步骤302(标记为i＝i+1)返回至步骤300的检测步骤。

上述处理过程的实施实例将在下文中阐述，在图3a所示的装置中，包括一个纯阻抗的负载R₁，一个电阻-电容负载R₂C₂，电阻-电感负载R₃L₃和电阻，电容和电感的负载R₄L₄C₄。

瞬时电流和瞬时电压通过在住宅电力装置的输入处的采样进行测量。两个模拟信号籍助于ADC以采样频率

转换成数字数值。使用上述给出的关系式，通过这两个测量来计算当前由负载所消耗的瞬时功率。

开关T₁、T₂，、T₃和T₄根据图3b所示“接通”，“闭合”的逻辑切换它们各自的负载R₁，R₂C₂，R₃L₃和R₄C₄L₄。

将束法应用于在各个功率，电压和供给电流的观察窗。

从各个索引为k的观察窗中获取信号的N个采样。

束法可由可能从测量和转换链所产生的噪声中过滤出可观察到的信号，或者甚至可以消除信号的不相关的分量。对每个k序列的确定的当前观察窗，提供电流、电压和功率的奇异数值SG_ik、极点S_ik和留数R_ik的M大小的向量。

束法提供的连续结果的选择性存储有可能执行瞬时的追踪。

在当前的各个瞬时观察窗中运用所述束法。窗口的持续时间Δt可以被参数化，在给定的实施例中，在图3c到3g所示的情况下，可以选择Δt＝10ms，即，50Hz供给频率的半周期。

图3c给出了奇异数值瞬时追踪的实例。

在图3c中，横坐标是秒，纵坐标是奇异数值振幅的量纲相对数值。

图3b所示输入电流的包络为奇异数值变化的层级；可以证明它们变化是以大致同步的方式来显示状态的变化。

从这些奇异数值的适当处理中可以发现相关的极点和留数的数值。

各个极点的实数和虚数部分的瞬时追踪分别如图3d和3e所示。

在图3d中，纵坐标为奈培/秒(Np/s)，在图3e中纵坐标为赫兹。

根据非限制性优选地实施例，留数的瞬时追踪由图3f和图3g所示的强制状态和自由状态中的它们归一化数值表示。最适合的这个选择有利于关于留数的分类。在图3f和3g中，纵坐标为安培(A)。

这些瞬时追踪提供负载特征的信息。

包括基波的谐波由纯虚数极点来表征，并且它们对应于负载的强制状态。

自由状态由实数部分给出有关时间常数的信息(与图3d比较)，和虚数部分给出有关固有频率的信息(与图3e比较)的极点来表征。

留数直接与当前负载相关，并且如果存在所述频率则与谐波相关。

根据优选的实施例，对于强制状态，归一化数值用于定义各个留数R_ik。这个定义可针对任意的留数、电压、电流、功率给出。尤其是针对电流留数可根据下列实例中的下述表示式给出，在观察窗口数值k中标记为

