小电流电器的事件检测方法及系统、设备、存储介质与流程

1.本发明涉及非侵入式负荷识别技术领域，特别地，涉及一种小电流电器的事件检测方法及系统、设备、计算机可读取的存储介质。


背景技术：

2.目前，用户负荷监测按数据的获取方式分为侵入式和非侵入式。20世纪80年代，hart提出了非侵入式负荷监测(non
‑
intrusive load monitoring,nilm)，相比于侵入式监测，nilm具有低安装成本、用户接受程度高等优势。nilm主要包含3个步骤，分别是事件检测、特征提取和负荷识别。其中特征提取和负荷识别两部分均以事件检测为基础，提高事件检测的准确性可有效增强负荷识别率。目前变点检测是更具有发展前景的检测方法，主要有4种概率方法用于检测电气量信号的变化：广义似然比、卡方拟合优度、贝叶斯信息准则和累积和(cumulative sum，cusum)方法。其中，cusum算法简单实用，稳定性强。
3.但是，在对小电流电器的投入/切出事件进行检测时，由于小电流电器的电流有效值较小，且电流波动值也小，现有的cusum算法经常会出现小电流电器事件被漏检的问题。并且，现有的cusum算法只能检测出投入/切出事件发生的暂态时刻，而无法检测出投入/切出事件发生后进入稳态的时刻，容易将暂态过程认定为稳态，对于后续的特征提取部分，无法保证稳态特征提取的准确性。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种小电流电器的事件检测方法及系统、设备、计算机可读取的存储介质，以解决现有的cusum算法容易漏检小电流电器的投入/切出事件的技术问题。
5.根据本发明的一个方面，提供一种小电流电器的事件检测方法，包括以下内容：
6.获取电流有效值时间序列；
7.在电流有效值时间序列上定义三个连续的滑动窗口，沿滑动方向排列依次为均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口；
8.定义投入事件累积和和切出事件累积和的计算公式如下：
[0009][0010][0011]
其中，为第k次计算时的投入事件累积和，为第k
‑
1次计算时的投入事件累积和，为第k次计算时的切出事件累积和，为第k
‑
1次计算时的切出事件累积和，m
m
为第k次计算时的均值计算窗口的电流有效值均值，m
d
为第k次计算时的暂态检测窗口的电流有效值均值，β为噪声参数，d为时间延迟因子，δ为权重参数，v为第k次计算时的方差计算窗
口内的电流有效值的方差值；
[0012]
设置投入事件累积和的初始值和切出事件累积和的初始值均为0，并预设方差阈值δ
min
、确定投入事件发生的累积和阈值h1、确定切出事件发生的累积和阈值h2；
[0013]
利用三个滑动窗口在电流有效值时间序列上不断同步滑动，且每滑动一次分别计算均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口内的电流有效值均值，并计算方差计算窗口内的电流有效值的方差值v；
[0014]
基于每次窗口滑动的计算结果对投入事件累积和和切出事件累积和进行分析，从而判断出是否存在负荷投入事件和/或负荷切出事件。
[0015]
进一步地，在所述基于每次窗口滑动的计算结果对投入事件累积和和切出事件累积和进行分析，从而判断出是否存在负荷投入事件和/或负荷切出事件的过程中：
[0016]
当m
d
＞m
m
β时，则进行投入事件累积和计算，直至时确定投入事件发生；当m
d
<m
m
β时，则进行切出事件累积和计算，直至时确定切出事件发生。
[0017]
进一步地，当确定投入事件或切出事件发生后还包括以下内容：
[0018]
继续滑动窗口并计算累积和，直至累积和不再增加，且此时方差计算窗口内的方差值小于方差阈值，则判定电流有效值时间序列进入稳态。
[0019]
进一步地，所述方差阈值δ
min
通过以下过程确定：
[0020]
利用稳态时间窗口对小电流电器的稳态运行数据进行分析，计算得到小电流电器稳态运行时电流有效值的方差，则所述方差阈值应大于小电流电器稳态运行时的方差值。
[0021]
进一步地，对于电流波动越小的电器，其权重参数δ值越大。
[0022]
另外，本发明还提供一种小电流电器的事件检测系统，采用如上所述的事件检测方法，包括
[0023]
数据采集单元，用于获取电流有效值时间序列；
[0024]
滑动窗口设置单元，用于在电流有效值时间序列上定义三个连续的滑动窗口，沿滑动方向排列依次为均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口；
