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