非侵入式能效監(jiān)測終端技術說明

1、非侵入式能效監(jiān)測終端技術說明一、重點技術介紹（一）應用范圍能耗監(jiān)測是開展節(jié)能工作的基礎，加強能耗監(jiān)測尤其是電力能耗的監(jiān)測工作對提高我國能源利用效率、實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展、建設節(jié)約型社會和緩解能源壓力等具有重要的意義。傳統(tǒng)的能耗監(jiān)測是采用分項能耗計量的方法，即對供電電路進行分項計量改造，在每類甚至每個設備上按照要求安裝帶有通信功能的電能表，實現(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，其基本思想是無需進入負荷內(nèi)部，僅通過對電力負荷入口處的電壓、電流及功率信息進行測量、分析，便可得到負荷內(nèi)部不同用電設備實時的功率消耗比例，從而實現(xiàn)負荷分解。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現(xiàn)對負荷內(nèi)部用電設備功率消耗的低成本監(jiān)測方法，是智能用電系統(tǒng)的基礎新技術，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)等領域能效監(jiān)測與管理。（二）技術原理非侵入式能效監(jiān)測終端通過分析其量測點處的電壓、電流等電氣量，實現(xiàn)對用戶總負荷的分解，估計出單個用電設備的使用狀態(tài)、能耗等用能信息。負荷分解包括數(shù)據(jù)量測、數(shù)據(jù)處理、事件探測、特征提取、負荷識別5大步驟，在此基礎上還有針對電網(wǎng)和用戶的各種高級應用。負荷印記是非侵入式能效監(jiān)測的重要概念，定義為一個用電設備在運行中所體現(xiàn)的獨特的能反映用電狀態(tài)的信息，如有功的波形等。負荷印記包含了負荷的運行特征，而這些特

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

4、硬件，然后將監(jiān)測的各個設備的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，其硬件復雜而軟件簡單，安裝和維護的費用高，同時在安裝過程中可能需要進入負荷內(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線處裝設信號采樣裝置，根據(jù)所采集的系統(tǒng)總電能信號就能分析出單類設備的用電信息，克服了傳統(tǒng)侵入式監(jiān)測方法成本高、監(jiān)測裝置安裝、維護不便的缺點。在典型框架中，負荷分解包括數(shù)據(jù)量測、數(shù)據(jù)處理、事件探測、特征提取、負荷識別五大步驟。數(shù)據(jù)量測其目的

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

6、多方案，如針對有功負荷印記提出了傅里葉變換、小波變換等提取方案。為了準確識別負荷印記相似的負荷，提取的特征信息應該盡量有效，不同的負荷印記及提取方法的選擇會有不同的結(jié)果。負荷識別是將上步提取的特征與已有負荷特征庫中的負荷特征進行比較，當兩者達到一定的相似度時，就辨識出相應的用電設備。負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備的負荷印記特征，其二是通過算法自動分類。負荷識別算法則主要存在數(shù)學優(yōu)化算法和模式識別算法兩種，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分支，可選算法較多，性能上各有優(yōu)缺點。（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，進行設備用電情況監(jiān)測和能效分析，技術上可行，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成本卻大幅度下降，具有明顯的成本優(yōu)勢，經(jīng)濟上可行，并在未來具有廣闊的應用前景。（五）效益評估及風險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)為更科學合理地制定電價、分配資金，為電力系統(tǒng)實施分段電價和分時電價等提供衡量的標準；同時可以更全面的評估電力公司的能效項目，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間段每類用電設備的電能消耗及運行情況

8、，通過分析不同時間段每類電力設備所消耗的電量，用戶可以更合理地安排相關設備的運行狀態(tài)及各類用電設備的使用時間和方法，最大程度的降低電能消耗，減少電費開支。全社會的效益：能效監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠推動制造商加速開展低能耗設備的研發(fā)，相關部門制定政策時更科學合理，提高能源利用率，降低環(huán)境污染和減緩溫室效應。（六）技術應用推廣關鍵點及建議非侵入式能效監(jiān)測終端推廣應用的技術關鍵點是深入進行綜合負荷穩(wěn)態(tài)特征和暫態(tài)特征的負荷分類研究。負荷的穩(wěn)態(tài)特征研究已經(jīng)比較成熟，暫態(tài)特征可以補充穩(wěn)態(tài)特征所提供信息的不足之處，不同類型負荷在投切過程中其暫態(tài)特性是獨一無二的，對非侵入式能效監(jiān)測來講有非常重要的作用。非侵入式能效監(jiān)測終

