侯文浩 ，凌云，2*，徐敬成，黃文威

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.電傳動控制與智能裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著用電負(fù)載的種類以及數(shù)量不斷增加，人們開始對判斷不同的電力負(fù)載方法進(jìn)行了深入的探索和研究，并已經(jīng)建立了一定的系統(tǒng)方法。目前主要的負(fù)載判斷方法集中在運(yùn)用諧波分析[1-2]、傅里葉變換[3]、小波分析[4-6]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7-8]等方法對電力負(fù)載判斷進(jìn)行研究。各種方法均可以在一定程度上用于判斷電氣負(fù)載的類型。然而由于單一的特征和單一的判斷方法的原因，造成泛化能力不足，并且在判別負(fù)載的準(zhǔn)確率也不高，無法準(zhǔn)確判斷。針對現(xiàn)在存在的技術(shù)不足問題，本文提出了一種能夠提高負(fù)載判別準(zhǔn)確率的方法。利用電路的電流最大值、啟動時(shí)間以及負(fù)載電路平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)候的電流頻譜特性當(dāng)作負(fù)載類型的判別依據(jù)，豐富了特征信息。同時(shí)，因?yàn)樵陔姎忸I(lǐng)域內(nèi)人們對傅里葉積分的熟練運(yùn)用，使得電流的啟動和平穩(wěn)運(yùn)行的頻譜特性獲取方法簡單且可靠。具有一定的可操作性與實(shí)用價(jià)值。

1 啟動電流特征參數(shù)定義

本文選用啟動過程時(shí)間、啟動電流最大值時(shí)間和啟動電流最大值這三個(gè)參數(shù)作為用電負(fù)載的啟動電流特征，不同的電器設(shè)備具有不同的啟動電流特征[9-10]。定義用電負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流有效值為IW，若負(fù)載電流進(jìn)入到用電負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流有效值的一個(gè)設(shè)定的相對誤差范圍之內(nèi)并穩(wěn)定在這個(gè)相對誤差范圍之內(nèi)，那時(shí)候可以確定負(fù)載進(jìn)入了一種穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，從0時(shí)刻到開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的這段時(shí)間定義為啟動過程時(shí)間TS，單位是ms。這個(gè)相對誤差范圍可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定為2%～20%之間的值。啟動電流最大值為標(biāo)么值IM，電流從開始到IM的這段時(shí)間定義為啟動電流最大值時(shí)間TM，單位是ms。定義啟動電流最大值 I*為啟動電流的最大有效值IM與用電負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流有效值的比值，即

用電負(fù)載啟動前，首先需要開啟能夠判斷的裝置開始對負(fù)載電流進(jìn)行以工頻周期為單位的連續(xù)采樣然后對負(fù)載電流有效值進(jìn)行計(jì)算并保存。當(dāng)采樣得到的負(fù)載電流值有效值開始大于0或者是開始大于用電負(fù)載的待機(jī)電流設(shè)定值時(shí)，即判斷出用電負(fù)載已經(jīng)啟動，記錄該時(shí)刻為T0。值得說明的是，待機(jī)電流設(shè)定值不能設(shè)置過大，否則容易造成判斷裝置對用電負(fù)載是否啟動或是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)造成誤判，甚至?xí)?dǎo)致對部分功率特別小的用電負(fù)載的漏判斷。

用電負(fù)載開啟完成并且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)完成連續(xù)對N個(gè)工頻周期的采樣之后，需要計(jì)算連續(xù)N個(gè)工頻周期的負(fù)載電流有效值的平均值IV。然后運(yùn)用N個(gè)工頻周期負(fù)載電流有效值和N個(gè)負(fù)載電流有效值的平均值進(jìn)行比較，如果差值的絕對值比之前設(shè)置的相對誤差范圍E小時(shí)，說明用電負(fù)載進(jìn)入了一種相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)。設(shè)置該N個(gè)工頻周期的起始時(shí)刻為啟動過程的結(jié)束時(shí)刻，記錄該時(shí)刻為T1。

用電負(fù)載暫停時(shí)候的最近的N個(gè)工頻周期的負(fù)載電流的平均有效值當(dāng)做用電負(fù)載在穩(wěn)態(tài)時(shí)候電流有效值IW；把用電負(fù)載在開始啟動的時(shí)刻T0到最近N個(gè)工頻周期的起始時(shí)刻為啟動過程的結(jié)束時(shí)刻T1之間的時(shí)間作為電路的開啟過程時(shí)間TS；然后把在T0到T1之間的負(fù)載電流最大的有效值的工頻周期的時(shí)刻記錄為T2，再把T0到T2之間的時(shí)刻作為電流從開啟時(shí)刻到電流最大值時(shí)刻TM；最后為了求得電路的啟動電流的最大值 I*，將T2時(shí)刻的有效值電流最大值和用電負(fù)載有效值電流的平均值IW相比。所得出來的值就為啟動電流的最大值 I*。

