非侵入式能效監(jiān)測終端技術(shù)說明

1、非侵入式能效監(jiān)測終端技術(shù)說明一、重點(diǎn)技術(shù)介紹（一）應(yīng)用范圍能耗監(jiān)測是開展節(jié)能工作的基礎(chǔ)，加強(qiáng)能耗監(jiān)測尤其是電力能耗的監(jiān)測工作對(duì)提高我國能源利用效率、實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和緩解能源壓力等具有重要的意義。傳統(tǒng)的能耗監(jiān)測是采用分項(xiàng)能耗計(jì)量的方法，即對(duì)供電電路進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量改造，在每類甚至每個(gè)設(shè)備上按照要求安裝帶有通信功能的電能表，實(shí)現(xiàn)能耗的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測分析。非侵入式能效監(jiān)測是能效監(jiān)測的一種新技術(shù)，其基本思想是無需進(jìn)入負(fù)荷內(nèi)部，僅通過對(duì)電力負(fù)荷入口處的電壓、電流及功率信息進(jìn)行測量、分析，便可得到負(fù)荷內(nèi)部不同用電設(shè)備實(shí)時(shí)的功率消耗比例，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分解。非侵入式能效監(jiān)測為電力公司和用電企

2、業(yè)提供了一種用最少的侵入實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷內(nèi)部用電設(shè)備功率消耗的低成本監(jiān)測方法，是智能用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)新技術(shù)，可用于共建筑（如高校、醫(yī)院、政府等）、商業(yè)大樓、工業(yè)企業(yè)、居民小區(qū)等領(lǐng)域能效監(jiān)測與管理。（二）技術(shù)原理非侵入式能效監(jiān)測終端通過分析其量測點(diǎn)處的電壓、電流等電氣量，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶總負(fù)荷的分解，估計(jì)出單個(gè)用電設(shè)備的使用狀態(tài)、能耗等用能信息。負(fù)荷分解包括數(shù)據(jù)量測、數(shù)據(jù)處理、事件探測、特征提取、負(fù)荷識(shí)別5大步驟，在此基礎(chǔ)上還有針對(duì)電網(wǎng)和用戶的各種高級(jí)應(yīng)用。負(fù)荷印記是非侵入式能效監(jiān)測的重要概念，定義為一個(gè)用電設(shè)備在運(yùn)行中所體現(xiàn)的獨(dú)特的能反映用電狀態(tài)的信息，如有功的波形等。負(fù)荷印記包含了負(fù)荷的運(yùn)行特征，而這些特

3、征由用電設(shè)備的工作條件決定，據(jù)此可將負(fù)荷印記分為穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、運(yùn)行模式三類，其中穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)兩類負(fù)荷印記取決于設(shè)備內(nèi)部的元器件特征；運(yùn)行模式類負(fù)荷印記則由設(shè)備的運(yùn)行控制策略決定。負(fù)荷印記的各種特征具有重現(xiàn)性，故基于負(fù)荷印記特征可識(shí)別負(fù)荷類型及其使用狀況，此即非侵入式能效監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)原理。美國麻省理工最早進(jìn)行了非侵入式能耗監(jiān)測技術(shù)研究，研究和實(shí)驗(yàn)表明，非侵入式能耗監(jiān)測可具有良好的負(fù)荷分析準(zhǔn)確率。數(shù)據(jù)來源：REDD: A Public Data Set for Energy Disaggregation Research（三）技術(shù)方案設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)的侵入式負(fù)荷監(jiān)測需要為每個(gè)被監(jiān)測負(fù)荷安裝數(shù)據(jù)采集和傳感器等