的R_ci标示为电流的留数和标记为

的S_ci标示为电流极点，

表示为对应的归一化数值，表达式为：

式中：

t_kd为观察窗口数值k的起始时间；

为适用于基频和如果存在谐波频率联系强制状态和关联窗口k的电流留数；

为联系强制状态和对应电流留数

的电流极点。

图3f给出关联正频率的归一化电流留数

的时间变化。

根据一个实施例，

的使用有可能恢复负载的数值。

如此类推，关联自由状态的电流的留数的归一化可以使用对应归一化数值的

建立，且通过下述方法：

式中：

t_kd为观察窗口数值k的起始时间；

t₀为负载连接的时间点；

表示联系自由状态和关联窗k的电流留数；

表示联系自由状态、关联窗k和对应留数

的电流极点。

图3g给出了

联系自由状态的电流的归一化留数的时间变化。所述附图示出负载连接的三个时间点，即，t₀对应时间点0.2s、0.61s和1.1s。

图3d、3e所示的联系正激发频率的极点由圈符号“o”表示。那些联系共轭负频率的由叉符号“X”表示。联系负载自由状态的极点由星号和菱形符号“*，◇”表示。

联系正频率的归一化留数在强制状态的情况下由圈符号“o”表示(图3f)，在自由状态的情况下由星号“*”表示(图3g)。

可以理解的是，所采用的追踪处理过程主要包括读取极点、留数的数值和奇异数值，并且比较这些数值，以检测状态的变化。

如图3c所示，从奇异数值的变化程度中检测出状态变化的时间点。这些时间点还可以出现在归一化留数的追踪中。在图3f中图示说明了这样的情形。

下文阐述了四个附图3d、3e、3f和3g所给出的极点和归一化留数的瞬时追踪的解释：

在时间点0s和0.2s之间：

在这两个时间点之间，图3d和3e给出了对应频率50Hz的两个纯虚数极点(0+50j)和(0-50j)。可以理解的是，归一化极点的一般形式表示为0±Fj，式中F表示为供给电压的基频并且

如果假设在时间点t＝0前没有负载存在，图3所示联系强制状态的留数变换为：

根据优选的实施例，从这个信息中，有可能推导出负载的模及其相位。在这个时间点上，存在模为100Ω和相位为0的负载。

这样，在实验中使用的数值为R₁＝100Ω的电阻以及归一化留数的理论数值为：

在0.2和0.6之间的时间点：

在这两个时间点之间，图3d和3e显出了存在3个极点：(0+50j)、(0-50j)和(-10+0j)。最后提及的极点表明在时间点0.2s上断开具有时间常数为

的一阶负载。

根据优选的实施例，如图3f所提供的，计算在时间点0.2s联系强制状态的归一化留数的变化：

根据优选的实施例和根据所述的信息，则有可能计算负载的模及其相位。在这个时间点上，可观察到模为100.15Ω及其相位为-0.0318rd(-1.822°)的负载。由此推断该负载具有电容性特征。

于是，在上述时间点接通的负载为电阻R₂＝100Ω和电容C₂＝1mF的串联电路RC。对应归一化留数的理论数值为

并且和由束法推导相一致。

在0.6s和1.1s之间的时间点：

在这两个时间点之间，图3d和3e给出了三个极点，(0+50j)和(0-50j)以及新极点(-50+0j)。最后提及的极点表明在时间点0.6s连接具有时间常数 的一阶负载。

根据优选的实施例，如图3e所提供的，计算在时间点0.6s联系强制状态的归一化留数的变化：

根据优选的实施例并且根据所述的信息，可以推导出负载的模及其相位。在这个时间点，可观察到模为63.62Ω及其相位为1.413rd(80.9589°)的负载。由此推断该负载具有感性特征。于是，所连接的负载为电阻R₃＝10Ω和电感L₃＝0.2H的串联电路RL。对应归一化留数的理论数值为

并且与束法推导相一致。

在1.1s和1.5s之间的时间点：

在这两个时间点之间，图3d和3e给出了4个极点，涉及基频的(0+50j)和(0-50j)以及涉及负载固有频率的(-30+22j)和(-30-22j)。根据这些极点，可以意识到在时间点1.1s上存在二阶负载(表现为两个共轭复数极点)。

在这个时间极点上，根据优选的实施例，计算联系强制状态的归一化留数的变化：

根据优选的实施例并且根据所述的信息，可以计算出负载的模及其相位。这个时间点，可观察到模为128.83Ω及其相位为1.3369rd(76.5987°)的负载。由此推断该负载具有感性特征。

