楊 磊，施火泉，吳成瑞

（1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無錫 214122；2.無錫市恒通電器有限公司，無錫 214122）

隨著安全、節(jié)能、智能化意識的不斷提升，對負(fù)載識別終端的要求也越來越高。非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)不需要在每個被監(jiān)視電力負(fù)荷處加裝傳感器等硬件設(shè)備，所以負(fù)載識別的方法也由侵入式向非侵入式[1]轉(zhuǎn)變，并向簡單、實(shí)用、可靠的識別方法不斷深入。

雙回路非侵入式負(fù)載識別智能電表主要針對學(xué)生公寓、寫字樓、批發(fā)市場等人口密集場所而設(shè)計(jì)，以加強(qiáng)終端電能的計(jì)量考核和管理，預(yù)防惡性負(fù)載造成的安全隱患。該電表可以實(shí)時監(jiān)測到存在安全隱患的電器，如微波爐、電磁爐、熱得快、電熱毯等（可以自定義電器黑白名單），及時切斷電源，并在設(shè)定延時時間之后自動嘗試合閘送電；亦可通過改變繼電器控制方式，用于家庭中分別記錄各種用電設(shè)備的實(shí)際用電情況，生成報(bào)表，以供家庭用戶掌握家中各用電器的能耗情況，以利于安全和節(jié)能[2]。樣機(jī)開發(fā)與試驗(yàn)表明，高集成度的SoC芯片、開關(guān)電源、兩光耦RS485通訊、錳銅采樣等優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，大大降低了硬件成本、體積，縮短了開發(fā)周期，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 負(fù)載識別原理及算法

負(fù)載識別算法在智能電表識別負(fù)載的能力中起著決定性的作用。目前，主流的電器負(fù)載識別方法包括基于小波分析的負(fù)載識別[3]、利用周期性離散變換算法的負(fù)載識別[4]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載識別[5]等方法。此類算法存在識別率不高或算法實(shí)現(xiàn)成本高或目前難以實(shí)現(xiàn)等弊端。目前識別出用電器類別，如阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載（反惡性負(fù)載識別的電容補(bǔ)償器）已經(jīng)比較容易，但是同類用電器穩(wěn)態(tài)特征較為相似，或?qū)τ诜蔷€性、混合型的用電器，單純的通過某一種特征量來判斷較為困難。因此，本文采用了一種運(yùn)用相似度識別負(fù)載的算法[6]，并配合硬件實(shí)現(xiàn)。

由于從整體來看，每個用電器的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)的電壓、電流、無功、有功、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、電腦工作波形不規(guī)則、空調(diào)有多種工作狀態(tài)且多變。故該方法提取用電器投切后的暫態(tài)特征量、穩(wěn)態(tài)特征量、功率因數(shù)等多個特征參量，選擇測量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫模板的最大相似度來確定用電負(fù)荷，進(jìn)而得到相應(yīng)的工作狀態(tài)和用電量?？梢员苊鈫我粎?shù)難以識別同類別相似用電器的缺點(diǎn)。

如有m個監(jiān)測對象，每個監(jiān)測對象采樣n個特征量，設(shè)監(jiān)測對象為 Qi（Qi=［ fi1fi2…fin］，i=1，2，…，m），未知負(fù)荷為 Li=［fj1fj2… fjn］。為了消除不同物理量量綱的影響，需要對特征量通過標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行變換[7]：

由式（3）可得變換后的 Q′i＝［ f′i1f′i2…f′in］，其中，i=1，2，…，m。

同樣地，可以得到 L′j。 用 λ（Q′i，L′j）來表示家用電器模板Q′i和未知負(fù)荷Lj之間的相似度，并用百分?jǐn)?shù)表示：

式中：i=1，2，…，m； j=1，2，…，m；d=1，2，…，n。

λ值越大，說明2個負(fù)荷之間相似程度越大。因此，可通過尋找最大相似度來確定未知負(fù)荷是哪種家用電器。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體功能設(shè)計(jì)

雙回路智能電表一般用于學(xué)生宿舍，可以同時控制和計(jì)量2個供電回路：一路用于動力（插座）控制，一路用于照明控制。具有預(yù)付費(fèi)、分時電價、負(fù)載識別和定時開關(guān)等功能。兩路獨(dú)立電力參數(shù)記錄和顯示，可通過RS485通信遠(yuǎn)程方式實(shí)現(xiàn)費(fèi)控和數(shù)據(jù)交換。如用于學(xué)生宿舍時，當(dāng)負(fù)荷超過最大功率（可設(shè)定）或檢測到學(xué)生使用電爐、熱得快、電吹風(fēng)等惡性負(fù)載（可預(yù)設(shè)黑白名單）時，會自動判斷出來并斷開插座回路的供電。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure of the system

