一种基于组合分类器的用电负载类型判断方法

侯文浩 ，凌云，2*，徐敬成，黄文威

(1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007；2.电传动控制与智能装备湖南省重点实验室，湖南 株洲 412007)

0 引言

随着用电负载的种类以及数量不断增加，人们开始对判断不同的电力负载方法进行了深入的探索和研究，并已经建立了一定的系统方法。目前主要的负载判断方法集中在运用谐波分析[1-2]、傅里叶变换[3]、小波分析[4-6]和人工神经网络[7-8]等方法对电力负载判断进行研究。各种方法均可以在一定程度上用于判断电气负载的类型。然而由于单一的特征和单一的判断方法的原因，造成泛化能力不足，并且在判别负载的准确率也不高，无法准确判断。针对现在存在的技术不足问题，本文提出了一种能够提高负载判别准确率的方法。利用电路的电流最大值、启动时间以及负载电路平稳运行时候的电流频谱特性当作负载类型的判别依据，丰富了特征信息。同时，因为在电气领域内人们对傅里叶积分的熟练运用，使得电流的启动和平稳运行的频谱特性获取方法简单且可靠。具有一定的可操作性与实用价值。

1 启动电流特征参数定义

本文选用启动过程时间、启动电流最大值时间和启动电流最大值这三个参数作为用电负载的启动电流特征，不同的电器设备具有不同的启动电流特征[9-10]。定义用电负载稳态电流有效值为IW，若负载电流进入到用电负载稳态电流有效值的一个设定的相对误差范围之内并稳定在这个相对误差范围之内，那时候可以确定负载进入了一种稳定运行的状态，从0时刻到开始进入稳定状态的这段时间定义为启动过程时间TS，单位是ms。这个相对误差范围可以根据实际情况设定为2%～20%之间的值。启动电流最大值为标么值IM，电流从开始到IM的这段时间定义为启动电流最大值时间TM，单位是ms。定义启动电流最大值 I*为启动电流的最大有效值IM与用电负载稳态电流有效值的比值，即

用电负载启动前，首先需要开启能够判断的装置开始对负载电流进行以工频周期为单位的连续采样然后对负载电流有效值进行计算并保存。当采样得到的负载电流值有效值开始大于0或者是开始大于用电负载的待机电流设定值时，即判断出用电负载已经启动，记录该时刻为T0。值得说明的是，待机电流设定值不能设置过大，否则容易造成判断装置对用电负载是否启动或是否进入稳定状态造成误判，甚至会导致对部分功率特别小的用电负载的漏判断。

用电负载开启完成并且数据采集系统已经完成连续对N个工频周期的采样之后，需要计算连续N个工频周期的负载电流有效值的平均值IV。然后运用N个工频周期负载电流有效值和N个负载电流有效值的平均值进行比较，如果差值的绝对值比之前设置的相对误差范围E小时，说明用电负载进入了一种相对比较稳定的状态。设置该N个工频周期的起始时刻为启动过程的结束时刻，记录该时刻为T1。

用电负载暂停时候的最近的N个工频周期的负载电流的平均有效值当做用电负载在稳态时候电流有效值IW；把用电负载在开始启动的时刻T0到最近N个工频周期的起始时刻为启动过程的结束时刻T1之间的时间作为电路的开启过程时间TS；然后把在T0到T1之间的负载电流最大的有效值的工频周期的时刻记录为T2，再把T0到T2之间的时刻作为电流从开启时刻到电流最大值时刻TM；最后为了求得电路的启动电流的最大值 I*，将T2时刻的有效值电流最大值和用电负载有效值电流的平均值IW相比。所得出来的值就为启动电流的最大值 I*。

由于预先不知道用电负载稳态电流有效值IW，因此，将N个工频周期，即一段持续时间TP之内波动范围小于设定的相对误差范围E时的负载电流有效值的平均值作为用电负载稳态电流有效值IW。由于普通用电负载的启动过程较快，所以，TP的取值一般在1～10 s，典型取值是2 s，相应的工频周期数量N的取值范围为50～500，N的典型取值是100。相对误差范围E的取值范围为2%～20%，E的典型取值是10%。

2 不同用电负载的启动电流特征

白炽灯台灯等发光的工作原理是将灯丝通电之后，电流会对灯丝加热直到灯丝进入白炽状态，并且利用加热到白炽状态的物体会对外辐射发出可见光。白炽灯台灯在电路运行的瞬间电流急剧增大，会使其电流的瞬时值超过其额定电流的9倍，且最大启动电流发生在启动时刻。随着灯丝温度的升高，其电流按照指数规律减小，然后进入稳定状态。在相对误差范围在10%的条件下，白炽灯台灯的电路运行过程中电流波形如图1所示。即当白炽灯的负载电流按照指数规律减小到其IW的10%误差范围时启动过程结束，所用时间为TS。由图可知白炽灯台灯的TM= 0，*I约在9～10之间。

图1 白炽灯台灯的启动过程电流波形Fig.1 Start-up process current waveforms for incandescent lamp

电阻炉等电阻性负载通常采用镍铬、铁铬铝等电热合金丝，其共同特点是电阻温度修正系数小，电阻值稳定。以牌号为Cr20Ni80的镍铬电热丝为例，其在1000 ℃时的电阻修正系数为1.014，即1000 ℃时相对于20 ℃时，牌号为Cr20Ni80的镍铬电热丝电阻只增加1.4%。因此，电阻炉等电阻性负载在通电启动时即进入稳定状态。以电阻炉为例的电阻性负载的电路启动时电路运行过程中电流波形如图2所示。由图2可知，电阻性负载的I*= 1，TM= 0，TS= 0。

