一种基于用电信息主动感知的节能与安全技术的制作方法

1.本发明涉及电气工程及其自动化技术领域，具体涉及一种基于用 电信息主动感知的节能与安全技术。


背景技术：

2.现有关于用户侧用电信息感知进行应用的技术主要集中在用电安 全与用电节能两个方面，一般采用智能终端的量测信息分析结合远程 控制手段对电器进行开断或调节进行。
3.在节能层面，典型技术有：
①
建筑用电节能技术，如相关技术以 用户舒适度作为约束，通过模糊控制理论优化建筑内的能量消耗，相 关技术以建筑内空调系统为对象采用综合用户舒适度和节能效果的优 化策略。
②
基于用电管理系统从细粒度的电器控制实现节能，如相关 技术通过建立基于用户满意度的电器用电效用分级并结合关断控制、 参数控制等手段，实现无意义耗能的避免以及用户侧能效的最大化， 相关技术建立需求侧管理平台，通过主动发现异常耗能设备并结合电 能质量监测实现工业生产中的节能应用，相关技术广泛采集室内用能 的多项参数，包括电量采集、人体感应、温湿度等，并结合具体设备 运行情况讨论了对应的节能参数。以上技术均探讨了通过电器级的控 制实现节能的重要意义，但在感知层的信息缺乏不仅使其失去了先决 条件的支撑，也限制了相关节能手段基于更丰富的信息可具备的决策 能力。
4.在用电安全层面，相关技术基于精细化电器级负荷的感知与快速 响应控制实现电力系统故障下频率控制，从而使智能用电网络能够应 用于增强电力系统稳定性上；相关技术通过智能插座量测电器运行参 量，并通过互相关系数对电器状态进行监测，以期对电器的故障进行 及时诊断。但尚缺乏通用且实时准确的电器故障诊断方式。
5.因此，亟需设计一种基于用电信息主动感知的节能与安全技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于用电信息主动感知的节能与安全 技术，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于用电信息 主动感知的节能与安全技术，包括感知层、传输层、平台层与应用层， 所述应用层与平台层交互，所述平台层与传输层交互，所述传输层与 感知层交互，所述感知层设置有直接作用于用电设备的智能终端，所 述传输层设置有以网关或协调器聚合底层的终端设备。
8.一种基于用电信息主动感知的节能与安全技术，包括以下步骤：
9.s1：结合用电期望效用的节能控制；
10.s2：基于感知信息的安全的控制。
11.进一步的，上述基于用电信息主动感知的节能与安全技术中，所 述s1的具体步骤为：
12.a、基于概率的用电期望效用
13.用电效用定义为电器运行产生的作用对用户满意度的影响，考虑 有用户时不干预电器运行，以保证通用概念下的高效用；无用户时则 从用户到来的概率层面出发，以预期效用衡量保持电器当前运行状态 带来的效益；以此方式建立的节能策略由于完全不干预用户主导的用 电行为，因此可适用于所有用户，具备通用性；
14.用户离开或不存在用户时，用户的行为是未知的，考虑最为保守 的估计：用户可能会在任意时刻到来，离开的用户可能在任意时刻返 回；在此假设下，由无人状态到下一用户到来的持续时间的概率密度 应服从指数分布：
15.p(t＞t)＝e-λt
ꢀꢀ
(1)
16.以假设检验的角度对上式进行分析，考虑假设h0：用户仍可能在 未来到来；若当前智能用电网络已检测到无用户持续t时间，这一假设 的p值是p-value＝e-λt
；p值的物理意义在于考虑h0正确的情况下，出现 当前无人持续时间的概率；因此，可基于此概率给出用电期望效用的 定义：
17.e(t)＝e-λt
·
θ
ꢀꢀ
(2)
18.式中e(t)表示随无人状态持续时间变化的用电期望效用，θ表示 效用系数；
19.b、基于用电期望效用的电器调控方式
20.从电器层面出发，不同的运行状态同样有对应的用户满意度 u(state)，如对于空调这类状态连续可调的电器，可用温度效用函数等 建立电器状态和用户满意度之间的对应关系；
21.电器提供的用户满意度可定义为电器状态效用ξ(state)，将电器状 态效用与用电期望效用结合起来，则可对用电行为的低效用或负效用 进行定义：
[0022][0023]
上式表明，用户离开后随着用电期望效用e(t)的变小，可对电器 的运行状态进行调整，在保证电器运行不低于期望效用的同时尽量以 低耗能的状态运行；而当用电期望已非常小，电器运行与否对于用户 而言不再影响满意度，即可关闭电器，从而避免无效的耗能；
[0024]
