[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于有限狀態(tài)機(jī)的非侵入式住宅用電負(fù)荷分解方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611261491.0
• 申請(qǐng)日: 2016-12-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106651658B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張榴晨;姜波;茆美琴;張濤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/10
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/10
• 代理公司: 安徽省合肥新安專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 何梅生

1.一種基于有限狀態(tài)機(jī)的非侵入式住宅用電負(fù)荷分解方法，其特征是：

利用智能電表采集住宅中用電負(fù)荷1、用電負(fù)荷2、……、和用電負(fù)荷N，記為用電負(fù)荷l，l＝1,2,…,N，共N個(gè)用電負(fù)荷在t時(shí)刻的有功總功率為P_總(t)，分別建立所述N個(gè)用電負(fù)荷的有限狀態(tài)機(jī)模型，根據(jù)所述有功總功率P_總(t)和所述N個(gè)用電負(fù)荷的有限狀態(tài)機(jī)模型，利用優(yōu)化算法分解得到所述用電負(fù)荷l在t時(shí)刻處于狀態(tài)χ的有功功率P_lχ(t)，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算分別獲得時(shí)長(zhǎng)T內(nèi)所述用電負(fù)荷1、用電負(fù)荷2、……、和用電負(fù)荷N的消耗能量；

所述用電負(fù)荷l的有限狀態(tài)機(jī)模型是按如下步驟建立：

步驟1：通過(guò)采樣分別獲得用電負(fù)荷l在t_i時(shí)刻的消耗功率P_i，以及用電負(fù)荷l在t_i+1時(shí)刻的消耗功率P_i+1，則，用電負(fù)荷l的消耗功率變化值ΔP_i為：ΔP_i＝P_i+1-P_i，構(gòu)造集合A₁為：

A₁＝{ΔP_i}，i＝1,2,…,n,n∈N₊；

步驟2：設(shè)定閾值M，構(gòu)造集合A₂為：A₂＝{ΔP_i|ΔP_i≥M}，采用聚類(lèi)算法對(duì)所述集合A₂中的元素聚類(lèi)，進(jìn)而得到m個(gè)聚類(lèi)中心：ΔP_c1,ΔP_c2,…,ΔP_ca,…,ΔP_cb,…,ΔP_cm，所述m個(gè)聚類(lèi)中心分別對(duì)應(yīng)于所述用電負(fù)荷l的m種可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，且m個(gè)聚類(lèi)中心ΔP_c1,ΔP_c2,…,ΔP_ca,…,ΔP_cb,…,ΔP_cm所在類(lèi)中包含的數(shù)據(jù)總數(shù)一一對(duì)應(yīng)為y₁，y₂，…,y_a，…,y_b，…,y_m，且：m∈N₊，mn；

步驟3：構(gòu)造集合A₃為：A₃＝{ΔP_c1,ΔP_c2,…,ΔP_ca,…,ΔP_cb,…,ΔP_cm}，求解所述集合A₃的子集，將其中所有至少包含一正一負(fù)兩個(gè)元素的子集構(gòu)成集合A₄為：

A₄＝{U_k|U_k＝{u_kg|u_kg∈A₃,g≥2且g∈N₊},k∈N₊且}，

給定集合E_k：E_k＝{e_kg}，所述集合E_k與所述集合U_k的個(gè)數(shù)相等，且所述集合E_k中的元素e_kg與所述集合U_k中的元素u_kg一一對(duì)應(yīng)，構(gòu)造集合U_k'為：U_k'＝{u_kg'|u_kg'＝u_kg+e_kg}，所述集合U_k'與所述集合U_k個(gè)數(shù)相同，且所述集合U_k'中的元素u_kg'與所述集合U_k中的元素u_kg一一對(duì)應(yīng)；

步驟4：設(shè)定閾值ε，求解所有滿足∑u_kg'＜ε的集合U_k'的并集F：

F＝{f₁,f₂,…,f_p,…,f_q,…,f_x}，

所述并集F即為修正后的所述用電負(fù)荷l的狀態(tài)轉(zhuǎn)換集合；

步驟5：按如下方式計(jì)算所述用電負(fù)荷l狀態(tài)轉(zhuǎn) 換的轉(zhuǎn)移概率矩陣Z：

令：所述用電負(fù)荷l狀態(tài)轉(zhuǎn) 換的轉(zhuǎn)移概率矩陣Z為：Z＝[z_ab]_m×m，按式(1)計(jì)算所述轉(zhuǎn)移概率矩陣Z中的第a行第b列元素z_ab：

式(1)中，w_ab為所述集合A₂中依次屬于所述聚類(lèi)中心ΔP_ca和所述聚類(lèi)中心ΔP_cb所在類(lèi)的兩個(gè)相鄰元素所構(gòu)成的組合的個(gè)數(shù)；