由于預(yù)先不知道用電負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流有效值IW，因此，將N個(gè)工頻周期，即一段持續(xù)時(shí)間TP之內(nèi)波動范圍小于設(shè)定的相對誤差范圍E時(shí)的負(fù)載電流有效值的平均值作為用電負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流有效值IW。由于普通用電負(fù)載的啟動過程較快，所以，TP的取值一般在1～10 s，典型取值是2 s，相應(yīng)的工頻周期數(shù)量N的取值范圍為50～500，N的典型取值是100。相對誤差范圍E的取值范圍為2%～20%，E的典型取值是10%。

2 不同用電負(fù)載的啟動電流特征

白熾燈臺燈等發(fā)光的工作原理是將燈絲通電之后，電流會對燈絲加熱直到燈絲進(jìn)入白熾狀態(tài)，并且利用加熱到白熾狀態(tài)的物體會對外輻射發(fā)出可見光。白熾燈臺燈在電路運(yùn)行的瞬間電流急劇增大，會使其電流的瞬時(shí)值超過其額定電流的9倍，且最大啟動電流發(fā)生在啟動時(shí)刻。隨著燈絲溫度的升高，其電流按照指數(shù)規(guī)律減小，然后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在相對誤差范圍在10%的條件下，白熾燈臺燈的電路運(yùn)行過程中電流波形如圖1所示。即當(dāng)白熾燈的負(fù)載電流按照指數(shù)規(guī)律減小到其IW的10%誤差范圍時(shí)啟動過程結(jié)束，所用時(shí)間為TS。由圖可知白熾燈臺燈的TM= 0，*I約在9～10之間。

圖1 白熾燈臺燈的啟動過程電流波形Fig.1 Start-up process current waveforms for incandescent lamp

電阻爐等電阻性負(fù)載通常采用鎳鉻、鐵鉻鋁等電熱合金絲，其共同特點(diǎn)是電阻溫度修正系數(shù)小，電阻值穩(wěn)定。以牌號為Cr20Ni80的鎳鉻電熱絲為例，其在1000 ℃時(shí)的電阻修正系數(shù)為1.014，即1000 ℃時(shí)相對于20 ℃時(shí)，牌號為Cr20Ni80的鎳鉻電熱絲電阻只增加1.4%。因此，電阻爐等電阻性負(fù)載在通電啟動時(shí)即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。以電阻爐為例的電阻性負(fù)載的電路啟動時(shí)電路運(yùn)行過程中電流波形如圖2所示。由圖2可知，電阻性負(fù)載的I*= 1，TM= 0，TS= 0。

圖2 電阻爐等電阻性負(fù)載的啟動過程電流波形Fig.2 Start-up process current waveforms for resistance furnaces and other resistive loads

單相電機(jī)類負(fù)載既具有電感性負(fù)載特性，又具有反電動勢負(fù)載特性。啟動時(shí)刻，由于電感的作用，啟動時(shí)刻的啟動電流為0；隨后電流迅速上升，在電機(jī)反電動勢未建立之前，達(dá)到電流峰值IM；此后，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，電機(jī)負(fù)載電流逐步減小，直到進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。單相電機(jī)類負(fù)載的電路啟動時(shí)電路運(yùn)行過程中電流波形如圖3所示。

圖3 單相電機(jī)類負(fù)載的啟動過程電流波形Fig.3 Start-up process current waveforms for single-phase motor type load

以計(jì)算機(jī)為例的開關(guān)電源類負(fù)載因?yàn)殡娙輹﹄娐酚谐浞烹姷挠绊?，在電路啟動瞬間會產(chǎn)生非常大的浪涌電流，電路電流峰值甚至可以達(dá)到電路穩(wěn)定運(yùn)行電流有效值IW的幾倍至十幾倍以上，時(shí)間為1至2個(gè)工頻周期。以計(jì)算機(jī)為例的開關(guān)電源類負(fù)載的電路啟動時(shí)電路運(yùn)行過程中電流波形如圖4所示。計(jì)算機(jī)及開關(guān)電源類負(fù)載的TS約1至2個(gè)工頻周期，啟動電流最大值時(shí)間為TM=0。