以上负效用的控制策略也可基于假设检验的理论进行解释：若当 前无人状态已持续t时间，用户未来可能会到来这一假设h0的 p-value＝e(t)/θ，p值小于一定显著性水平α时，可拒绝此假设，即认为 用户不会再返回或已不会有用户到来，可对电器进行关断操作。
[0025]
进一步的，上述基于用电信息主动感知的节能与安全技术中，所 述s2的具体步骤为：
[0026]
通过对用电设备信息和用户存在信息的感知，可实现两类安全控 制：对无人照看的电器的及时切断；对异常状态电器的诊断并告警；
[0027]
对于无人照看的电器，用户离开后返回或其他用户到来的概率可 采用指数分布模型进行拟合，若认为存在用户则电器运行是安全状态， 用户不存在则认为电器运行为安全隐患状态，则基于用户返回的概率， 可定义电器的用电安全系数：
[0028]
s(t)＝e-λt
ꢀꢀ
(4)
[0029]
式中，s(t)表示在t时刻的安全系数，可见人员离开越久，返回的 概率越低，安全系数相应越小，可基于最小安全系数τ进行控制量的决 策：当s(t)＞τ时，认为电器继续运行安全隐患较大，应进行关断处理；
[0030]
对于工作异常的电器，即使进行异常状态的诊断并告警，可对电 器的功率数据建立隐马尔可夫模型，动态实时地对其功率数据的状态 变化进行监测，当电器接入后，可通过hmm模型在每次状态检测事件时， 基于此电器模型下出现当前匹配状态的概率进行异常的判断：
[0031][0032]
式中，δp即当前状态检测前后，序列观测概率的变化值，p
(t)
为第 t个状态检测的序列观测概率，可见此概率量是综合考虑状态输出观测 概率和状态转移概率的统计量，因此既能对电器状态自身是否出现异 常进行检测，也能判断电器工作环节的切换是否存在异常。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0034]
1、本发明对于节能应用，结合相关文献的用电效用定义，以无人 场景下的节能为目标，提出从用户返回概率角度定义的用电期望效用， 将其与电器状态效用进行对比，则可得出电器进行控制的策略。
[0035]
2、本发明对于安全控制策略，提出对无人照看的电器和出现异常 的电器进行安全实时分析；对无人照看的电器，当用户离开较长一段 时间，判断其返回概率较低，即可对电器进行关断处理；对出现异常 的电器，对电器运行状态的自身异常和转移异常进行诊断；实证表明 所提安全控制方法能够有效促进用电安全性。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描 述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图 仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明控制的硬件架构示意图；
[0038]
图2为本发明照明设备优化控制效果对比示意图；
[0039]
图3为本发明饮水机优化控制效果对比示意图；
[0040]
图4为本发明空调优化控制效果对比示意图；
[0041]
图5为本发明电烙铁安全控制效果示意图；
[0042]
图6为本发明饮水机安全控制效果示意图；
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例， 都属于本发明保护的范围。
[0044]
本发明提供一种技术方案：一种基于用电信息主动感知的节能与 安全技术，包括感知层、传输层、平台层与应用层，应用层与平台层 交互，平台层与传输层交互，传输层与感知层交互，感知层设置有直 接作用于用电设备的智能终端，传输层设置有以网关或协调器聚合底 层的终端设备。
[0045]
一种基于用电信息主动感知的节能与安全技术，包括以下步骤：
[0046]
s1：结合用电期望效用的节能控制；
[0047]
a、基于概率的用电期望效用
[0048]
用电效用定义为电器运行产生的作用对用户满意度的影响，考虑 有用户时不干预电器运行，以保证通用概念下的高效用；无用户时则 从用户到来的概率层面出发，以预期效用衡量保持电器当前运行状态 带来的效益；以此方式建立的节能策略由于完全不干预用户主导的用 电行为，因此可适用于所有用户，具备通用性；
[0049]
用户离开或不存在用户时，用户的行为是未知的，考虑最为保守 的估计：用户可能会在任意时刻到来，离开的用户可能在任意时刻返 回；在此假设下，由无人状态到下一用户到来的持续时间的概率密度 应服从指数分布：
[0050]
p(t＞t)＝e-λt
ꢀꢀ
(1)
[0051]
以假设检验的角度对上式进行分析，考虑假设h0：用户仍可能在 未来到来；若当前智能用电网络已检测到无用户持续t时间，这一假设 的p值是p-value＝e-λt