[0025]
累积和定义单元，用于定义投入事件累积和和切出事件累积和的计算公式；
[0026]
初始化单元，用于设置投入事件累积和的初始值和切出事件累积和的初始值均为0，并预设方差阈值δ
min
、确定投入事件发生的累积和阈值h1、确定切出事件发生的累积和阈值h2；
[0027]
计算单元，用于在窗口滑动过程中计算均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口内的电流有效值均值，并计算方差计算窗口内的电流有效值的方差值v；
[0028]
分析单元，用于基于每次窗口滑动的计算结果对投入事件累积和和切出事件累积和进行分析，从而判断出是否存在负荷投入事件和/或负荷切出事件。
[0029]
进一步地，还包括
[0030]
稳态时刻识别单元，用于在所述分析单元确定投入事件或切出事件发生后，继续滑动窗口并计算累积和，直至累积和不再增加，且此时方差计算窗口内的方差值小于方差阈值，则判定电流有效值时间序列进入稳态。
[0031]
进一步地，还包括
[0032]
方差阈值设置单元，用于利用稳态时间窗口对小电流电器的稳态运行数据进行分
析，计算得到小电流电器稳态运行时电流有效值的方差，则所述方差阈值应大于小电流电器稳态运行时的方差值。
[0033]
另外，本发明还提供一种设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行如上所述的方法的步骤。
[0034]
另外，本发明还提供一种计算机可读取的存储介质，用于存储对小电流电器进行事件检测的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时执行如上所述的方法的步骤。
[0035]
本发明具有以下效果：
[0036]
本发明的小电流电器的事件检测方法，通过在电流有效值时间序列上依次定义均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口，相比于现有的cusum算法不仅增加了方差计算窗口来判断序列的波动情水平，而且将方差计算窗口内的方差值与预设的方差阈值进行比对，当计算的方差值小于方差阈值时，对累积和的计算加上了系数(1 δd)，针对小电流电器，虽然其电流有效值和波动值较小，但是通过系数(1 δd)可以显著提高小电流电器的投入\或切出事件累积和，有利于准确识别出小电流电器的投入/切出事件，有效降低了小电流电器事件被漏检的概率。
[0037]
另外，本发明的小电流电器的事件检测系统、设备、计算机可读取的存储介质同样具有上述优点。
[0038]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0039]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0040]
图1是本发明优选实施例的小电流电器的事件检测方法的流程示意图。
[0041]
图2是本发明优选实施例的滑动窗滑过投入事件的发生时刻的各阶段示意图。
[0042]
图3是本发明优选实施例的小电流电器的事件检测方法与现有的cusum算法在事件检测过程中累积和的对比示意图。
[0043]
图4是是本发明另一实施例的小电流电器的事件检测系统的单元结构示意图。
具体实施方式
[0044]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0045]
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种小电流电器的事件检测方法，包括以下内容：
[0046]
步骤s1：获取电流有效值时间序列；
[0047]
步骤s2：在电流有效值时间序列上定义三个连续的滑动窗口，沿滑动方向排列依次为均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口；
[0048]
步骤s3：定义投入事件累积和和切出事件累积和的计算公式如下：
[0049][0050][0051]
其中，为第k次计算时的投入事件累积和，为第k
‑
1次计算时的投入事件累积和，为第k次计算时的切出事件累积和，为第k
‑
1次计算时的切出事件累积和，m
m
为第k次计算时的均值计算窗口的电流有效值均值，m
d
为第k次计算时的暂态检测窗口的电流有效值均值，β为噪声参数，d为时间延迟因子，δ为权重参数，v为第k次计算时的方差计算窗口内的电流有效值的方差值；
[0052]
步骤s4：设置投入事件累积和的初始值和切出事件累积和的初始值均为0，并预设方差阈值δ
