宿舍用電管理系統(tǒng)的惡性負(fù)載識(shí)別技術(shù)及其算法

潘萬林 蔡君 劉熾輝

（1.河源理工學(xué)校 廣東省河源市 517000 2.廣東技術(shù)師范大學(xué) 廣東省廣州市 510665）

在時(shí)代的不斷進(jìn)步下，智能化設(shè)備普及范圍得以擴(kuò)大，宿舍用電電氣的種類也在明顯增加，傳統(tǒng)用電管理模式已經(jīng)無法滿足宿舍用電需要。能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生宿舍和超市等人口密集區(qū)域?qū)崿F(xiàn)智能化和模塊化管理，這也就對用電安全管理提出的新的要求[1]。

1 宿舍用電管理系統(tǒng)的惡性負(fù)載識(shí)別意義

學(xué)生公寓人員密集和用電管理復(fù)雜等現(xiàn)象明顯，能夠在保障正常用電的基礎(chǔ)上進(jìn)行惡性負(fù)載識(shí)別，對公寓用電管理及用電安全都存在著積極意義。電子技術(shù)的發(fā)展可以促使全電子式智能計(jì)量系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，但這些智能電表不具有惡性負(fù)載識(shí)別的功能。雖然這些智能用電管理系統(tǒng)具有負(fù)載識(shí)別的功能，但其所具有的檢測精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有能夠達(dá)到令人滿意的程度，也就無法滿足工程需要，這就使得對惡性負(fù)載的精確識(shí)別仍然需要進(jìn)一步研究[2]。

2 惡性負(fù)載識(shí)別形式

2.1 總功率限定法

總功率限定法的原理是宿舍的用電量極大使得宿舍用電負(fù)荷超過限定值的時(shí)候，MCU 發(fā)出斷電命令后，就能夠中斷宿舍供電。一般的學(xué)生公寓智能管理系統(tǒng)利用這一方式控制宿舍的用電負(fù)荷，識(shí)別惡性負(fù)載。在學(xué)生公寓用電功率被限制在限定值以下的時(shí)候，MCU 在對公寓的電壓和電流采樣和計(jì)算之后可以得到其功率，最終準(zhǔn)確判定功率是否超出限定值。

2.2 瞬時(shí)功率增加法

瞬時(shí)功率增加法也屬于應(yīng)用比較廣泛的方式，其在實(shí)時(shí)測量電路功率的基礎(chǔ)上識(shí)別惡性負(fù)載，瞬時(shí)功率增加法的基本原理是檢測當(dāng)前電路中的功率之后對功率值及時(shí)存儲(chǔ)記錄處理，在檢測到某一個(gè)時(shí)刻的功率出現(xiàn)大幅度增加的時(shí)候，也就能夠得出電路中啟動(dòng)了大功率負(fù)載。

2.3 波形比較法

在硬件電路的基礎(chǔ)上對負(fù)載啟動(dòng)前和啟動(dòng)后的電壓和電流實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣，然后對負(fù)載啟動(dòng)前后的電流波形相減，最終可以得出電流的差值波形，在差值波形乘上適當(dāng)?shù)谋壤蜃又蟮钠浞逯敌枰扔陔妷翰ㄐ畏逯?，通過計(jì)算差值波形與電壓波形圍成的面積最終實(shí)現(xiàn)負(fù)載識(shí)別的目標(biāo)。如果差值的面積接近于零，則其存在著惡性負(fù)載接入的現(xiàn)象，否則無惡性負(fù)載接入。

波形比較法的軟件電路和硬件電路設(shè)計(jì)的時(shí)候都比較復(fù)雜，負(fù)載啟動(dòng)前后出現(xiàn)的波形測量起點(diǎn)要能夠確保在不同周期的同一個(gè)時(shí)刻同時(shí)進(jìn)行，否則識(shí)別并不可靠。從工程方面出發(fā)，在電路中出現(xiàn)毛刺干擾的時(shí)候，面積差也會(huì)出現(xiàn)較大變化，從而造成識(shí)別結(jié)果錯(cuò)誤。

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法

圖1

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載識(shí)別需要首先能夠?qū)⒉杉玫降碾妷汉碗娏餍盘?hào)實(shí)施A/D 轉(zhuǎn)換，利用傅立葉變換或小波分析等方法進(jìn)行特征數(shù)值提取，將提取的數(shù)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過對輸出結(jié)果的分析可以最終識(shí)別惡性負(fù)載。目前在負(fù)載識(shí)別中使用比較多的為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為：輸入層5 個(gè)神經(jīng)元和隱層11 個(gè)神經(jīng)元及輸出層1 個(gè)神經(jīng)元。這樣設(shè)計(jì)的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)對惡性負(fù)載識(shí)別的時(shí)候，在對網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果和期望輸出作線性回歸能夠得出的相關(guān)系數(shù)為0.994。這種方法可以在對計(jì)算機(jī)負(fù)載的間接識(shí)別的基礎(chǔ)上識(shí)別惡性負(fù)載。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對惡性負(fù)載的識(shí)別精準(zhǔn)程度比較高，但是需要大量的樣本和訓(xùn)練，在建網(wǎng)的時(shí)候沒有可以遵循的規(guī)律，其實(shí)際過程中的通用性需要進(jìn)一步考證[3]。