；p值的物理意义在于考虑h0正确的情况下，出现 当前无人持续时间的概率；因此，可基于此概率给出用电期望效用的 定义：
[0052]
e(t)＝e-λt
·
θ
ꢀꢀ
(2)
[0053]
式中e(t)表示随无人状态持续时间变化的用电期望效用，θ表示 效用系数；
[0054]
b、基于用电期望效用的电器调控方式
[0055]
从电器层面出发，不同的运行状态同样有对应的用户满意度 u(state)，如对于空调这类状态连续可调的电器，可用温度效用函数等 建立电器状态和用户满意度之间的对应关系；
[0056]
电器提供的用户满意度可定义为电器状态效用ξ(state)，将电器状 态效用与用电期望效用结合起来，则可对用电行为的低效用或负效用 进行定义：
[0057][0058]
上式表明，用户离开后随着用电期望效用e(t)的变小，可对电器 的运行状态进行调整，在保证电器运行不低于期望效用的同时尽量以 低耗能的状态运行；而当用电期望已非常小，电器运行与否对于用户 而言不再影响满意度，即可关闭电器，从而避免无效的耗能；
[0059]
以上负效用的控制策略也可基于假设检验的理论进行解释：若当 前无人状态已持续t时间，用户未来可能会到来这一假设h0的 p-value＝e(t)/θ，p值小于一定显著性水平α时，可拒绝此假设，即认为 用户不会再返回或已不会有用户到来，可对电器进行关断操
作。
[0060]
s2：基于感知信息的安全的控制；
[0061]
通过对用电设备信息和用户存在信息的感知，可实现两类安全控 制：对无人照看的电器的及时切断；对异常状态电器的诊断并告警；
[0062]
对于无人照看的电器，用户离开后返回或其他用户到来的概率可 采用指数分布模型进行拟合，若认为存在用户则电器运行是安全状态， 用户不存在则认为电器运行为安全隐患状态，则基于用户返回的概率， 可定义电器的用电安全系数：
[0063]
s(t)＝e-λt
ꢀꢀ
(4)
[0064]
式中，s(t)表示在t时刻的安全系数，可见人员离开越久，返回的 概率越低，安全系数相应越小，可基于最小安全系数τ进行控制量的决 策：当s(t)＞τ时，认为电器继续运行安全隐患较大，应进行关断处理；
[0065]
对于工作异常的电器，即使进行异常状态的诊断并告警，可对电 器的功率数据建立隐马尔可夫模型，动态实时地对其功率数据的状态 变化进行监测，当电器接入后，可通过hmm模型在每次状态检测事件时， 基于此电器模型下出现当前匹配状态的概率进行异常的判断：
[0066][0067]
式中，δp即当前状态检测前后，序列观测概率的变化值，p
(t)
为第 t个状态检测的序列观测概率，可见此概率量是综合考虑状态输出观测 概率和状态转移概率的统计量，因此既能对电器状态自身是否出现异 常进行检测，也能判断电器工作环节的切换是否存在异常。
[0068]
具体实施：
[0069]
1.结合感知信息及具体电器实行节能方案
[0070]
办公场景的用电主要可分为照明用电、空调用电、生活用电及办 公用电四类。其中前三类用电行为具备较大可调潜力，而办公用电则 难以直接进行控制。以照明设备、空调及代表生活用电设备的饮水机 这三类电器为例，结合电器状态效用与用电期望效用，分别进行控制 策略的分析及建立。
[0071]
1)照明类电器
[0072]
照明类电器一般仅具有关闭和开启两种运行模式，其对应的电器 状态效用为：
[0073][0074]
当用户离开后，随无人持续时间的变化，用电期望效用为 e(t)＝e-λt
，用户刚离开时，不同状态的电器状态效用与用电期望效用的 关系可总结为：
[0075][0076]
上式表明，用户离开后开启的照明类设备即运行在低效用模式下， 而基于用户仍可能返回这一假设，尚不能直接对照明进行关断。当用 户离开较长时间，其返回概率已很
小，此时继续保持照明设备开启已 意义不大，此时才可对其进行关断。
[0077]
选取某公司会议室的单日运行数据进行分析，该会议室装设由一 个单火开关控制的八组筒灯，功率数据和人员状态信息如图2所示。可 见会议室在下午长期处在无人状态下，而没有相关人员关闭未在使用 的电灯。经基于用电信息感知的用能优化后，无人时及时关闭了照明 设备，从而减少了无效的耗能行为。
[0078]
2)饮水机
[0079]
在办公场景下，饮水机存在大量非工作时段加热的用电行为，造 成了巨大的能耗。因此对饮水机的控制策略可概括为：以清晨时段的 固定时间点按指数分布判断用户将要到来的概率，并在用户到来前开 启电器，进行加热；以晚上的固定时间点以指数分布判断所有员工已 离开办公区域，关闭饮水机。
[0080]