min
、确定投入事件发生的累积和阈值h1、确定切出事件发生的累积和阈值h2；
[0053]
步骤s5：利用三个滑动窗口在电流有效值时间序列上不断同步滑动，且每滑动一次分别计算均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口内的电流有效值均值，并计算方差计算窗口内的电流有效值的方差值v；
[0054]
步骤s6：基于每次窗口滑动的计算结果对投入事件累积和和切出事件累积和进行分析，从而判断出是否存在负荷投入事件和/或负荷切出事件。
[0055]
可以理解，本实施例的小电流电器的事件检测方法，通过在电流有效值时间序列上依次定义均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口，相比于现有的cusum算法不仅增加了方差计算窗口来判断序列的波动情水平，而且将方差计算窗口内的方差值与预设的方差阈值进行比对，当计算的方差值小于方差阈值时，对累积和的计算加上了系数(1 δd)，针对小电流电器，虽然其电流有效值和波动值较小，但是通过系数(1 δd)可以显著提高小电流电器的投入或切出事件累积和，有利于准确识别出小电流电器的投入/切出事件，有效降低了小电流电器事件被漏检的概率。
[0056]
可以理解，所述步骤s6具体为：
[0057]
当m
d
＞m
m
β时，则进行投入事件累积和计算，直至时确定投入事件发生；当m
d
<m
m
β时，则进行切出事件累积和计算，直至时确定切出事件发生。
[0058]
在每次窗口滑动的计算结果中，当暂态检测窗口的电流有效值均值m
d
大于均值计算窗口的电流有效值均值m
m
与噪声参数β之和时，证明电流负荷数据是增加的，则可能存在电器投入，故而进行投入事件累积和计算，直至时确定投入事件发生。相反地，若暂态检测窗口的电流有效值均值m
d
小于均值计算窗口的电流有效值均值m
m
与噪声参数β之和时，则可能存在电器切出，故而进行切出事件累积和计算，直至时确定切出事件发生。
[0059]
可以理解，投入事件的检测原理与切出事件的检测原理相同，故本发明中后续的说明以投入事件的检测来做示范性说明，切出事件的检测不再赘述。
[0060]
具体地，首先获取电流有效值时间序列其中，i(j)表示的是电流有
效值时间序列i中的第j个电流有效值。
[0061]
然后，在电流有效值时间序列i上定义三个连续的滑动窗口，沿滑动方向排列依次为均值计算窗口w
m
、暂态检测窗口w
d
和方差计算窗口w
v
，其中，均值计算窗口w
m
的窗口长度为m，暂态检测窗口w
d
的窗口长度为n，方差计算窗口w
v
的窗口长度为v。
[0062]
为了检测电器投入和切出，定义投入事件累积和为：
[0063][0064]
通过上式可以有效提高电流波动小的小电流电器的累积和，并且，对于电流波动越小的电器，其权重参数δ值越大，在中当前统计值所占的比重越大，则累计的能力也就越强。
[0065]
并且，权重参数δ可以根据实际检测效果进行优化，检测效果＝正确检测个数/总个数*100％，其中，总个数＝正确检测个数 错误检测个数 漏测个数，根据大量训练结果可以得到检测效果最好时的权重参数δ。
[0066]
另外，所述方差阈值δ
min
通过以下过程确定：
[0067]
利用稳态时间窗口对小电流电器的稳态运行数据进行分析，计算得到小电流电器稳态运行时电流有效值的方差，则所述方差阈值应大于小电流电器稳态运行时的方差值。其中，窗口的长度优选为50个点，当然在本发明的其它实施例中，窗口的长度也可以选择其它数值，例如60个点、100个点等，在此不做具体限定。
[0068]
然后，设置投入事件累积和的初始值为0，并预设方差阈值δ
min
和确定投入事件发生的累积和阈值h1。利用三个滑动窗口在电流有效值时间序列i上进行同步滑动，每次滑动均需计算均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口内的电流有效值均值，并计算方差计算窗口内的电流有效值的方差值v，具体计算公式如下：
[0069][0070][0071][0072][0073]
其中，m
d
为暂态检测窗口内的电流有效值均值，m
m
为均值计算窗口内的电流有效值均值，m
v
为方差计算窗口内的电流有效值均值，v为方差计算窗口内电流有效值的方差值，k为均值计算窗口的第一个采样点。
[0074]
当暂态检测窗口内的电流均值m
d
＞均值计算窗口内的电流均值m
m
