一种基于非侵入量测的区域能耗监测系统及方法

技术领域

本发明属于电力信息技术领域，涉及能源信息采集与分析技术，尤其是一种基于非侵入量测的区域能耗监测系统及方法。

背景技术

随着我国经济飞速发展，居民生活条件逐渐完善与能源短缺、环境破坏等问题之间的矛盾日益突出。一直以来，我国的经济增长主要以资源消耗为主，存在着一系列能源供给及其利用方式问题，因此，如何最大限度的利用能源，在终端能源消费中不断提高电能占比，成为缓解我国能源环境的重要手段，也是当前经济工作需要迫切解决的重要任务。

通过对能耗相关研究和实践表明，摒弃粗放式的能源消耗模式，开展用电侧负荷参与需求响应的应用，实施区域内多能源联合优化和协调控制互动的运作模式，是区域区能源利用的最佳途径，但目前仍缺少精准的手段对区域能耗进行采集、分析、监控。

本发明针对目前缺少精准的手段对区域能耗进行采集、分析、监控等问题，通过部署非侵入式采集模块，对区域能耗数据进行精准采集、分析，了解居民内部各类负荷运营情况，为开展居民侧需求响应等提供技术支撑。建立区域能耗分析监控系统，全方位、多角度的对区域能耗情况进行监测，有效推进用户积极参与到综合能源需求响应，提高电网运行效率，提升电网设备利用效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于非侵入量测的区域能耗监测系统与方法，部署非侵入式采集模块，对区域能耗数据进行精准采集、分析，了解居民内部各类负荷运营情况，为开展居民侧需求响应等提供技术支撑，基于区域能耗分析监控系统，全方位、多角度的对区域能耗情况进行监测，有效推进用户积极参与到综合能源需求响应，提高电网运行效率，提升电网设备利用效率。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于非侵入量测的区域能耗监测系统，主体结构为非侵入式采集模块，该非侵入式采集模块包括：

(1)供电模块

供电模块主要包括对工控机和电流电压互感器的供电，其中工控机主板直接接入工频220V交流电，电流电压互感器由开关电源将工频220V交流电转换成±15V进行供电，电流电压互感器安装于一块数据采样PCB板上；

(2)数据采集模块

数据采集模块的主要功能是将信号调理部分输出的低电压模拟信号转换成计算机所能处理的数字信号，即实现信号的模数转换；

(3)辨识通讯模块

辨识通讯模块主要完成对数字信号的分析计算并在辨识界面进行输出展示结果，通过输入、输出终端实现人机交互功能，同时具有Tcpip通讯模块，可在接受主站请求指令后将分析计算结果发送相应用户用电信息至主站。

一种基于非侵入量测的区域能耗监测方法，该方法主要包括数据采样、数据预处理、特征量提取、训练学习、负荷辨识4个步骤：

(1)数据预处理

采用S-H-ESD算法及小波变换算法进行噪声识别，主要是剔除元件本身的误差以及数据采集过程的干扰噪声信号等，保证数据信号的有效性；

(2)特征量提取

借鉴深度学习中的seq2seq和自编码器的思想来提取用户的行为倾向特征，再依靠聚类算法来最终实现目标；

(3)训练学习

主要通过前期对易于辨别的特征量电器进行辨识分析，确定居民家中电器电气信息，生成辨识电器模型，以便于主辨识模块分层分类算法对其他电器进行负荷辨识分解，同时辨识结果进一步完善居民家中电器模型；

(4)负荷辨识

主要实现对居民常用电器的辨识分解，利用各电器特征量将对象模式判别类属或赋予其类属的概率值，按相应判据对电器进行类别判定，逐步缩小该电器所属类别范围，最终将电器判别出来，对于未知类别的电器，归为未知类电器。

