龍吉

摘 要：負載識別是電力管理系統(tǒng)中安全用電的一種檢測技術(shù)，為了減輕管理者的勞動力，本文提出一種識別用戶負載類型的控制器，系統(tǒng)介紹了這種控制器的硬件電路和軟件系統(tǒng)，通過實際測試發(fā)現(xiàn)，這種控制器能夠識別違規(guī)用電器，并且按照控制參數(shù)限制用戶某些功率或者負載類型的使用，具有工作穩(wěn)定、性價比較高的特點。

關(guān)鍵詞：負載識別；控制器；設(shè)計

早期的民用用電負載類型大多都是電阻性負載，如白熾燈、電爐子、電熱鍋等，后期隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性負載越來越多，如開關(guān)電源、計算機、充電器等。但是由于大功率的電阻性負載極容易出現(xiàn)故障造成短路事故引起火災(zāi)，所以很多企事業(yè)單位、學生公寓、酒店等場所將某些電阻性負載列為違規(guī)用電器并限制使用。而檢查這類用電器是用電管理者繁重的工作量，故設(shè)計一種能夠識別違規(guī)用電器的控制器能夠減輕用電管理者的工作量，杜絕用戶違章使用違規(guī)用電器，有效防止火災(zāi)發(fā)生，保證用戶的生命財產(chǎn)安全。

1 控制器結(jié)構(gòu)及工作原理

負載識別要從兩個方面來實現(xiàn)，首先具備檢測負載參數(shù)的硬件條件，其次要運行準確的軟件算法，這樣負載類型才能精確可靠的被識別出來。那么負載識別控制器的結(jié)構(gòu)包含微控制器（或微處理器）、電流檢測電路、電壓檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、相位差檢測電路和控制輸出等電路。 檢測負載電流及電壓是分析負載類型的基礎(chǔ)，通過運行某些算法能夠精確的分析出負載類型，如目前較為常見如離散傅里葉變換（DFT）、諧波分析、小波分析等方法，這些方法都比傳統(tǒng)的功率因數(shù)法、瞬時功率增加法、波形比較法更為精確和可靠，并且具備很強的防破解能力，本文所介紹的負載識別控制器基于上面介紹的硬件條件外，采用小波分析法進行分析，使得控制器具有很強的識別能力和防破解能力。

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路主要包含微控制器最小系統(tǒng)、電壓及電流檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、控制輸出電路，為了更好的實現(xiàn)人機交互，增加了按鍵電路和RS232通信電路。下面介紹一下較為重要的硬件電路。

2.1 微控制器最小系統(tǒng) 由于需要運行小波分析算法，必然涉及到復(fù)雜的浮點運算。為了保證系統(tǒng)實時性，需要選擇一款性能強勁外設(shè)豐富的微控制器，如果運算量較大，這個微控制器可能需要經(jīng)過論證后使用數(shù)字信號處理器（DSP），所以本設(shè)計為了節(jié)約成本提升性價比，選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F407微處理，這款有較強的性能之外（ARM Cortex-M4架構(gòu)），為了增強浮點運算功能，內(nèi)部還具有浮點運算單元（FPU），在開啟FPU的情況下，浮點運算性能大大提高，再配合STM32的庫函數(shù)中的DSP庫的支持，性能尤為突出。

2.2 電流及電壓檢測電路 電流檢測電路主要由電流互感器、放大器和濾波電路組成，電流互感器基于變壓器原理，有效的將一次側(cè)的大電流隔離開來并進行測量，但是由于輸出信號微弱，需要經(jīng)過運算放大器構(gòu)成的放大電路進行放大處理，然后經(jīng)過低頻信號濾波器（本設(shè)計采用二階巴特沃斯濾波器，截止頻率25Hz）濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換電路。

電壓檢測電路通過電阻分壓原理，雖然不如互感器能夠有效隔離一次側(cè)的大容量交流電，但是具有通過純電阻性負載，輸出信號相位無變化，電路實現(xiàn)簡單成本較低等優(yōu)點。同樣原理，電壓檢測信號也經(jīng)過濾波處理后送入A/D轉(zhuǎn)換電路。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 為了更加精確的得到負載波形，為分析波形做基礎(chǔ)，本設(shè)計采用性能優(yōu)異的德州儀器公司（TI）的A/D轉(zhuǎn)換器ADC16DX370，ADC16DX370是16位雙通道高性能A/D轉(zhuǎn)換器，能夠以370MSPS的采樣率將模擬信號轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號，特別是內(nèi)部集成了輸入緩沖器消除了內(nèi)部開關(guān)電容采樣電路的電荷回饋噪聲，增加了低噪聲電壓基準，大大簡化電路設(shè)計復(fù)雜程度。

3 軟件程序設(shè)計

在信號分析中，采用傅里葉分析方法具有很大優(yōu)勢，特別是在時域信號分析過程中，采用快速傅里葉（FFT）和離散傅里葉（DFT）具有很高的精度和實時性，而傅里葉分析法卻無法準確的分析變化較快且加窗函數(shù)的波形，甚至兩個波形在某個時域范圍內(nèi)有很大差別，在某個特定的觀察周期內(nèi)，傅里葉分析法分析出的結(jié)論是一致的。而與之不同的是，小波分析是將波形信號層層分離進行分析，具有較強的自適應(yīng)性和分析性能，有“數(shù)學顯微鏡”之稱。

其中ψ（t）為一個小波基，如果小波基無窮多組，那么小波函數(shù)可以有無窮多個。所以選取不同的小波基會有不同的分析結(jié)果，小波分析有很多種小波函數(shù)，如Haar小波、Daubechies（dbN）小波、Morlet小波、Meyer小波等，本設(shè)計中為了保證小波分析的頻域內(nèi)具有較好的支撐特性和便于設(shè)計濾波器等特點，選用Meyer小波，方便移植到微控制器中運算，采用離散Meyer小波，即DMeyer小波。

由于采用小波分析，那么電壓檢測信號變得可有可無，但是由于需要對負載其他參數(shù)進行監(jiān)測和控制，電壓檢測保留作為用戶參考數(shù)據(jù)。而電流檢測采用互感器進行采集，并通過放大電路和濾波電路進行處理，這樣，通過對相位差的計算，相位差在2.045°左右，那么必須要采取補償措施，本設(shè)計中在軟件中加入相位補償算法，通過實時檢測進行補償可以達到0.2級的標準。

4 結(jié)論

在使用STM32F407微控制器運行DMeyer小波分析之前，仍需要使用Matlab對DMeyer小波的參數(shù)進行論證，如小波分層等設(shè)置，然后選擇一個適合的參數(shù)進行移植，本設(shè)計中分析5層小波能量，效果較好。但是隨著目前市面上的防限電裝置的改進，增加了識別難度，所以仍需對小波的分解層數(shù)進行論證和實驗以達到準確識別的目的。

參考文獻：

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[2]馮潔.基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的負載類型識別[J].電氣技術(shù)，2008（2）：47-49.