与噪声参数β之和时，值开始从0开始累加。当时，说明此时存在投入事件发生的可能性，但是累积和尚未达到确定投入事件发生的程度。此时，引入时间延迟因子d，设置其初始值为0，当时，令d＝d 1，同时判断方差计算窗口内的方差值v与方差阈值δ
min
的大小。当方差值v≤方差阈值δ
min
时，m
d
‑
(m
m
β)将乘上(1 δd)的系数，从而计算直至时确定投入事件发生，而发生时刻可以根据t＝k
‑
d逆变换得出。为避免序列震荡导致的投入事件或者切出事件的误检测，引入时间延迟因子d后，时间延迟因子每增加1，都要对和进行比较，如果则认为此时引起电流变化的是一个波动并非事件发生，并令从而避免由数据波动导致的多识别事件。
[0075]
可以理解，如图2所示，在电流波动小的小电流电器的投入事件发生后，本发明的滑动窗滑过一个投入事件的发生时刻时可以分为五个阶段。
[0076]
(1)阶段一：方差计算窗口w
v
尚未滑动到投入事件发生时刻，此时三个窗口的电流均值均保持不变，此时，m
d
‑
m
m
＝0，则
[0077]
(2)阶段二：事件发生时刻位于方差计算窗口w
v
内，方差计算窗口内的m
v
和v不断变化，而均值计算窗口和暂态检测窗口的m
m
和m
d
保持不变，此时m
d
‑
m
m
＝0，
[0078]
(3)阶段三：事件发生时刻位于暂态检测窗口w
d
内，t1时刻为投入事件发生时刻，令i1＝i0 δi，其中，i1为电器投入后的电流值，i0为电器投入前的电流值，δi为电器投入前后的电流差值，并设t
d
＝t
‑
t1，在该阶段内，1≤t
d
≤n，n为暂态检测窗口w
d
的窗口长度。则每个时刻对应的m
d
和m
m
为：
[0079][0080]
m
m
＝i0[0081][0082][0083]
此时存在三种情况：
[0084]
1)、情况一：方差计算窗口w
v
已经进入稳态，暂态检测窗口的m
d
不断变化，均值计算窗口和方差计算窗口的m
m
、m
v
、v保持不变。若则当t
d
＝n时，
[0085]
2)、情况二：方差计算窗口仍有部分位于暂态过程，方差计算窗的m
v
和v不断变化，直至方差计算窗口全部进入稳态，若则
[0086][0087]
此时，大于情况一。当t
d
＝n时，
[0088][0089]
3)、情况三：当t
d
＞n0(1＜n0＜n)后才满足此时介于情况一和情况二之间。
[0090]
(4)阶段四：即当1≤t
d
‑
n≤m
‑
1时，每个时刻对应的m
d
和m
m
为：
[0091][0092]
在该阶段内t
d
对应的时刻均有：
[0093][0094]
所以在该阶段内的累计和如下式所示：
[0095][0096]
同样地，也存在三种情况：
[0097]
1)、情况1：若则
[0098][0099]
当t
d
＝m n
‑
1时，计算出此时的累计和为
[0100]
2)、情况2：若则
[0101][0102]
当t
d
＝m n
‑
1时，
[0103]
3)、情况3：若t
d
＞n0后才满足则此时介于情况1和情况2之间。
[0104]
(5)阶段五：三个窗口均处于稳态阶段，此时累积和不再变化。
[0105]
综上所述，分别采用本发明的事件检测算法和现有的cusum算法，的变化曲线如图3所示。
[0106]
可以理解，基于暂态特征的负荷识别算法，不仅要确定负荷启动时刻，还要确定负荷何时进入稳态，因为大部分负荷如微波炉、电磁炉等，并非启动后立刻进入稳定工作状态。而现有的cusum算法无法准确识别出进入稳态的时刻。作为优选的，所述事件检测方法在确定投入事件或切出事件发生后还包括以下内容：
[0107]
继续滑动窗口并计算累积和，直至累积和不再增加，且此时方差计算窗口内的方差值小于方差阈值，则判定电流有效值时间序列进入稳态。
[0108]
窗口在检测出有事件发生后，累积和还会继续增加，直至t＝t
s1
时刻，累计和不再增加，且方差计算窗的方差v小于方差阈值δ
min
。即当事件发生后，若在t
s1
至t
s1
m n v时刻保持累积和不发生变化且电流波动较小时，即电流达到稳定，则认为t
s1
时刻为进入稳态的时刻。
[0109]
方差计算窗口的方差值v表示电流时间序列的波动水平，因此本发明的算法可精准确定进入稳态的时刻。以检测投入事件为例，当累积和时，说明此时有进入稳态的可能，但是方差计算窗口内的电流尚未稳定，令k＝k 1，计算和v
k
，直至且v
k
≤δ
min
时，认为进入稳态的时刻t
s
为k。
[0110]
为了验证本发明的事件检测算法与现有的cusum算法的区别，如下表一所示，本技术发明人进行了大量的实例分析。
[0111]
表一、本发明的事件检测算法与现有的cusum算法的试验结果比对
[0112][0113]