而且，所述的电器模型包括：小区入住监控模块、区域客户群体分析模块、经济分析模块、小区公共服务便捷化模块、综合能耗结构变化展示模块、用能对象能耗分析模块、分布式清洁能源运行状态分析模块、分布式储能分析模块、时间区间用能分析模块、结合GIS信息的台区聚类分析模块、用能画像模块、碳排放分析模块及区域停电信息主动上报模块。

而且，小区入住监控模块是根据区域内用户数及用能情况，结合区域分布，以及区域发展整体规划的导向，建立小区入住率数据分析模型,通过非侵入量测数据采集情况，实现房屋入住率统计。

而且，区域客户群体分析模块是基于用电能耗数据分析区域不同的客户居住群体，主要根据用能时段，用能时长情况，构建不同用能特征数据分析模型，基于大数据的用户群体识别与分析方法,将用能群体进行划分，通过深入了解用户群体特征,为电力精准营销和制定电力需求侧响应策略提供数据支撑，并通过图形展示为各级用户分类实现数据聚簇，并提供分析展示。

而且，经济分析模块具体包括：地区用电分析、行业产业用电分析、企业用电分析、全社会用电量、城镇居民用电分析。

而且，综合能耗结构变化展示模块通过雷达图的方式，展示区域内小区居民，企业在水电燃气方面消耗的情况对比，并根据价格计算其能耗结构情况，用能对象能耗分析模块主要包括商用电、居民用电、公共用电、充电桩用电、移动用电数据。

而且，分布式清洁能源运行状态分析模块包括微电网、光伏储能系统的实时出力、光伏储能系统当日有功功率、实时负荷、储能容量、自给天数、蓄电池允许放电深度、平滑光伏输出功率、实际光伏输出功率、储能补偿功率以及高峰、平段、低谷用电和发电等信息进行可视监控，分布式储能分析模块，在电价较低时给储能系统充电，在高电价时放电，以低存高放来降低整体用电成本,提供用户最佳储能分析数据。

而且，碳排放分析模块用于统计分析各监控点每个月的耗煤量及CO

而且，区域停电信息主动上报模块根据非侵入量测宽带载波情况，获取用户停电信息，包括停电用户的户号，楼号，门牌号等信息，实现用户停电信息主动上报。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明中的辨识通讯模块主要完成对数字信号的分析计算并在辨识界面进行输出展示结果，通过输入、输出终端实现人机交互功能，同时具有Tcpip通讯模块，可在接受主站请求指令后将分析计算结果发送相应用户用电信息至主站。

2、本发明的方法中数据预处理采用S-H-ESD算法及小波变换算法进行噪声识别，主要是剔除元件本身的误差以及数据采集过程的干扰噪声信号等，保证数据信号的有效性；特征量提取借鉴深度学习中的seq2seq和自编码器的思想来提取用户的行为倾向特征，再依靠聚类算法来最终实现目标。

3、本发明的方法中训练学习主要通过前期对易于辨别的特征量电器进行辨识分析，确定居民家中电器电气信息，生成辨识电器模型，以便于主辨识模块分层分类算法对其他电器进行负荷辨识分解，同时辨识结果进一步完善居民家中电器模型；负荷辨识主要实现对居民常用电器的辨识分解，利用分类器(利用各电器特征量)将对象模式判别为属于某一类别或者赋予其属于某些类别的概率值，按相应判据对电器进行类别判定，逐步缩小该电器所属类别范围，最终将电器判别出来，对于未知类别的电器，归为未知类电器。

4、本发明的电器模型包括：小区入住监控模块、区域客户群体分析模块、经济分析模块、小区公共服务便捷化模块、综合能耗结构变化展示模块、用能对象能耗分析模块、分布式清洁能源运行状态分析模块、分布式储能分析模块、时间区间用能分析模块、结合GIS信息的台区聚类分析模块、用能画像模块、碳排放分析模块及区域停电信息主动上报模块。