图2 电阻炉等电阻性负载的启动过程电流波形Fig.2 Start-up process current waveforms for resistance furnaces and other resistive loads

单相电机类负载既具有电感性负载特性，又具有反电动势负载特性。启动时刻，由于电感的作用，启动时刻的启动电流为0；随后电流迅速上升，在电机反电动势未建立之前，达到电流峰值IM；此后，电机转速增加，电机负载电流逐步减小，直到进入稳定状态。单相电机类负载的电路启动时电路运行过程中电流波形如图3所示。

图3 单相电机类负载的启动过程电流波形Fig.3 Start-up process current waveforms for single-phase motor type load

以计算机为例的开关电源类负载因为电容会对电路有充放电的影响，在电路启动瞬间会产生非常大的浪涌电流，电路电流峰值甚至可以达到电路稳定运行电流有效值IW的几倍至十几倍以上，时间为1至2个工频周期。以计算机为例的开关电源类负载的电路启动时电路运行过程中电流波形如图4所示。计算机及开关电源类负载的TS约1至2个工频周期，启动电流最大值时间为TM=0。

3 用电负载的判别方法

图4 计算机及开关电源类负载的启动过程电流波形Fig.4 Start-up process current waveforms for computer and switching power supply loads

对于为了提高用电负载类型判断精度，即对于包含多种负载或者复合型负载的电路，需要判断主要用电负载类型，因此需要设置组合分类器。组合分类器由主分类器和辅助分类器构成，这两种分类器都有能够得到负载电流和启动电流的频谱特征的能力，只是内部算法设置有所区别。当主分类器输出的判断结果为唯一的用电负载类型时，就表示分类器对负载类型的区分达到了目的，并将主分类器判断的用电负载类型作为组合分类器的用电负载类型判断结果。然而，如果是主分类器判断的结果多于一种用电负载类型的时候，也就是说主分类器并没有能够完全判断出用电负载类型的种类，接下来就需要辅助分类器将余下的用电负载类型进行进一步判断，辅助分类器将会输出余下的用电负载类型中概率最高的类型。一旦使用了辅助分类器对用电负载类型进行分类就表明主分类器对用电负载类型并没有完全识别。所以最后组合分类器会使用辅助分类器的结果作为用电负载类型判断的最终结果。

用电负载类型判断方法流程如下：

步骤1等待用电负载启动；

步骤2采集用电负载启动电流数据并保存，直至用电负载启动过程结束；

步骤3分析采集的用电负载启动电流数据，获取用电负载的启动电流特征；

步骤4采集用电负载稳态工作时的数据并保存；

步骤5分析采集的用电负载稳态工作时的数据，获取用电负载的负载电流频谱特征；

步骤6将启动电流特征和负载电流频谱特征作为组合分类器的输入特征；组合分类器用于判断电力负载的类型。

步骤7输出用电负载类型判断结果。

用电负载类型判断方法流程如图5所示。

4 组合分类器的具体案例

本文给出一种组合分类器进行用电负载类型判断的具体情况。设置一个组合分类器，其中主分类器为决策树分类器[11-12]，辅助分类器为贝叶斯分类器[13-15]。显然，组合分类器还可以有更加多的组合形式和次序，构建出更为复杂的组合分类器的方式，对此本文不再详细描述。

图5 用电负载类型判断方法流程Fig.5 Power load type identification method flow

就组合分类器和主分类器的输出结果而言。当分类标记为1时，相应的用电负载类型与当前输入特征匹配，可以确认用电负载类型具体为哪一大类。当分类标记为0时，相应的用电负载类型与输入特征不匹配，未能完成用电负载类型的准确判断。例如，若某次的主分类器的判断分类标记为 F1F2F3F4=0100，则认为主分类器成功实现用电负载类型判断，因此，不考虑辅助分类器的判断结果，直接令 B1B2B3B4=0100即组合分类器的判断结果是：被判断的用电负载为电阻炉。若某次的主分类器的判断分类标记为F1F2F3F4=1010则认为主分类器未能实现用电负载类型判断，且主分类器的判断结果为2种或者2种以上用电负载类型；再设此时辅助分类器的判断结果满足则令 B1B2B3B4=0010即组合分类器的判断结果是：被判断的用电负载为吹风机。若某次的主分类器的判断分类标记为 F1F2F3F4=0000，则认为主分类器未能实现用电负载类型的判断，且主分类器的判断结果中未能给出判断的用电负载类型；再设此时辅助分类器的判断结果满足且且，则令B1B2B3B4=1000，即组合分类器的判断结果是：被判断的用电负载为白炽灯。

用户还可以设置其它二值分类标记判断情形，采用1、-1，或者是0、1，或者是-1、1，以及其他方案来表示相应用电负载判断结果为是、否。组合分类器与主分类器的分类标记方案可以相同，也可以不相同。另外还可以通过增加更多不同的输入特征参数支持组合分类器完成判断，比如为了区别纯电阻负载中功率较大的电阻炉与功率较小的电烙铁，还可以加入用电负载稳态电流有效值IW这个特征参数，即电负载稳态电流有效值IW小的为电烙铁，反之为电阻炉功率大。

5 结论

本文提出一种用电负载类型判断方法，采用启动电流最大值的时间、启动过程时间和启动电流最大值这三个参数作为用电负载的启动电流特征以及用电负载稳定运行之后的电流频谱特征作为判别用电负载类型的条件。并且，为了提高判别用电负载类型的准确度，设置了由主分类器和辅助分类器两种分类器相互结合构成了组合分类器在此基础上还可以设置更多输入特征参数、更多分类器类型以及更为复杂的分类依据，这为集体宿舍、大型集贸市场等一些集中性质的公共场所进行用电负载管理或特殊电器限制提供了一个新思路，具有较好的应用价值。