2.2 電源部分

電源是整個系統(tǒng)的心臟，電源的好壞嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)應(yīng)用于電子式電能表的電源主要是線性電源，但是線性電源存在轉(zhuǎn)化效率低（自損耗功率大）、體積大、穩(wěn)壓范圍小等缺點(diǎn)。相比之下開關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)采用高頻開關(guān)電源給整個系統(tǒng)供電，主要為SoC芯片模塊和RS485通訊模塊供電，且為了保證RS485通訊效果，RS485模塊電源需與其他電源做好隔離。高頻開關(guān)電源主要由以下幾個部分組成：

整流電路：通過二極管全橋整流將交流轉(zhuǎn)換為直流（圖中被省去，+VH和GND為整流后的直流輸出端）；濾波電路；高頻變壓器：反激式變換器中采用的變壓器具有將輸入輸出隔離和儲能的作用；由D7、R110、R111、C16組成的 DRC 電壓鉗位電路：變壓器的磁芯處于直流偏磁狀態(tài)，為了防止磁芯飽和，一般在變壓器中加入較大的氣隙，但也增大了漏感，在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，漏感儲能引起的電流突變將產(chǎn)生很高的尖峰電壓，為了減少開關(guān)管在開關(guān)時的電壓、電流應(yīng)力，必須采用嵌位電路，這樣在開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器漏感儲存的能量被轉(zhuǎn)移到了電容C61中，齊納二極管嵌位及并聯(lián)RC的結(jié)合使用不但優(yōu)化了EMI，而且更有效率；由R112、R113以及光耦EL357N-G組成的反饋電路：輸出準(zhǔn)確的反饋量，保證了開關(guān)電流的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

B1為蓄電池，通過BATDET連接SoC檢測電壓情況，保障了電網(wǎng)斷電時仍然可以保障智能電表關(guān)鍵部位的正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)記錄與保存。具體電路如圖2所示。

圖2 開關(guān)電源原理Fig.2 Schematic diagram of switching power supply

2.3 采樣電路設(shè)計(jì)

電壓采樣部分，通過電壓互感器降壓方式能起到電氣隔離的作用，然而互感器成本高、功耗大，故采用電阻分壓的方式?？紤]到耐壓和防浪涌的問題，采用10個1206貼片電阻串聯(lián)（圖3中Ra）分壓的形式，Ra為采樣電阻。電阻RF和電容CF組成的抗混疊濾波器可以在輸出電平中大大降低混疊頻率以防止混疊效應(yīng)，也保證了正負(fù)電壓輸入之間的匹配。

圖3 電壓采樣原理Fig.3 Voltage sampling schematic

電流采樣部分，通常采用電流互感器，雖然精密電流互感器的精度高，但是受環(huán)境影響較大。故本設(shè)計(jì)使用錳銅分流器，其工作原理是在通過額定電流時，在其上產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓，由于其具有低溫度系數(shù)，減少了因環(huán)境變化而引起的精度變化，采樣精度高，而且相比電流互感器成本低，其原理如圖4所示。

圖4 電流采樣原理Fig.4 Current sampling schematic

2.4 通訊部分設(shè)計(jì)

RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需2根連線，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，無公共地線，抗共模干擾能力強(qiáng)，最大傳輸距離可達(dá)1200 m。典型應(yīng)用為三光耦形式，為了降低硬件成本并簡化應(yīng)用電路，對典型方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即將RS485中的使能信號與RO（數(shù)字輸入信號）分別控制的方式簡化為用RO代替使能控制信號；或?qū)⑼恍盘柾ㄟ^高低電壓調(diào)整來兼容2種信號，使得三光耦電路變?yōu)閮晒怦铍娐?，?jié)省了使能信號控制線路的硬件成本，但同樣能夠達(dá)到RS485通信的效果。為了系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在高速、長線傳輸時，通常還會在RS485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端并聯(lián)可跳線的120 Ω匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射。具體電路如圖5所示，其中485RXD和485TXD分別連接8213B的P20/RX0和P21/TX0，GND與G485需做好隔離，不可有電聯(lián)系。