3 惡性負(fù)載檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

惡性負(fù)載檢測系統(tǒng)由電流檢測模塊和AD 轉(zhuǎn)換模塊及單片機(jī)處理模塊等共同構(gòu)成的，電流檢測模塊主要是在進(jìn)行電流回路中的電流經(jīng)電流互感器采樣之后，使得其轉(zhuǎn)化為電壓，隨后整流濾波。A/D 轉(zhuǎn)換模塊是對之前所具有的電壓信號(hào)采樣處理，將采集到的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，最終經(jīng)過單片機(jī)對采得的信號(hào)處理后加以判斷。由于學(xué)生宿舍的大部分電器都不屬于大功率電器，因此能夠正常的工作，只有在單個(gè)的接入功率超出設(shè)定最大數(shù)值的時(shí)候才可以識(shí)別惡性負(fù)載。而如果檢測為惡性負(fù)載也不會(huì)馬上就斷電，因?yàn)榭赡苁请娋W(wǎng)中的干擾或小功率電器產(chǎn)生的過沖，只有多次檢測之后才可以使得控制繼電器斷開，對回路供電切斷處理，而如果需要手動(dòng)恢復(fù)供電，就需要按下復(fù)位按鈕[4]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

4 惡性負(fù)載識(shí)別算法

本文利用相似度識(shí)別負(fù)載的算法，并在硬件應(yīng)用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。從整體上出發(fā)，每一個(gè)用電器的穩(wěn)定情況及電流和功率因數(shù)等都有各自的特點(diǎn)，如阻性負(fù)載穩(wěn)態(tài)特征穩(wěn)定和空調(diào)工作狀態(tài)多變等。這一方式提取用電器投切后的暫態(tài)特征量和功率因數(shù)等多個(gè)特征參量，選取測量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫模版的最大相似數(shù)值確定用電的負(fù)荷，從而得出相應(yīng)的工作狀態(tài)和用電量，從而避免單一參數(shù)無法識(shí)別同類別相似用電器的缺點(diǎn)，利用以下公式描述電網(wǎng)的功率變化情況：

這一公式中，將QT作為標(biāo)準(zhǔn)功率，而將Qt作為負(fù)荷功率，以下述式子說明等值功率發(fā)電機(jī)慣性系數(shù)：

XLT為等值功率電氣轉(zhuǎn)換系數(shù)，而K 則為等值功率電氣動(dòng)能系數(shù)，ρ 為旋轉(zhuǎn)速度。

設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)屬于電器負(fù)載的識(shí)別基準(zhǔn)，假設(shè)全部的等值機(jī)組能夠滿足額定功率，就可以利用以下公式進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)參數(shù)計(jì)算：

對以上公式進(jìn)行微分處理之后得出：

利用以下式子可以實(shí)現(xiàn)惡性負(fù)載識(shí)別：

dn為電氣管路公稱通徑，dn＞η 為惡性負(fù)載，而dn＜η 則不是惡性負(fù)載。

根據(jù)周期性離散變換的方式得到負(fù)載相關(guān)數(shù)據(jù)，在等值功率動(dòng)態(tài)平衡的情況下，確定電器是否處于惡性負(fù)載的狀態(tài)中，殺跌惡性負(fù)載識(shí)別得以實(shí)現(xiàn)。