于是，所连接的负载为电阻R₄＝30Ω、电感L₄＝0.5H和电容为C₄＝0.1mF的串联电路RL C。对应归一化留数的理论数值为

并且与束法推导相一致。

在1.5s和1.8s之间的时间点：

在时间点1.5s上的奇异数值的负变化表明：一方面，在0s到1.5s时间点之间处于接通的四个负载中有一个负载断开。另一方面，强制状态的归一化留数的变化为

根据优选的实施例，由此推导出No.2负载断开，其是在0.2s时间点上接通的。

在1.8至2s之间的时间点：

在时间点1.8s的奇异数值的负变化表明：一方面，在0s到1.5s之间处于接通的四个负载中有一个负载断开。另一方面，强制状态的归一化留数的变化为

根据优选的实施例，由此推导出No.1负载断开，其是在0s时间点上接通的。

因此，根据本发明方法的值得注意的方面，可以理解的是，极点S_i、留数R_i和奇异数值SG_i的集合的分辨由读取运用束法所发现的对应数值来执行。

此外，根据本发明的优选实施例，其中，根据它们的归一化定义建立极点和留数，通过归一化留数的代数变换的简单计算，特别有利于监测各个电力负载C_i的接通和断开。尤其是，负载接通的表现可由与该负载关联的留数R_i代数数值的表现进行监测，而负载断开的表现可由与该负载关联的留数R_i的相反代数数值的表现进行监测。

用于定义关联在装置中分别连接、断开的电力负载的电特性所得到的特征信号的留数、极点和奇异数值的特征概要将在下文中阐述。

所讨论的消耗信号的观察窗或连续观察窗，包括电力负载的自由状态以及电力负载的连接/断开的强制状态的开始。

其特征为：

-纯电阻负载的连接/断开由特有的强制状态来表征，所讨论观察窗由在强制状态中由存在零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数进行标示。

此外，在强制状态中，留数具有零相位。

标示为电阻负载表的列表给出了极点以及对应归一化留数的数值。

电阻负载表：

极点和留数的两个数值以及联系强制状态的归一化留数的零相位的存在，有可能推导出所分析的负载具有电阻性特征；

-电阻和电容性负载的连接/断开分别由自由状态和强制状态来表征，在强制状态中由观察窗中具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来标示，在自由状态中由实数极点和复数留数的形式来标示。在强制状态中留数的负相位具有负载的整体电容特性的特征。

负载RC列表：

联系永久状态的归一化留数的相位为负。通过相位绝对值与α.ω乘积或其倒数作比较，有可能推导出串联负载RC或并联负载RC的存在。

-电阻和电感性负载的连接/断开分别通过自由状态和强制状态来表征，在强制状态中由观察窗中具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来标示，在自由状态中由实数极点和复数留数的形式来标示。留数特性的正相位具有负载的整体电感特性的特征。

RL负载列表：

联系自由状态的归一化留数的相位为正。

通过相位的绝对值与乘积α.ω或其倒数作比较，可以推导出串联负载RL或并联负载RL的存在。

-电阻、电感和电容的连接/断开分别由强制状态和自由状态来表征，在强制状态中由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数的形式来标示，在自由状态中由两个共轭复数极点和两个共轭复数留数的形式来标示。在强制状态中留数的负相位具有负载的整体电容特性的特征，而在强制状态中留数的正相位具有负载的整体电感特性的特征。

负载RLC列表：

值得注意的是，上述列表中给定的极点和留数的数值集合可运用束法获得。具体的是，在给定数值的实施例中，指定给极点虚部的数值50实际上对应于装置供给电压的基频数值。为了在频率为60Hz的交流电力配电网的国家中执行根据本发明的方法，将所述数值替换为数值60。

参考图4a和图4b，将给出根据本发明的非介入测定由用户装置所消耗电能的装置更详细的阐述。

如上述附图4a所示，根据本发明的装置包括用于周期采样传输至所讨论装置的供给电压和电流强度的数值的装置，用于获得消耗信号。

在上述附图中，对应的装置假设由传输至装置的传输供给电压镜像的电路和传输电流强度镜像的电路构成。这些电路可由满足香农采样条件的适当采样器实现的电压采样或电流采样电路所构成，并传送传输电压或电流强度的镜像。这些电路紧随采样频率或周期设定为Te模拟数字转换器。这种电路的类型将不再这里进行详细阐述，因为本领域技术人员熟知的这类电路。

各个模数转换器电路ADC以对应于采样周期T_e的节奏传输电压采样v(nT_e)或电流采样i(nT_e)，其中n≥0，n表示为采样的序列。

根据具体的有利特性，根据本发明的装置包括传输瞬时功率、传输的供给电压和电流强度的数值的采样数值乘积的计算装置1。因此，在图4a中，计算装置1接收电流i(nT_e)和电压v(nT_e)的采样数值，并且传输这些接收到的数值乘积的数值(p(nT_e))，以构成传输瞬时功率的数值。