步驟6：根據(jù)所述轉(zhuǎn)移概率矩陣Z，按如下方式獲得所述用電負(fù)荷l狀態(tài)轉(zhuǎn)換的可行循環(huán)集合C₁與鄰接矩陣L：

利用所述并集F和所述轉(zhuǎn)移概率矩陣Z獲得有向圖V為：V＝(F，Z)，通過(guò)Tarjan強(qiáng)連通算法以及環(huán)路零和約束從所述有向圖V中提取可行循環(huán)集合C₁為：

C₁＝{C_1h|C_1h＝{c₁,c₂,…,c_s},s∈N₊,h∈N₊，c_s∈F}，

并對(duì)所述轉(zhuǎn)移概率矩陣Z進(jìn)行修正，進(jìn)而得到修正矩陣Z'為：Z'＝[z_pq']_m×m；

令：所述鄰接矩陣L為：L＝[λ_pq]_m×m，所述修正矩陣Z'中的元素z_pq'與所述鄰接矩陣L中的元素λ_pq一一對(duì)應(yīng)，且對(duì)于z_pq'0，取λ_pq＝1，對(duì)于z_pq'＝0，取λ_pq＝0；

步驟7：根據(jù)所述鄰接矩陣L和所述并集F，按如下方式確定所述用電負(fù)荷l的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：

將所述集合F中的元素f₁,f₂,…,f_p,…,f_q,…,f_x一一對(duì)應(yīng)為所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S₁、狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S₂…狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S_p…狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S_q…狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S_x；

若所述鄰接矩陣L中的第p行第q列元素λ_pq為0，則在所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中不存在由所述狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S_p到所述狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S_q的有向連接通路；

若所述鄰接矩陣L中的第p行第q列元素λ_pq為1，則在所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中存在由所述狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S_p到所述狀態(tài)節(jié)點(diǎn)S_q的有向連接通路；

步驟8：根據(jù)所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖以及所述可行循環(huán)集合C₁，按如下方式獲得所述用電負(fù)荷l的有限狀態(tài)機(jī)模型：

根據(jù)所述集合C_1h＝{c₁,c₂,…,c_s}，按式(2)計(jì)算所述用電負(fù)荷l可能的狀態(tài)集合D_1h：

所述狀態(tài)集合D_1h的并集即為所述用電負(fù)荷l的最終狀態(tài)集合R₁：所述最終狀態(tài)集合R₁中的元素按從小到大有序排列；

根據(jù)所述狀態(tài)集合D_1h與所述最終狀態(tài)集合R₁，按如下方式計(jì)算獲得狀態(tài)標(biāo)記集合J為：

J＝{J_1h|J_1h＝{j₁，j₂，…，j_r,j_r+1…,j_s}，j_s≤w₁}；

其中，集合J_1h與所述狀態(tài)集合D_1h一一對(duì)應(yīng)，且所述集合J_1h中的元素為所述狀態(tài)集合D_1h中的元素在所述最終狀態(tài)集合R₁中的排列序號(hào)；

根據(jù)所述狀態(tài)標(biāo)記集合J，按如下方式獲得負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣G：

令所述負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣G為：當(dāng)u＝j(luò)_r，且v＝j(luò)_r+1或者u＝j(luò)_s，且v＝j(luò)₁時(shí)，g_uv＝1；否則，g_uv＝0；

利用所述最終狀態(tài)集合R₁、負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣G以及并集F獲得所述用電負(fù)荷l的有限狀態(tài)機(jī)模型M為：M＝(R₁，F(xiàn)，G)；

根據(jù)所述N個(gè)用電負(fù)荷在t時(shí)刻的有功總功率P_總(t)與所述N個(gè)用電負(fù)荷的有限狀態(tài)機(jī)模型，按如下方式分解得到所述用電負(fù)荷l在t時(shí)刻處于狀態(tài)χ的有功功率P_lχ(t)：

根據(jù)所述用電負(fù)荷1、用電負(fù)荷2、……、和用電負(fù)荷N的有限狀態(tài)機(jī)模型一一對(duì)應(yīng)獲得用電負(fù)荷1、用電負(fù)荷2、……、和用電負(fù)荷N的最終狀態(tài)集合分別為：

最終狀態(tài)集合R₁為：

最終狀態(tài)集合R₂為：

……

最終狀態(tài)集合R_N為：

按式(3)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)Y：

式(3)中，H(l)表示用電負(fù)荷l的狀態(tài)總數(shù)，的值為0或1；

若用電負(fù)荷l在t時(shí)刻處于狀態(tài)χ，則

若用電負(fù)荷l在t時(shí)刻不處于狀態(tài)χ，則

利用優(yōu)化算法求解獲得使所述目標(biāo)函數(shù)Y取值為最小的一組的值，根據(jù)所得到的一組的值獲得所述用電負(fù)荷l在t時(shí)刻處于狀態(tài)χ的有功功率進(jìn)而得到所述用電負(fù)荷l在時(shí)長(zhǎng)T內(nèi)的消耗能量E為：