非侵入式能效监测终端技术说明-20170419

非侵入式能效监测终端技术说明
一、重点技术介绍
（一）应用范围
能耗监测是开展节能工作的基础，加强能耗监测尤其是电力能耗的监测工作对提高我国能源利用效率、实现能源的可持续发展、建设节约型社会和缓解能源压力等具有重要的意义。

传统的能耗监测是采用分项能耗计量的方法，即对供电电路进行分项计量改造，在每类甚至每个设备上按照要求安装带有通信功能的电能表，实现能耗的数据采集与监测分析。

非侵入式能效监测是能效监测的一种新技术，其基本思想是无需进入负荷内部，仅通过对电力负荷入口处的电压、电流及功率信息进行测量、分析，便可得到负荷内部不同用电设备实时的功率消耗比例，从而实现负荷分解。

非侵入式能效监测为电力公司和用电企业提供了一种用最少的侵入实现对负荷内部用电设备功率消耗的低成本监测方法，是智能用电系统的基础新技术，可用于共建筑（如高校、医院、政府等）、商业大楼、工业企业、居民小区等领域能效监测与管理。

（二）技术原理
非侵入式能效监测终端通过分析其量测点处的电压、电流等电气量，实现对用户总负荷的分解，估计出单个用电设备的使用状态、能耗等用能信息。

负荷分解包括数据量测、数据处理、事件探测、特征提取、负荷识别5大步骤，在此基础上还有针对电网和用户的各种高级应用。

负荷印记是非侵入式能效监测的重要概念，定义为一个用电设备在运行中所体现的独特的能反映用电状态的信息，如有功的波形等。

负荷印记包含了负荷的运行特征，而这些特征由用电设备的工作条件决定，据此可将负荷印记分为稳态、暂态、
运行模式三类，其中稳态与暂态两类负荷印记取决于设备内部的元器件特征；运行模式类负荷印记则由设备的运行控制策略决定。

负荷印记的各种特征具有重现性，故基于负荷印记特征可识别负荷类型及其使用状况，此即非侵入式能效监测的实现原理。

美国麻省理工最早进行了非侵入式能耗监测技术研究，研究和实验表明，非侵入式能耗监测可具有良好的负荷分析准确率。

数据来源：REDD: A Public Data Set for Energy Disaggregation Research
（三）技术方案设计方法
传统的侵入式负荷监测需要为每个被监测负荷安装数据采集和传感器等硬件，然后将监测的各个设备的数据传输至数据处理中心，其硬件复杂而软件简单，安装和维护的费用高，同时在安装过程中可能需要进入负荷内部，这将影响用户的正常生活带来不便，甚至影响系统运行。

非侵入式能效监测是一种不影响或者尽可能小地影响作用对象的监测工具，可以为电力公司提供住宅用户等各种电力设备电能消耗的具体数据。

非侵入式能效监测终端最大的不同之处就在于只需要在电力进线处装设信号采样装置，根据所采集的系统总电能信号就能分析出单类设备的用电信息，克服了传统侵入式监测方法成本高、监测装置安装、维护不便的缺点。

在典型框架中，负荷分解包括数据量测、数据处理、事件探测、特征提取、负荷识别五大步骤。

数据量测其目的在于获得总负荷的稳态和暂态信号。

量测误差对非侵入式能效监测有重要影响，重点在于进行数据处理并提高负荷识别方法的抗噪能力。

数据处理主要包括去噪和有功等电气量的计算、标幺化等。

标幺化的目的是便于处理电能质量波动带来的干扰问题。

针对处理后的数据，可进行事件探测，以得知用电设备的运行状态变化情况。

事件探测的依据是一定时间段内负荷印记的变化情况，具体有规则判断和变点检测两种方法。

该部分的难点在于各方法的参数选取，其中时间段大小与负荷印记变化阈值的选取至关重要，太大或太小均会引起错误的事件探测结果，并可能增加计算量。

特征提取即从事件发生前后的数据中提取出供负荷识别使用的一系列不同的负荷印记特征。

目前已有很多方案，如针对有功负荷印记提出了傅里叶变换、小波变换等提取方案。

为了准确识别负荷印记相似的负荷，提取的特征信息应该尽量有效，不同的负荷印记及提取方法的选择会有不同的结果。

负荷识别是将上步提取的特征与已有负荷特征库中的负荷特征进行比较，当两者达到一定的相似度时，就辨识出相应的用电设备。

负荷特征库的建立方法目前有两种，其一是在人工辅助下记录各用电设备的负荷印记特征，其二是通过算法自动分类。

负荷识别算法则主要存在数学优化算法和模式识别算法两种，前者的效果通常较差故使用较少，后者属于人工智能方法的一个分支，可选算法较多，性能上各有优缺点。

（四）可行性分析方法
非侵入式能效监测终端只需在电力供给的入口处安装监测装置，在基本不影响用户的情况下，进行设备用电情况监测和能效分析，技术上可行，并比传统侵入式能效监测方法有明显优势。

随着信息技术的发展，使得非侵入式能效监测终端在性能迅速提升的同时成本却大幅度下降，具有明显的成本优势，经济上可行，并在未来具有广阔的应用前景。

（五）效益评估及风险控制方法
非侵入式能效监测终端具有良好的效益。

电力系统的效益：能效监测数据为更科学合理地制定电价、分配资金，为电力系统实施分段电价和分时电价等提供衡量的标准；同时可以更全面的评估电力公司的
能效项目，提高电力资产的利用率。