4、硬件，然后將監(jiān)測的各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，其硬件復(fù)雜而軟件簡單，安裝和維護(hù)的費(fèi)用高，同時(shí)在安裝過程中可能需要進(jìn)入負(fù)荷內(nèi)部，這將影響用戶的正常生活帶來不便，甚至影響系統(tǒng)運(yùn)行。非侵入式能效監(jiān)測是一種不影響或者盡可能小地影響作用對(duì)象的監(jiān)測工具，可以為電力公司提供住宅用戶等各種電力設(shè)備電能消耗的具體數(shù)據(jù)。非侵入式能效監(jiān)測終端最大的不同之處就在于只需要在電力進(jìn)線處裝設(shè)信號(hào)采樣裝置，根據(jù)所采集的系統(tǒng)總電能信號(hào)就能分析出單類設(shè)備的用電信息，克服了傳統(tǒng)侵入式監(jiān)測方法成本高、監(jiān)測裝置安裝、維護(hù)不便的缺點(diǎn)。在典型框架中，負(fù)荷分解包括數(shù)據(jù)量測、數(shù)據(jù)處理、事件探測、特征提取、負(fù)荷識(shí)別五大步驟。數(shù)據(jù)量測其目的

5、在于獲得總負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)信號(hào)。量測誤差對(duì)非侵入式能效監(jiān)測有重要影響，重點(diǎn)在于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并提高負(fù)荷識(shí)別方法的抗噪能力。數(shù)據(jù)處理主要包括去噪和有功等電氣量的計(jì)算、標(biāo)幺化等。標(biāo)幺化的目的是便于處理電能質(zhì)量波動(dòng)帶來的干擾問題。針對(duì)處理后的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行事件探測，以得知用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)變化情況。事件探測的依據(jù)是一定時(shí)間段內(nèi)負(fù)荷印記的變化情況，具體有規(guī)則判斷和變點(diǎn)檢測兩種方法。該部分的難點(diǎn)在于各方法的參數(shù)選取，其中時(shí)間段大小與負(fù)荷印記變化閾值的選取至關(guān)重要，太大或太小均會(huì)引起錯(cuò)誤的事件探測結(jié)果，并可能增加計(jì)算量。特征提取即從事件發(fā)生前后的數(shù)據(jù)中提取出供負(fù)荷識(shí)別使用的一系列不同的負(fù)荷印記特征。目前已有很

6、多方案，如針對(duì)有功負(fù)荷印記提出了傅里葉變換、小波變換等提取方案。為了準(zhǔn)確識(shí)別負(fù)荷印記相似的負(fù)荷，提取的特征信息應(yīng)該盡量有效，不同的負(fù)荷印記及提取方法的選擇會(huì)有不同的結(jié)果。負(fù)荷識(shí)別是將上步提取的特征與已有負(fù)荷特征庫中的負(fù)荷特征進(jìn)行比較，當(dāng)兩者達(dá)到一定的相似度時(shí)，就辨識(shí)出相應(yīng)的用電設(shè)備。負(fù)荷特征庫的建立方法目前有兩種，其一是在人工輔助下記錄各用電設(shè)備的負(fù)荷印記特征，其二是通過算法自動(dòng)分類。負(fù)荷識(shí)別算法則主要存在數(shù)學(xué)優(yōu)化算法和模式識(shí)別算法兩種，前者的效果通常較差故使用較少，后者屬于人工智能方法的一個(gè)分支，可選算法較多，性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)。（四）可行性分析方法非侵入式能效監(jiān)測終端只需在電力供給的入口處安

7、裝監(jiān)測裝置，在基本不影響用戶的情況下，進(jìn)行設(shè)備用電情況監(jiān)測和能效分析，技術(shù)上可行，并比傳統(tǒng)侵入式能效監(jiān)測方法有明顯優(yōu)勢。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，使得非侵入式能效監(jiān)測終端在性能迅速提升的同時(shí)成本卻大幅度下降，具有明顯的成本優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)上可行，并在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。（五）效益評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)控制方法非侵入式能效監(jiān)測終端具有良好的效益。電力系統(tǒng)的效益：能效監(jiān)測數(shù)據(jù)為更科學(xué)合理地制定電價(jià)、分配資金，為電力系統(tǒng)實(shí)施分段電價(jià)和分時(shí)電價(jià)等提供衡量的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)可以更全面的評(píng)估電力公司的能效項(xiàng)目，提高電力資產(chǎn)的利用率。電力用戶的效益：根據(jù)能效監(jiān)測數(shù)據(jù)，用戶能夠更清楚直觀地了解不同時(shí)間段每類用電設(shè)備的電能消耗及運(yùn)行情況