根据本发明的方法和装置的另一特征，消耗信号由至少一个传输至装置的传输强度i(nT_e)，传输电压v(nT_e)和传输瞬时功率p(nT_e)所构成。上述消耗信号的分量采用下述方法进行检测，以确定属于根据本发明的装置的极点、留数和奇异数值。

参考图4a，根据本发明的装置为此目的包括用于存储和读取在至少一个观察窗中的消耗信号的连续数值的装置，用于存储和读取在多个连续观察窗的情况下执行的操作。

如图4a所示，其包括例如用于创建用于上述强度、电压和功率分量的观察窗的装置。这些装置在该附图中标记为2₁、2₂、2₃。它们通常包括用于在上述存储元件的内存中读在(k-1)N和kN-1之间的n序列的多个连续数值的电路，N表示所讨论的k序列的窗中的采样数量，与图1a相关联。

如图4a所示，根据本发明的装置包括用于在消耗信号和至少一个观察窗中执行如先前所述的由束法执行的滤波处理，以达到识别在消耗信号的窗中的极点和留数集合的目的，所述集合具有奇异数值由在讨论的装置操作中的各个电力负载的特征信号组合表示。

参考图4a，运用由束法执行的滤波处理的装置3有利地包括标记为3₁、3₂、3₃的独立模块，各自接收消耗信号的强度、功率、电压的上述分量。

各个独立模块3₁、3₂、3₃可由包括适合软件的专用计算机构成。

上述各个模块传输消耗信号的强度、瞬时功率以及电压的分量的极点、留数和奇异数值，这些数值强度的分量分别标记为S_ck，R_ck，SG_ck，为瞬时功率的分量标记为S_pk，R_pk，SG_pk，为传输至装置的电压的分量标记为S_vk，R_vk，SG_vk。上述数值不会超出在上述提及的极点S_i留数R_i和奇异数值SG_i的数值。

此外，如图4a和4b所示，根据本发明的装置包括装置4，用于瞬时追踪特征信号和电力负载的组合，并且用于至少在序列k的电流观察窗中的持续时间中，计算至少一个在装置操作中的电力负载的子集所消耗的有功功率。上述计算的功率为功率之和，例如有功功率，其有上述提及子集的各个独立的电力负载的消耗，并和验证联系极点和留数的消耗电能的关系式。

可以理解的是，联系特别是有功功率的极点和留数的功率关系式遵循在文中提及的关系式(4)。

可以从图4a中看出，用于瞬时追踪特征信号组合的装置4还包括标记为4₁、4₂、4₃的独立模块，并在传输至装置的强度、功率、电压的分量的极点、留数和奇异数值上操作。

尤其是，特征信号的瞬时追踪根据图2a至2c中的所述的处理过程执行，具体为例如通过留数和对应于极点的数值代数变化的检测执行。

此外，参考图4b，用于瞬时追踪的装置4在下文进行阐述。

参考上述图4b，用于瞬时追踪的装置4还包括至少一个用于检测直接连接到模块4₅的电力负载连接/断开状态变化的模块4₄，其接收由各个独立模块4₁、4₂和4₃传输的特征信号的组合代表的数字数值，以从上述的电力负载的特征信号来识别连接和/或断开的电力负载。

用于识别连接和/或断开的电力负载的模块4₅自身连接至涉及它们特征信号识别的电力负载的库模块4₆和连接至模块4₇，用于识别用户使用消耗的以及用于至少计算有功功率。

如在上述图4a和4b中所示的，模块4₁至4₇由在k序列的各个观察窗中读取的标记为k、N的信号进行同步，对采样数量N，观察窗具有由涉及强度、瞬时功率或电压的分量的各个模块3₁、3₂、3₃传输的参量、极点、奇异数值的数值的确定数量，如同在本文如上所述。