电力用户的效益：根据能效监测数据，用户能够更清楚直观地了解不同时间段每类用电设备的电能消耗及运行情况，通过分析不同时间段每类电力设备所消耗的电量，用户可以更合理地安排相关设备的运行状态及各类用电设备的使用时间和方法，最大程度的降低电能消耗，减少电费开支。

全社会的效益：能效监测数据能够推动制造商加速开展低能耗设备的研发，相关部门制定政策时更科学合理，提高能源利用率，降低环境污染和减缓温室效应。

（六）技术应用推广关键点及建议
非侵入式能效监测终端推广应用的技术关键点是深入进行综合负荷稳态特征和暂态特征的负荷分类研究。

负荷的稳态特征研究已经比较成熟，暂态特征可以补充稳态特征所提供信息的不足之处，不同类型负荷在投切过程中其暂态特性是独一无二的，对非侵入式能效监测来讲有非常重要的作用。

非侵入式能效监测终端推广应用需要开展多类型的示范应用，选择具有典型特征的示范区域（如居民小区、商业办公楼等），安装非侵入式能效监测终端，获取相应能效数据，通过示范项目促进技术的发展、成熟和完善。

二、典型案例
案例摘要
（一）项目背景
在我国能源消耗中，工业是能源消耗的大户，占全国能源消耗总量的70%左右且总体用能水平不高，加强工业企业能效监测与节能服务是减少能源消耗、提高企业经济效益、保护环境的有效途径。

泰发特钢在线能效监测节能服务项目通过非侵入式能效在线监测终端采集企业用能数据，向企业提供用能情况分析、节能建议等综合服务，帮助企业节能降耗。

（二）技术方案
传统分项计量的优点在于计量准确，但是有两个明显的不足：一是终端数量依赖于用电回路和用电设备的类型及数量，能效监测要求越高则所需配置终端数量越大，改造成本较大；二是终端安装需要断电时间较长，严重影响用户正常的生产生活需要，往往成为项目不能正常实施的关键。

本项目采用非侵入式能效监测终端进行能耗数据采集与分解，其主要优点在于：一是实现了分项计量功能，一台非侵入式能效终端能实现一个供电回路的分项计量功能，能比较准确的识别各用电设备能耗。

二是实施与改造成本优势明显，非侵入式能效终端安装实施改造量小；终端所需数量大大小于分项计量终端，改造成本优势明显。

三是实现了设备状态分析与报警，非侵入式能效终端采集和分析各类用电设备负荷印记，运行中能有效分析用电设备的运行状态和健康状态，对非正常运行设备和故障设备能及时发现并报警。

泰发特钢在线能效监测节能服务项目全天候采集和监测企业用电数据，整个系统由数据采集系统、数据分析系统、信息展现系统三部分组成，通过系统的分级，使各模块分工协作，使系统的运行更加快速与稳定。

数据采集系统：采用非侵入式能效监测终端自动采集企业各设备用电信息，进行负荷变动率、电量、异常等信息的处理，然后通过数据采集器中的通讯模块上传到
数据中心。

泰发特钢典型配变接线图与终端现场安装图如下所示。

本项目中非侵入式能效监测终端建立了各类日光灯、空调、风机、卷扬机、传送机、电动机等用电设备的负荷印记，其中空调和电动机的负荷印记见下图所示。

泰发特钢空调启动负荷印记
泰发特钢某回路电动机启动负荷印记
本项目中，采用了结合稳态特征、动态特征的V-I轨迹量化分析方法，如下图所示。

数据采集准确度对比分析如下所示：
总负荷电表计量数据与非侵入式能效终端计量数据，最大误差百分比为2.01%。

测试线路风机负荷电表计量数据与非侵入式能效终端计量数据，最大误差百分比为9.03%。

测试线路电动机负荷电表计量数据与非侵入式能效终端计量数据，最大误差百分比为8.27%。

数据分析系统：通过对数据采集系统传输进行解析处理，通过数据挖掘算法对电能数据进行处理以及智能分析，完成对负荷变动率、节电率、亮灯率等信息的计算，并将分析的结果保存到数据库中。

信息展示系统：信息展示系统采用B/S模式展示数据界面。

（三）商业模式
本项目为业主方支付项目资金，由服务方负责建设和运行，企业通过非侵入式能效监测系统的建设以及服务方的专业节能服务，减少罚款及降低用能成本。

（四）可行性分析
传统的能效监测终端有其上述不足，本项目采用的非侵入式能效监测终端，技术上和实施上均具有良好的技术优势和成本优势，具有可行性和可推广性。

（五）效益分析
泰发特钢年用电量约750万kWh，本项目投资90万元，安装了27台非侵入式能效监测终端，通过管理提升年节约电量35万kWh，计及运行电费节约、工程施工维护工作量减少等各项因素，年收益32万元，有良好的经济效益。

本项目的实施，不仅解决了长期困扰能效监测系统建设的技术和工程实施难题，通过收集全面的能耗数据信息，不仅助于找到管理漏洞或能耗漏洞，发现系统中某些重点用能设备的故障，更进一步为优化系统运行策略、确定最佳的节能改造方案提供了有效支撑，具有良好的社会效益。