9、端推廣應用需要開展多類型的示范應用，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，獲取相應能效數(shù)據(jù)，通過示范項目促進技術的發(fā)展、成熟和完善。二、典型案例案例摘要項目名稱泰發(fā)特鋼在線能效監(jiān)測節(jié)能服務項目投資單位徐州泰發(fā)特鋼科技有限公司技術領域工業(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，加強工業(yè)企業(yè)能效監(jiān)測與節(jié)能服務是減少能源消耗、提高企業(yè)經(jīng)濟效益、保護環(huán)境

10、的有效途徑。泰發(fā)特鋼在線能效監(jiān)測節(jié)能服務項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，幫助企業(yè)節(jié)能降耗。（二）技術方案傳統(tǒng)分項計量的優(yōu)點在于計量準確，但是有兩個明顯的不足：一是終端數(shù)量依賴于用電回路和用電設備的類型及數(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間較長，嚴重影響用戶正常的生產(chǎn)生活需要，往往成為項目不能正常實施的關鍵。本項目采用非侵入式能效監(jiān)測終端進行能耗數(shù)據(jù)采集與分解，其主要優(yōu)點在于：一是實現(xiàn)了分項計量功能，一臺非侵入式能效終端能實現(xiàn)一個供電回路的分項計量功能，能比較準確的識別各用電設備能耗。二

11、是實施與改造成本優(yōu)勢明顯，非侵入式能效終端安裝實施改造量??；終端所需數(shù)量大大小于分項計量終端，改造成本優(yōu)勢明顯。三是實現(xiàn)了設備狀態(tài)分析與報警，非侵入式能效終端采集和分析各類用電設備負荷印記，運行中能有效分析用電設備的運行狀態(tài)和健康狀態(tài)，對非正常運行設備和故障設備能及時發(fā)現(xiàn)并報警。泰發(fā)特鋼在線能效監(jiān)測節(jié)能服務項目全天候采集和監(jiān)測企業(yè)用電數(shù)據(jù)，整個系統(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，使各模塊分工協(xié)作，使系統(tǒng)的運行更加快速與穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采用非侵入式能效監(jiān)測終端自動采集企業(yè)各設備用電信息，進行負荷變動率、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)、風機、卷揚機、傳送機、電動機等用電設備的負荷印記，其中空調(diào)和電動機的負荷印記見下圖所示。泰發(fā)特鋼空調(diào)啟動負荷印記泰發(fā)特鋼某回路電動機啟動負荷印記本項目中，采用了結(jié)合穩(wěn)態(tài)特征、動態(tài)特征的V-I軌跡量化分析方法，如下圖所示。數(shù)據(jù)采集準確度對比分析如下所示：總負荷電表計量數(shù)據(jù)與非侵入式能效終端計量數(shù)據(jù)，最大誤差百分比為2.01%。測試線路風機負荷電表計量數(shù)據(jù)與非侵入式能效終端計量數(shù)據(jù)，最大誤差百分比為9.03%。測試線路電動機負荷電表計量數(shù)據(jù)與非侵入式能效終端計量數(shù)據(jù)，最大誤差百分比

13、為8.27%。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)：通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸進行解析處理，通過數(shù)據(jù)挖掘算法對電能數(shù)據(jù)進行處理以及智能分析，完成對負荷變動率、節(jié)電率、亮燈率等信息的計算，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)模式本項目為業(yè)主方支付項目資金，由服務方負責建設和運行，企業(yè)通過非侵入式能效監(jiān)測系統(tǒng)的建設以及服務方的專業(yè)節(jié)能服務，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，本項目采用的非侵入式能效監(jiān)測終端，技術上和實施上均具有良好的技術優(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，本項目投資90萬元，安裝了27臺非侵入式能效監(jiān)測終端，通過管理提升年節(jié)約電量35萬kWh，計及運行電費節(jié)約、工程施工維護工作量減少等各項因素，年收益32萬元，有良好的經(jīng)濟效益。