首先考虑其开启操作的控制策略。根据相关文献的叙述，饮水机 的典型工作特性为间歇性地加热，可基于饮水机自身加热周期特性对 其此问题进行分析。若饮水机加热时长为δt
heat
，加热间隔时间为 δt
interval
。若在时刻t进行加热，则用户在[t δt
heat
,t δt
heat
δt
interval
]时间内到 来并使用饮水机均能达到最大满意度。若t时间内至少有一名用户到来 的概率因此定义其用电期望效用为：
[0081][0082]
λ1用于控制清晨时段中，上工时间点后多久可能用户到来。
[0083]
而对于放工时段，同样可采用指数分布判断是否所有员工已大概 率离开：
[0084][0085]
式中，λ2用于控制放工时段，用户离开后是否可能返回的时间分 布。
[0086]
饮水机的状态同样仅有开启或关闭，因此其状态效用定义为：
[0087][0088]
实际场景中，在当前时段考虑饮水机的控制策略基于状态效用和 期望效用的对比：
[0089][0090]
在清晨返工时段，饮水机为关闭状态，考虑到未来用户可能到来 期望概率已较大，开启饮水机以使在放工时段，最后一 名用户离开后考察其可能返回的概率，若期望效用过小，则关闭电器。
[0091]
选取某公司某办公室的饮水机历史数据进行用能优化决策控制。 在设定的返工时段，用电期望效用先减小，后增大，当其增大到一定 阈值时，维持关闭将导致用电期望效用的损失，因此开启饮水机。在 放工时段，随着用户返回概率的下降用电期望效用逐步降低，可在其 过低时关闭电器，避免电器无效工作。以上所述控制约束量和优化前 后的用能曲线如图3所示。从图3中可见，饮水机由于自身工作特性， 在无人时间段的反复烧水现象
非常严重，造成了大量的无效能耗。而 经过用能优化决策控制后则能显著改善其能耗量，节能潜力较大。
[0092]
3)空调
[0093]
空调是状态连续可调的用户侧设备，其工作特征和评价指标往往 较为复杂，本节基于相关文献中提出的温度满意度函数，对空调的控 制策略进行分析。
[0094]
根据空调温度和用户满意度的关系，考虑空调的温度状态时，可 基于满意度定义空调的状态效用函数：在定义舒适性温度范围[t
l
,th]后， 基于当前实际温度t
t
状态效用函数可定义如下：
[0095][0096]
δ为温度效用下降参数，舒适温度的范围可参考国标文件gb50019 定义为[16,24]℃或由用户主动设置。
[0097]
根据一阶etp(energy technology modelling)模型，可给出空调 启动或停机时的室内温度变化规律：
[0098][0099]
其中to为室外温度，q为电采暖设备的等值热比率，制冷时为负， 制热时为正，r为房屋等效热阻，ε＝e-δt/(rc)
，c为等效热容，δt为计算 步长，g(g)为判断表达式，在制冷情况下，若t(t δt)≤tset(t)则为0， 否则为1，制热情况下t(t δt)≥tset(t)则为0，否则为1。
[0100]
若认为设定空调工作温度后室温将以状态效用达到设定温度并保 持，可在t时刻由空调状态估计下一时刻的用户满意度，当存在用户， 设定满意度最低限制θ，当用户离开，则基于其返回的概率设定最低限 制，使期望满意度大于θ，因此可定义如下：
[0101][0102]
当用户离开房间后，用电期望效用为：
[0103]
e(t)＝e-λt
·
θ
[0104]
故空调的控制策略可总结如下：
[0105][0106]
上式表明，用户离开后用电期望效用随用户返回概率的下降不断 减小，此时根据温度满意度函数得出的状态期望效用若大于用电期望 效用，则可对温度进行调节，使空调运行在耗能较小的状态；当用户 离开过久，则认为可能已不再返回，维持空调开启这一用电行为不具 有任何效用，可关闭电器。
[0107]
对于空调，选取某办公室冬季单日运行历史数据进行用能优化决 策。当日空调能耗如图4(2)，可见用户分别在五点和八点半使用该办 公室并开启空调，且设定温度为22℃。用户在十点左右离开房间并未 关空调，空调处在无效使用的状态。为保证最大程度的用户满意度， 设置温度范围为用户设定温度
±
3℃，对此空调进行用能优化控制。经 结合用电信息感知的控制优化后，其能耗曲线如图4(3)所示。图4中， 用户于22：00离开房间后，随着返回概率的不断下降，图4(4)所示 的用电期望效用逐渐减小，控制系统根据式(4-9)反解得到当前应设定 的温度，如图4(1)黄色线段所示，最优设定温度不断减小，因此空 调对比房间温度和设定温度后不再进行加热，如图4(3)所示。而随 着后续房间内温度的下降，可见图4(1)中标识室内实际温度的绿色 曲线，温度在23:16后低于了此时的设定温度，因此空调重新开始进 行加热。对比优化前后的功率数据可见，优化控制在整个用户离开过 程大幅节省了空调不必要的工作，显著提升了能效。而后续即使用户 返回，室内设定温度也不至于过低，因此用户舒适度同样得到了保证。