由上表可知，本发明的事件检测算法与现有的滑动窗双边cusum事件检测算法对于投入事件/切出事件的发生时刻的检测结果相同，但现有的滑动窗双边cusum事件检测算法无法正确检测出投入事件/切出事件发生后进入稳态的时刻，易误将暂态过程认定为稳态，而本发明的事件检测算法则可以正确检测到投入事件/切出事件进入稳态的时刻。而正确检测稳态时刻是正确提取稳态和暂态特征的基础，也是所提取特征有效性的保证，间接提高了识别算法的训练效果。
[0114]
另外，如图4所示，本发明的另一实施例还提供一种小电流电器的事件检测系统，采用如上所述的事件检测方法，所述系统包括
[0115]
数据采集单元，用于获取电流有效值时间序列；
[0116]
滑动窗口设置单元，用于在电流有效值时间序列上定义三个连续的滑动窗口，沿滑动方向排列依次为均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口；
[0117]
累积和定义单元，用于定义投入事件累积和和切出事件累积和的计算公式；
[0118]
初始化单元，用于设置投入事件累积和的初始值和切出事件累积和的初始值均为0，并预设方差阈值δ
min
、确定投入事件发生的累积和阈值h1、确定切出事件发生的累积和阈值h2；
[0119]
计算单元，用于在窗口滑动过程中计算均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口内的电流有效值均值，并计算方差计算窗口内的电流有效值的方差值v；
[0120]
分析单元，用于基于每次窗口滑动的计算结果对投入事件累积和和切出事件累积和进行分析，从而判断出是否存在负荷投入事件和/或负荷切出事件。
[0121]
可以理解，本实施例的小电流电器的事件检测系统，通过在电流有效值时间序列上依次定义均值计算窗口、暂态检测窗口和方差计算窗口，相比于现有的cusum算法不仅增加了方差计算窗口来判断序列的波动情水平，而且将方差计算窗口内的方差值与预设的方差阈值进行比对，当计算的方差值小于方差阈值时，对累积和的计算加上了系数(1 δd)，针
对小电流电器，虽然其电流有效值和波动值较小，但是通过系数(1 δd)可以显著提高小电流电器的投入事件累积和或者显著降低小电流电器的切出事件累积和，有利于准确识别出小电流电器的投入/切出事件，有效降低了小电流电器事件被漏检的概率。
[0122]
另外，所述事件检测系统还包括稳态时刻识别单元，用于在所述分析单元确定投入事件或切出事件发生后，继续滑动窗口并计算累积和，直至累积和不再增加，且此时方差计算窗口内的方差值小于方差阈值，则判定电流有效值时间序列进入稳态。
[0123]
另外，所述事件检测系统还包括方差阈值设置单元，用于利用稳态时间窗口对小电流电器的稳态运行数据进行分析，计算得到小电流电器稳态运行时电流有效值的方差，则所述方差阈值应大于小电流电器稳态运行时的方差值。
[0124]
可以理解，本实施例的系统中的各个模块与上述方法实施例的各个步骤的内容相对应，故各个模块的工作原理在此不再赘述，参考上述方法实施例即可。
[0125]
另外，本发明的另一实施例还提供一种设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行如上所述的方法的步骤。
[0126]
另外，本发明的另一实施例还提供一种计算机可读取的存储介质，用于存储对小电流电器进行事件检测的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时执行如上所述的方法的步骤。
[0127]
一般计算机可读取介质的形式包括：软盘(floppy disk)、可挠性盘片(flexible disk)、硬盘、磁带、任何其与的磁性介质、cd
‑
rom、任何其余的光学介质、打孔卡片(punch cards)、纸带(paper tape)、任何其余的带有洞的图案的物理介质、随机存取存储器(ram)、可编程只读存储器(prom)、可抹除可编程只读存储器(eprom)、快闪可抹除可编程只读存储器(flash
‑
eprom)、其余任何存储器芯片或卡匣、或任何其余可让计算机读取的介质。指令可进一步被一传输介质所传送或接收。传输介质这一术语可包含任何有形或无形的介质，其可用来存储、编码或承载用来给机器执行的指令，并且包含数字或模拟通信信号或其与促进上述指令的通信的无形介质。传输介质包含同轴电缆、铜线以及光纤，其包含了用来传输一计算机数据信号的总线的导线。
[0128]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。