5、本发明设计科学合理、实用性强，建立一种基于非侵入量测的区域能耗监测系统，部署非侵入式采集模块，对区域能耗数据进行精准采集、分析，了解居民内部各类负荷运营情况，为开展居民侧需求响应等提供技术支撑。本发明基于区域能耗分析监控模块，全方位、多角度的对区域能耗情况进行监测，有效推进用户积极参与到综合能源需求响应，提高电网运行效率，提升电网设备利用效率。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明特征量提取方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

为解决区域能耗精准采集、分析、监控，必须从整体上把台区侧的源网荷储等系统和设施统筹考虑，要对台区各种负荷和能源进行分类分析，同时构建统一的实时数据采集监控支撑平台，实时采集分析台区用能状态，实现台区实时运营监视、全景态势感知、协同优化控制、精准负荷分析与调节，从而完成大规模的有序充电控制、分布式能源优化管理和居民家庭用能负荷柔性调节，支撑以台区为个体建立虚拟电厂参与需求侧响应，以更好支撑电动汽车服务生态圈、分布式光伏服务生态圈和营销数据商业化服务等生态圈的建设。

本发明建立一种基于非侵入量测的区域能耗监测系统，建立非侵入式采集模块，对区域能耗数据进行采集、分析。在边缘层依赖费侵入量测模块安装实现不停电更换非侵入模块，对居民用户家庭内数据采集实现分析，将数据分为内部及外部处理区，支撑外部CPS系统数据调用及内网用电信息采集系统数据校核分析。

本发明基于采集分析数据，建立区域能耗分析监控系统。实现对小区入住监控、区域客户群体分析、经济分析、小区公共服务便捷化、综合能耗结构变化展示、用能对象能耗分析、分布式清洁能源运行状态分析、分布式储能分析、时间区间用能分析、结合GIS信息的台区(小区)聚类分析、用能画像、碳排放分析、区域停电信息主动上报等13项能耗监控能力。

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述一种基于非侵入量测的区域能耗监测系统及方法。

一种基于非侵入量测的区域能耗监测系统，如图1所示，主体结构为非侵入式采集模块，该非侵入式采集模块用于采集家庭各类电器用电数据，包括：

(1)供电模块

供电模块主要包括对工控机和电流电压互感器的供电，其中工控机主板直接接入工频220V交流电；电流电压互感器由开关电源将工频220V交流电转换成±15V进行供电。电流电压互感器安装于一块数据采样PCB板上。

(2)数据采集模块

数据采集模块的主要功能是将信号调理部分输出的低电压模拟信号转换成计算机所能处理的数字信号，即实现信号的模数转换。

(3)辨识通讯模块

辨识通讯模块主要完成对数字信号的分析计算并在辨识界面进行输出展示结果；通过输入、输出终端实现人机交互功能，同时具有Tcpip通讯模块，可在接受主站请求指令后将分析计算结果发送相应用户用电信息至主站。

一种基于非侵入量测的区域能耗监测方法，基于负荷辨识方法，对采集数据进行辨识分析，该方法主要包括数据采样、数据预处理、特征量提取、训练学习、负荷辨识等4个步骤。

(1)数据预处理

采用S-H-ESD算法及小波变换算法进行噪声识别，主要是剔除元件本身的误差以及数据采集过程的干扰噪声信号等，保证数据信号的有效性。

(2)特征量提取

借鉴深度学习中的seq2seq和自编码器的思想来提取用户的行为倾向特征，再依靠聚类算法来最终实现目标。

Seq2seq模型主要用来处理有序列性特征的数据，目前已经广泛应用于聊天机器人、机器翻译、自动文摘等领域。图2中，x1,x2,x3,x4就是每一户居民的耗能时序数据，而向量c就是能够表达耗能时序数据的低维特征表示。而这里的c就是提取的每个用户的耗能时序特征。综合利用电气特征量和非电气特征量完成对负荷事件特征量的提取。

(3)训练学习

主要通过前期对易于辨别的特征量电器进行辨识分析，确定居民家中电器电气信息，生成辨识电器模型，以便于主辨识模块分层分类算法对其他电器进行负荷辨识分解，同时辨识结果进一步完善居民家中电器模型。