5 惡性負(fù)載識(shí)別程序

惡性負(fù)載識(shí)別系統(tǒng)可以利用 RN8302 內(nèi)部波形存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)FFT 處理，其緩存區(qū)包含著768 個(gè)地址單元，編址顯示為200H-4FFH，每一個(gè)地址的單元字長為3 字節(jié)，其中可以存放一個(gè)ADC 數(shù)據(jù)，最大可以存儲(chǔ)6 路ADC128 個(gè)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)在緩存控制寄存器中為單字節(jié)寄存器，這一寄存器控制各通道ADC 數(shù)據(jù)是否可以進(jìn)行緩存，也決定緩存區(qū)的排列順序及波形采樣率。在向這一寄存器寫入0X22H 的時(shí)候，將RN8302 設(shè)置為固定采樣模式，其采樣速率主要是6.4KHz。系統(tǒng)根據(jù)BUFCFG[3:0]配置比例啟動(dòng)波形數(shù)據(jù)寫緩存區(qū)，BUFCFG[3:0]寄存器主要是位于WSAV-ECON 的4 位，這一寄存器對各通道ADC 數(shù)據(jù)是否緩存存在著決定影響。惡性負(fù)載識(shí)別算法要對電流數(shù)據(jù)實(shí)施采樣，在進(jìn)行BUFCFG 配置的時(shí)候，需要啟動(dòng)IA 及IB 和IC 采樣。本文算法包含著兩個(gè)方面的內(nèi)容，首先一部分是基于面積和相位的惡性負(fù)載算法，系統(tǒng)能夠明確檢測到電流波形的跳變情況，如果出現(xiàn)波形跳變，則使用面積法進(jìn)行線性負(fù)載功率提取處理，而如果不存在波形跳變的現(xiàn)象，使用相位法進(jìn)行用電器是否為阻性負(fù)載判斷，兩者都需要設(shè)置功率閾值，在超出閾值的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)控制繼電器進(jìn)行斷電。另一部分算法為加窗基2FFT 惡性負(fù)載算法，是在特征矩陣中包含著宿舍日常用電器的奇次諧波分量，系統(tǒng)也要能夠及時(shí)對電路中用電器采樣分析，隨后得出具體的特征分量，將其和特征矩陣的數(shù)據(jù)對比，如果特征矩陣包含著這一類數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制繼電器也就會(huì)自行斷電。

6 惡性負(fù)載識(shí)別算法優(yōu)化

惡性負(fù)載識(shí)別算法在優(yōu)化的時(shí)候，需要減少柵欄效應(yīng)，在對信號(hào)長度N 固定的情況下提升采樣頻率，系統(tǒng)主要使用RN8302 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，針對采樣信號(hào)基頻為50Hz，芯片晶振主要是在8.192Mhz 的情況下促使系統(tǒng)采樣頻率能夠達(dá)到6.4KHz。惡性負(fù)載識(shí)別算法優(yōu)化系統(tǒng)的信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)顯示為128，隨著采樣點(diǎn)的增加，信號(hào)分辨率也會(huì)隨之得以優(yōu)化。

同時(shí)在惡性負(fù)載識(shí)別算法優(yōu)化的時(shí)候，充分減少頻譜泄露，在時(shí)域采集的過程中處理信號(hào)，使信號(hào)周期呈現(xiàn)出倍數(shù)特點(diǎn)，但是在實(shí)際采集的時(shí)候，信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的現(xiàn)象，無法進(jìn)行完整周期的截?cái)?。但可以在窗函?shù)減少頻譜的泄露下選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)，在邊界范圍內(nèi)近似于零的時(shí)候，使得信號(hào)可以在邊界處呈現(xiàn)出連續(xù)的狀態(tài)，充分提高負(fù)載識(shí)別的精確程度。在算法中引入窗函數(shù)是為了能夠?qū)⒉杉降碾娏餍盘?hào)和對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的窗函數(shù)相乘，隨后根據(jù)采集電流信號(hào)含有多個(gè)頻率分量，被測的電流信號(hào)本身具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，在分析的時(shí)候，也要能夠注重諧波分析，因此，在惡性負(fù)載識(shí)別算法優(yōu)化的時(shí)候，可以選擇海明窗實(shí)施優(yōu)化處理。

7 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)惡性負(fù)載識(shí)別測試的結(jié)果得出宿舍用電管理終端能夠快速對學(xué)生接入宿舍回路的惡性負(fù)載進(jìn)行識(shí)別，得出分閘的相關(guān)指令，充分實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段的控制和負(fù)載控制及預(yù)付費(fèi)控制等相關(guān)的邏輯控制，有效對宿舍實(shí)施用電監(jiān)控處理。

8 結(jié)束語

隨著當(dāng)前社會(huì)生活中用電場景逐漸具有復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的用電管理模式功率限定法已經(jīng)無法滿足當(dāng)前日常用電的需要，這就需要在關(guān)注用電負(fù)載特性的基礎(chǔ)上明確得出當(dāng)前惡性負(fù)載算法方面的局限性，結(jié)合宿舍用電管理的需要，注重分析用電負(fù)載特性和現(xiàn)有的惡性負(fù)載算法現(xiàn)狀，從而得出新的惡性負(fù)載識(shí)別算法。實(shí)際中使用比較多的方式包含著總功率限定法及瞬時(shí)功率增加法和功率因數(shù)法等方式，而每種方式在負(fù)載識(shí)別的時(shí)候都具有一定局限性，無法滿足實(shí)際識(shí)別的需要，且各自具有自身的局限性，這就需要明確基于負(fù)載內(nèi)在規(guī)律的和通用的方法，促使負(fù)載識(shí)別的效果更加顯著，在惡性負(fù)載識(shí)別系統(tǒng)優(yōu)化的過程中，能夠更好地達(dá)到比較經(jīng)濟(jì)理想的效果。