上述用于追踪操作的各个模块通过读取极点、留数和对应奇异数值的数值进行操作，如上文及参考图2c和3b至3g所阐述的。

尤其是，可以理解的是，滤波模块3₁、3₂和3₃可由计算机程序构成，其可由计算机或专用装置的中央处理器执行，实际上允许执行束法以对传输至装置的电流强度、瞬时功率和供给电压进行采样，以获得涉及消耗信号的上述分量的奇异数值、极点和留数。

还可以理解的是，瞬时追踪模块4₁、4₂、4₃还可以由计算机程序构成，其可以通过计算机或专用装置的中央处理器执行，实际上允许执行如图2c、3b至3g所示的电力负载的连接/断开的瞬时追踪的处理过程，如本文先前所描述的。

对于库模块4₆，可以允许在特征信号或特征信号代码数值

极点、留数和对应的奇异数值的数值，甚至于所有商品化的电力负载的电特性和/或电机特性之间建立双向单义对应的关系，并且使其有可能推导特定的电力负载的消耗。所述计算机程序包括至少一个用于计算各个独立电力负载所消耗的有功功率的程序，所述各个独立电力负载符合联系消耗信号的极点、留数的消耗功率的函数，并且符合上述的关系式(4)。

在非限制性实施例中，分配给电力负载C_i特征信号

的代码数值为特征信号处理参数法所获得的独立数值，例如RSA(Rivest ShamirA dleman)处理或算法，例如，可从留数、极点和对应的奇异数值的数值中获得。

根据本发明的方法和装置特别适用于用户电能消耗的检测和追踪的执行过程。用于识别适用消耗的模块4₇可以使用根据本领域技术人员熟知的统计技术的消耗习惯的监测和追踪的技术。

Claims (10)

1.一种用于非介入式测定用户装置消耗电能的方法，其中周期采样传输至所述装置的供给电压数值和电流强度数值，以便于获得消耗的信号，其特征在于，基于所述消耗信号的采样数值，至少包括：

-对在连续观察时间窗中分组采样的所述数值；

-运用束法方法分辨在各个当前连续观察窗中的消耗信号的极点(S_i)和留数(R_i)的集合，在当前观察窗中的所述极点和留数的集合表示至少包括与装置操作时运用束法所获得的至少一个奇异数值(SG_i)相关联的定义的极点(S_i)和留数(R_i)的各个电力负载(C_i)的特征信号的组合；

-计算至少所述当前观察窗持续时间的所述装置操作时电力负载的至少一个子集所消耗的有功功率，表示为所述子集的各个独立电力负载所消耗的有功功率之和，且遵循联系所述极点和留数的消耗电能函数；以及

对于所述有功功率，所述函数满足关系式：

式中：

P：表示特征信号(S_i，R_i，SG_i)中的各个独立电力负载C_i的集合所消耗的有功功率；

S_ci和R_ci：分别表示传输至所述装置的采样电流的极点和留数；

S_vi′和R_vi′：分别表示传输至所述装置的采样电压的极点和留数，SGi表示为奇异数值；

t_kd：表示序列为k的观察窗的起始时间；

Δt：表示为观察窗的持续时间；

sinhc(X)：数值X的基数的双曲正弦函数，即：

M：表示传输至装置的采样电流的极点和留数的数量；

M′：表示传输至装置的采样电压的极点和留数的数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对角频率ω和周期T的大致周期性的供给电压，各个当前观察窗的持续时间Δt等于所述周期。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用于获得各个观察窗的所述消耗信号和所述周期Δt由关系式关联：

式中：

fe：表示采样频率；

Nem：表示各个观察窗持续时间中的最小采样数量；

Nc：表示用户装置的各个电力负载(C_i)的观察数量；

nci；表示电力负载(C_i)的极点的数量；

H：表示供给电压基频的谐波分量的数量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在包括分辨消耗信号的极点(S_i)和留数(R_i)的步骤之后，还包括分别和采集由一对各个电力负载(C_i)的极点(S_i)和留数(R_i)和奇异数值(SG_i)所构成特征信号的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述特征信号(S_i，R_i，SG_i)的采集之后，所述方法包括识别构成在至少一个观察窗操作过程中的各个独立电力负载子集的所述电力负载的步骤。