(4)负荷辨识

主要实现对居民常用电器的辨识分解，利用分类器(利用各电器特征量)将对象模式判别为属于某一类别或者赋予其属于某些类别的概率值，按相应判据对电器进行类别判定，逐步缩小该电器所属类别范围，最终将电器判别出来，对于未知类别的电器，归为未知类电器。

上述电器模型包括如下应用模块：

1、小区入住监控模块

根据区域内用户数及用能情况，结合区域分布，以及区域发展整体规划的导向，建立小区入住率数据分析模型,通过非侵入量测数据采集情况，实现房屋入住率统计。连续3个月内某住宅用电量在10度以内，认定该住宅为空置。并结合GIS可视化展示，全方面、立体化展示区域内入住情况。

2、区域客户群体分析模块

基于用电能耗数据分析区域不同的客户居住群体，主要根据用能时段，用能时长情况，构建不同用能特征数据分析模型，基于大数据的用户群体识别与分析方法,将用能群体进行划分，主要分为上班族、退休人群、学生人群、夜班人群、白班人群、服务敏感人群、租房人群、独居老人、孤寡老人、高龄居户等,通过深入了解用户群体特征,为电力精准营销和制定电力需求侧响应策略提供数据支撑。并通过图形展示为各级用户分类实现数据聚簇，并提供分析展示。

3、经济分析模块

经济分析功能是指通过对地区、产业、行业以及典型企业的用电数据分析，反映经济运行走势，为政府制定宏观经济政策提供数据支撑。具体功能包括地区用电分析、行业产业用电分析、企业用电分析、全社会用电量、城镇居民用电分析等。

4、小区公共服务便捷化模块

基于用电信息、营销业务应用数据量大、数据范围广、数据质量高的特点，多层面展示智慧城市结合新能源数据平台对便民服务提供的支撑作用，通过监控大屏，展示小区公共服务整体运行状况，居民电、热、水、燃气等缴费渠道、分布情况。

5综合能耗结构变化展示模块

通过雷达图的方式，展示区域内小区居民，企业在水电燃气方面消耗的情况对比，并根据价格计算其能耗结构情况。

6用能对象能耗分析模块

展示不同能耗对象用能情况，主要包括商用电、居民用电、公共用电、充电桩用电、移动用电等数据。

7分布式清洁能源运行状态分析模块

包括微电网、光伏储能系统的实时出力、光伏储能系统当日有功功率、实时负荷、储能容量、自给天数、蓄电池允许放电深度、平滑光伏输出功率、实际光伏输出功率、储能补偿功率以及高峰、平段、低谷用电和发电等信息进行可视监控。

8分布式储能分析模块

根据用电量高峰、平段、低谷等现象现，实现用户分时电价管理的手段。在电价较低时给储能系统充电，在高电价时放电，以低存高放来降低整体用电成本,提供用户最佳储能分析数据。

9时间区间用能分析模块

根据用户的用电等用能习性和消费类型，分析用户用能偏好，并挖掘隐含潜在模式，以提供更智能、个性化的用能服务，并辅助调整基建及运维投入。

10结合GIS信息的台区(小区)聚类分析模块

展示不同时段(日、周、月等)的用能热力图，辅助了解这些地区的用能习惯，实现用能趋势预测，辅助用能调度措施，为能源基站的新建、发展和运营提供决策支持。

11用能画像模块

评价用户在同类用户中的用能能效情况并推送用户，以帮助用户了解自身家庭用能状况并作进一步优化。通过对用户各用能设备用能时间和用能量的分析，为用户提供用能优化服务。

12碳排放分析模块

统计分析各监控点每个月的耗煤量及CO

13区域停电信息主动上报模块

根据非侵入量测宽带载波情况，获取用户停电信息，包括停电用户的户号，楼号，门牌号等信息，实现用户停电信息主动上报。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。