圖5 智能電表RS485結(jié)構(gòu)原理Fig.5 RS485 schematic diagram of intelligent meter

2.5 SoC芯片及其外圍電路設(shè)計(jì)

智能電表主控芯片RN8213B是銳能微科技股份有限公司于2015年底最新發(fā)布的一款低功耗、高性能、高集成度、高可靠性的單相SoC芯片，該產(chǎn)品內(nèi)嵌32位ARM Cortex-M0核，并集成了計(jì)量模塊、硬件溫補(bǔ)RTC、LCD控制器、E2PROM等模塊，支持零線和火線雙通道有功功率、無功功率、視在功率、電流有效值、有功電能、無功電能、視在電能同時計(jì)量，提供電壓有效值及電壓線頻率測量。在5000∶1動態(tài)范圍內(nèi)有功誤差小于0.1%，能夠滿足單相智能表計(jì)目前及將來持續(xù)增長的功能、性能要求。

RN8213B的外圍及擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)如圖6所示。圖中 VP、VN 為電壓采樣通道，I1P、I1N、I2P、I2N分別為兩路電流采樣通道，均為模擬輸入端口；LCDVA～D，LCDVP1，LCDVP2 為液晶驅(qū)動部分；S1～S15，COM1～COM8為 LCD 顯示接口；TURN 為輪顯按鍵接口；CF-1和 CF-2為校表脈沖端口，通過串聯(lián)LED指示校表情況，并通過光耦與芯片隔離，以免損壞電表；IR TXD和IR RXD為紅外通訊接口；SoC外接32.768 kHz晶振。

圖6 SoC芯片及其外圍電路原理Fig.6 SoC chip and its peripheral circuit schematic

3 軟件設(shè)計(jì)

雙回路智能電表可以同時計(jì)量2個通道的有功電能、無功電能、視在電能，可測量電壓、電流、功率、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，用戶可以通過液晶顯示器讀取上述參數(shù)，也可以由計(jì)算機(jī)通過RS485通信口或紅外讀取上述參數(shù)。主要程序包括主程序、計(jì)量模塊、費(fèi)控模塊、負(fù)載識別模塊、通訊模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊、脈沖校表模塊等。限于篇幅，本文重點(diǎn)描述負(fù)載識別部分，主要流程如圖7所示。

圖7 負(fù)載識別軟件流程Fig.7 Software flow chart of load identification

4 實(shí)測結(jié)果與分析

為了突出對比效果，選取幾種穩(wěn)態(tài)差異較大和幾種穩(wěn)態(tài)較為相似的負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)參數(shù)測試結(jié)果和惡性負(fù)載識別繼電器動作情況如表1所示。由于電水壺功率較大，超過設(shè)定的閾值，所以0.1 s內(nèi)繼電器便會動作。電暖器和熱得快為穩(wěn)態(tài)功率相似且功率因數(shù)均為1的純阻性負(fù)載且功率較大，容易歸為惡性負(fù)載，但是通常算法區(qū)分難度大，然而兩者的電壓電流暫態(tài)差異較大，電暖器上電后電流和有功都有一個明顯的上升過程，3 s后上升過程變得緩慢，數(shù)十秒后方可緩慢趨于穩(wěn)態(tài)；而熱得快上電后電流瞬間上升至4.38 A，有功則在3 s左右趨于穩(wěn)態(tài)，因而采用相似性算法可以很容易地區(qū)分2種相似負(fù)載。飲水機(jī)的功率較大且功率因數(shù)為1，在加熱過程中穩(wěn)態(tài)功率略有波動，因?yàn)槠湟鸭尤氚酌麊沃?，故繼電器無動作。電風(fēng)扇功率較小，功率因數(shù)為0.975，非惡性負(fù)載，繼電器無動作。

表1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)測試結(jié)果和惡性負(fù)載判斷繼電器動作情況Tab.1 Steady-state parameter test results and relay operating time by recognition of malignant load

5 結(jié)語

基于RN821X系列最新SoC芯片的雙回路負(fù)載識別智能電表，可以獨(dú)立計(jì)量2個回路的用電信息，采用非侵入式負(fù)載識別方式，識別負(fù)載的準(zhǔn)確率高，兩路獨(dú)立的繼電器開關(guān)，可以及時切斷具有安全隱患的回路。通過更改繼電器控制方式，亦可用于家庭中，識別每個用電器的投切情況，給出各用電器的用電分析報(bào)表，讓用戶掌握各用電器的耗能情況，益于節(jié)能和安全。高集成度SoC芯片及開關(guān)電源的使用降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度、體積和成本。導(dǎo)軌式安裝，易組網(wǎng)的特點(diǎn)便于現(xiàn)場安裝改造。樣機(jī)開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用表明，該電表具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，市場前景廣闊。

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