6.根据权要求5所述的方法，其特征在于，在所述特征信号(S_i，R_i，(SG_i)采集之后，所述方法包括通过分辨在至少一个观察窗中的全部或部分特征信号，来追踪各个独立负载的连接／断开的步骤。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，消耗信号的观察窗包括负载的连接／断开的自由状态和强制状态的开始，

-纯电阻性负载的连接／断开由观察窗内存在的唯一的强制状态来表征，在强制状态中由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数以及在强制状态中留数的零相位；

-电阻和电容性负载的连接／断开由观察窗内存在的各个独立的自由状态和独立的强制状态来表征，在强制状态中由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来表征，以及在自由状态中由具有实部极点和留数来表征，在强制状态中的留数的负相位呈现出负载具有总的电容特性特征；

-电阻和电感性负载的连接／断开由在观察窗内存在的各个独立自由状态和独立的强制状态来表征，在强制状态中由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来表征，以及在自由状态中由具有实部极点和复数留数来表征，留数的正相位呈现出负载的总的电感特性特征。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，消耗信号的观察窗包括负载连接／断开的自由状态和强制状态起始，电阻、电感性和电容性负载的连接／断开由存在的各个独立的强制状态和独立的自由状态来表征：

-在强制状态中，由具有零实部的两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来表征；以及，

-在自由状态中，由两个共轭复数极点和两个共轭复数留数来表征，在强制状态中的留数的负相位呈现负载的总的电容特性特征，在强制状态中的留数的正相呈现负载的总的感性特性特征。

9.一种用于非介入测定用户装置消耗电能的设备，具有至少周期性采样传输至所述用户装置的供给电压和电力电流强度的数值的装置，以便于获得消耗的信号，其特征在于，所述设备还包括至少：

-用于计算传输瞬时功率、传输供给电压和传输电流强度的数值采样数值的乘积的装置，所述消耗信号至少具有传输供给电压、传输电流强度或者传输瞬时功率的采样数值之一；

-用于存储和读取在至少一个观察窗中的消耗信号的连续数值的装置；

-用于在至少一个当前观察窗中的消耗信号运用束法进行滤波操作的装置，以便于分辨在所述窗中表示各个独立电力负载的特征信号的组合的极点和留数的集合，且至少包括与在所述用户装置操作时运用束法所获得的至少一个奇异数值关联的极点和留数；

-用于瞬时追踪所述特征信号的组合和用于计算至少当前观察窗的持续时间内所述用户装置操作时电力负载中的至少一个子集所消耗的至少有功功率的装置，表示为该子集的各个独立电力负载所消耗的有功功率之和，且遵循联系所述极点和留数的消耗功率函数；以及

对于所述有功功率，所述函数满足关系式：

式中：

P：表示特征信号(S_i，R_i，SG_i)中的各个独立电力负载C_i的集合所消耗的有功功率；

S_ci和R_ci：分别表示传输至所述用户装置的采样电流的极点和留数；

S_vi′和R_vi′：分别表示传输至所述用户装置的采样电压的极点和留数，SGi表示为奇异数值；

t_kd：表示序列为k的观察窗的起始时间；

Δt：表示为观察窗的持续时间；

sinhc(X)：数值X的基数的双曲正弦函数，即：

M：表示传输至装置的采样电流的极点和留数的数量；

M′：表示传输至装置的采样电压的极点和留数的数量。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述用于瞬时追踪所述特征信号的组合和用于计算至少当前观察窗的持续时间内所述用户装置操作时电力负载中的至少一个子集所消耗的至少有功功率的装置还包括：

-独立模块，用于对传输至所述用户装置的电流强度、功率或电压分量的极点、留数、奇异数值进行操作；

-用于检测电力负载的连接／断开状态变化的模块；

-用于从电力负载的特征信号来识别连接和／或断开的电力负载的模块；

-用于相关它们特征信号识别电力负载的数据库模块；

-用于识别用户使用的消耗用途和用于计算至少有功功率的消耗的模块。

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