8、，通過分析不同時(shí)間段每類電力設(shè)備所消耗的電量，用戶可以更合理地安排相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各類用電設(shè)備的使用時(shí)間和方法，最大程度的降低電能消耗，減少電費(fèi)開支。全社會(huì)的效益：能效監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠推動(dòng)制造商加速開展低能耗設(shè)備的研發(fā)，相關(guān)部門制定政策時(shí)更科學(xué)合理，提高能源利用率，降低環(huán)境污染和減緩溫室效應(yīng)。（六）技術(shù)應(yīng)用推廣關(guān)鍵點(diǎn)及建議非侵入式能效監(jiān)測終端推廣應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是深入進(jìn)行綜合負(fù)荷穩(wěn)態(tài)特征和暫態(tài)特征的負(fù)荷分類研究。負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)特征研究已經(jīng)比較成熟，暫態(tài)特征可以補(bǔ)充穩(wěn)態(tài)特征所提供信息的不足之處，不同類型負(fù)荷在投切過程中其暫態(tài)特性是獨(dú)一無二的，對(duì)非侵入式能效監(jiān)測來講有非常重要的作用。非侵入式能效監(jiān)測終

9、端推廣應(yīng)用需要開展多類型的示范應(yīng)用，選擇具有典型特征的示范區(qū)域（如居民小區(qū)、商業(yè)辦公樓等），安裝非侵入式能效監(jiān)測終端，獲取相應(yīng)能效數(shù)據(jù)，通過示范項(xiàng)目促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展、成熟和完善。二、典型案例案例摘要項(xiàng)目名稱泰發(fā)特鋼在線能效監(jiān)測節(jié)能服務(wù)項(xiàng)目投資單位徐州泰發(fā)特鋼科技有限公司技術(shù)領(lǐng)域工業(yè)節(jié)能業(yè)主單位徐州泰發(fā)特鋼科技有限公司投資模式業(yè)主投資項(xiàng)目投資（萬元）90年節(jié)約電量（萬kWh）35年收益（萬元）32靜態(tài)投資回收期（年）2.81（一）項(xiàng)目背景在我國能源消耗中，工業(yè)是能源消耗的大戶，占全國能源消耗總量的70%左右且總體用能水平不高，加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)能效監(jiān)測與節(jié)能服務(wù)是減少能源消耗、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、保護(hù)環(huán)境

10、的有效途徑。泰發(fā)特鋼在線能效監(jiān)測節(jié)能服務(wù)項(xiàng)目通過非侵入式能效在線監(jiān)測終端采集企業(yè)用能數(shù)據(jù)，向企業(yè)提供用能情況分析、節(jié)能建議等綜合服務(wù)，幫助企業(yè)節(jié)能降耗。（二）技術(shù)方案傳統(tǒng)分項(xiàng)計(jì)量的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)量準(zhǔn)確，但是有兩個(gè)明顯的不足：一是終端數(shù)量依賴于用電回路和用電設(shè)備的類型及數(shù)量，能效監(jiān)測要求越高則所需配置終端數(shù)量越大，改造成本較大；二是終端安裝需要斷電時(shí)間較長，嚴(yán)重影響用戶正常的生產(chǎn)生活需要，往往成為項(xiàng)目不能正常實(shí)施的關(guān)鍵。本項(xiàng)目采用非侵入式能效監(jiān)測終端進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)采集與分解，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：一是實(shí)現(xiàn)了分項(xiàng)計(jì)量功能，一臺(tái)非侵入式能效終端能實(shí)現(xiàn)一個(gè)供電回路的分項(xiàng)計(jì)量功能，能比較準(zhǔn)確的識(shí)別各用電設(shè)備能耗。二