[0108]
2.结合感知信息及具体电器的安全控制方案
[0109]
1)电烙铁
[0110]
电烙铁作为常用的实验室用电设备，长期在无人照看下处在开启 状态存在较大的安全隐患。如前文所述，用户离开后返回或其他用户 到来的概率可采用指数分布模型进行拟合。若认为存在用户则电器运 行是安全状态，用户不存在则认为电器运行为安全隐患状态，则基于 用户返回的概率，定义电烙铁的用电安全系数：
[0111]
s(t)＝e-λt
ꢀꢀ
(6)
[0112]
式中，s(t)表示在t时刻的安全系数。可见人员离开越久，返回的 概率越低，安全系数相应越小。可基于最小安全系数τ进行控制量的决 策：当s(t)＞τ时，认为电器继续运行安全隐患较大，应进行关断处理。
[0113]
选取某日某公司设备间电烙铁的运行情况进行安全控制的分析。 如图5所示，在当天晚上工作人员离开后，电烙铁仍处在开启状态， 直至夜间十点左右设备间总闸关电。电器长时间处在无人照看的运行 状况下，安全风险较大。结合智能用电网络检测到此电器为电烙铁后， 进一步结合其运行时的有无用户状态对其进行安全控制的优化，结果 如图5所示。如图可见，启用安全控制决策后，在18:45左右人员离 开后不久，智能用电网络即检测到电烙铁处在无人照看情况下，因此 对应进行关闭控制，从而有效避免安全隐患。在日间，工作人员在两 点钟离开并未关电器并在后续返回，而决策量判断离开近5min后人员 很可能不再返回，因此也进行了关断操作。
[0114]
2)饮水机
[0115]
对于饮水机，建立其状态模型，在工作时其功率曲线形态为间歇 性地工作，因此可分为加热及待机两个状态。首先，采用历史数据训 练其隐马尔科夫模型，包括其状态转移矩阵、由功率均值及持续时间 构成的二元正态分布刻画的状态观测矩阵以及初始状态矩阵；其次， 在实时检测阶段采用维特比算法对极大似然状态序列进行判断，并输 出当前功率出现的观测概率；再次，在每个检测周期对以上概率计算 差值，作为状态异常指标；最后，比较该状态异常指标与设定阈值的 大小，若小于设定阈值则表明电器工作在异常状态下，进行关断处理。
[0116]
结合电器参数模型对此异常状态进行检测，结果如图6所示。其中 蓝色实线表示
饮水机功率数据，红色虚线表示异常系数，即通过状态 实时监测方法计算得到的单步概率的归一化值。如图可见，饮水机的 工作状态分别为功率接近0的保温状态和500w左右的加热状态。在 11:44分后，饮水机状态出现异常，首先其保温状态的间隔变短，导致 异常检测指标开始大幅下降，但此时尚未达到异常判断阈值。而此后 的下一个加热状态中，状态功率数据的持续时间和形态均发生改变， 导致单步概率值立刻降至异常判断阈值以下，控制关断饮水机工作。 从实际结果可见该异常指标灵敏度高，且能实时地对当前状态进行监 测，预期应用效果较好。
[0117]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具 体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、 材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书 中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而 且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个 实施例或示例中以合适的方式结合。
[0118]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实 施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实 施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说 明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和 实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。 本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。