11、是實(shí)施與改造成本優(yōu)勢明顯，非侵入式能效終端安裝實(shí)施改造量小；終端所需數(shù)量大大小于分項(xiàng)計(jì)量終端，改造成本優(yōu)勢明顯。三是實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)分析與報(bào)警，非侵入式能效終端采集和分析各類用電設(shè)備負(fù)荷印記，運(yùn)行中能有效分析用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀態(tài)，對(duì)非正常運(yùn)行設(shè)備和故障設(shè)備能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警。泰發(fā)特鋼在線能效監(jiān)測節(jié)能服務(wù)項(xiàng)目全天候采集和監(jiān)測企業(yè)用電數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、信息展現(xiàn)系統(tǒng)三部分組成，通過系統(tǒng)的分級(jí)，使各模塊分工協(xié)作，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加快速與穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采用非侵入式能效監(jiān)測終端自動(dòng)采集企業(yè)各設(shè)備用電信息，進(jìn)行負(fù)荷變動(dòng)率、電量、異常等信息的處理，然后通過數(shù)據(jù)采集器中的通訊模

12、塊上傳到數(shù)據(jù)中心。泰發(fā)特鋼典型配變接線圖與終端現(xiàn)場安裝圖如下所示。本項(xiàng)目中非侵入式能效監(jiān)測終端建立了各類日光燈、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、傳送機(jī)、電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備的負(fù)荷印記，其中空調(diào)和電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷印記見下圖所示。泰發(fā)特鋼空調(diào)啟動(dòng)負(fù)荷印記泰發(fā)特鋼某回路電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷印記本項(xiàng)目中，采用了結(jié)合穩(wěn)態(tài)特征、動(dòng)態(tài)特征的V-I軌跡量化分析方法，如下圖所示。數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度對(duì)比分析如下所示：總負(fù)荷電表計(jì)量數(shù)據(jù)與非侵入式能效終端計(jì)量數(shù)據(jù)，最大誤差百分比為2.01%。測試線路風(fēng)機(jī)負(fù)荷電表計(jì)量數(shù)據(jù)與非侵入式能效終端計(jì)量數(shù)據(jù)，最大誤差百分比為9.03%。測試線路電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電表計(jì)量數(shù)據(jù)與非侵入式能效終端計(jì)量數(shù)據(jù)，最大誤差百分比

13、為8.27%。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)：通過對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸進(jìn)行解析處理，通過數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及智能分析，完成對(duì)負(fù)荷變動(dòng)率、節(jié)電率、亮燈率等信息的計(jì)算，并將分析的結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。信息展示系統(tǒng)：信息展示系統(tǒng)采用B/S模式展示數(shù)據(jù)界面。（三）商業(yè)模式本項(xiàng)目為業(yè)主方支付項(xiàng)目資金，由服務(wù)方負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)行，企業(yè)通過非侵入式能效監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)以及服務(wù)方的專業(yè)節(jié)能服務(wù)，減少罰款及降低用能成本。（四）可行性分析傳統(tǒng)的能效監(jiān)測終端有其上述不足，本項(xiàng)目采用的非侵入式能效監(jiān)測終端，技術(shù)上和實(shí)施上均具有良好的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，具有可行性和可推廣性。（五）效益分析 泰發(fā)特鋼年用電量約750萬kWh，本項(xiàng)目投資90萬元，安裝了27臺(tái)非侵入式能效監(jiān)測終端，通過管理提升年節(jié)約電量35萬kWh，計(jì)及運(yùn)行電費(fèi)節(jié)約、工程施工維護(hù)工作量減少等各項(xiàng)因素，年收益32萬元，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。