3 用電負(fù)載的判別方法

圖4 計(jì)算機(jī)及開關(guān)電源類負(fù)載的啟動過程電流波形Fig.4 Start-up process current waveforms for computer and switching power supply loads

對于為了提高用電負(fù)載類型判斷精度，即對于包含多種負(fù)載或者復(fù)合型負(fù)載的電路，需要判斷主要用電負(fù)載類型，因此需要設(shè)置組合分類器。組合分類器由主分類器和輔助分類器構(gòu)成，這兩種分類器都有能夠得到負(fù)載電流和啟動電流的頻譜特征的能力，只是內(nèi)部算法設(shè)置有所區(qū)別。當(dāng)主分類器輸出的判斷結(jié)果為唯一的用電負(fù)載類型時(shí)，就表示分類器對負(fù)載類型的區(qū)分達(dá)到了目的，并將主分類器判斷的用電負(fù)載類型作為組合分類器的用電負(fù)載類型判斷結(jié)果。然而，如果是主分類器判斷的結(jié)果多于一種用電負(fù)載類型的時(shí)候，也就是說主分類器并沒有能夠完全判斷出用電負(fù)載類型的種類，接下來就需要輔助分類器將余下的用電負(fù)載類型進(jìn)行進(jìn)一步判斷，輔助分類器將會輸出余下的用電負(fù)載類型中概率最高的類型。一旦使用了輔助分類器對用電負(fù)載類型進(jìn)行分類就表明主分類器對用電負(fù)載類型并沒有完全識別。所以最后組合分類器會使用輔助分類器的結(jié)果作為用電負(fù)載類型判斷的最終結(jié)果。

用電負(fù)載類型判斷方法流程如下：

步驟1等待用電負(fù)載啟動；

步驟2采集用電負(fù)載啟動電流數(shù)據(jù)并保存，直至用電負(fù)載啟動過程結(jié)束；

步驟3分析采集的用電負(fù)載啟動電流數(shù)據(jù)，獲取用電負(fù)載的啟動電流特征；

步驟4采集用電負(fù)載穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的數(shù)據(jù)并保存；

步驟5分析采集的用電負(fù)載穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的數(shù)據(jù)，獲取用電負(fù)載的負(fù)載電流頻譜特征；

步驟6將啟動電流特征和負(fù)載電流頻譜特征作為組合分類器的輸入特征；組合分類器用于判斷電力負(fù)載的類型。

步驟7輸出用電負(fù)載類型判斷結(jié)果。

用電負(fù)載類型判斷方法流程如圖5所示。

4 組合分類器的具體案例

本文給出一種組合分類器進(jìn)行用電負(fù)載類型判斷的具體情況。設(shè)置一個(gè)組合分類器，其中主分類器為決策樹分類器[11-12]，輔助分類器為貝葉斯分類器[13-15]。顯然，組合分類器還可以有更加多的組合形式和次序，構(gòu)建出更為復(fù)雜的組合分類器的方式，對此本文不再詳細(xì)描述。

圖5 用電負(fù)載類型判斷方法流程Fig.5 Power load type identification method flow

就組合分類器和主分類器的輸出結(jié)果而言。當(dāng)分類標(biāo)記為1時(shí)，相應(yīng)的用電負(fù)載類型與當(dāng)前輸入特征匹配，可以確認(rèn)用電負(fù)載類型具體為哪一大類。當(dāng)分類標(biāo)記為0時(shí)，相應(yīng)的用電負(fù)載類型與輸入特征不匹配，未能完成用電負(fù)載類型的準(zhǔn)確判斷。例如，若某次的主分類器的判斷分類標(biāo)記為 F1F2F3F4=0100，則認(rèn)為主分類器成功實(shí)現(xiàn)用電負(fù)載類型判斷，因此，不考慮輔助分類器的判斷結(jié)果，直接令 B1B2B3B4=0100即組合分類器的判斷結(jié)果是：被判斷的用電負(fù)載為電阻爐。若某次的主分類器的判斷分類標(biāo)記為F1F2F3F4=1010則認(rèn)為主分類器未能實(shí)現(xiàn)用電負(fù)載類型判斷，且主分類器的判斷結(jié)果為2種或者2種以上用電負(fù)載類型；再設(shè)此時(shí)輔助分類器的判斷結(jié)果滿足則令 B1B2B3B4=0010即組合分類器的判斷結(jié)果是：被判斷的用電負(fù)載為吹風(fēng)機(jī)。若某次的主分類器的判斷分類標(biāo)記為 F1F2F3F4=0000，則認(rèn)為主分類器未能實(shí)現(xiàn)用電負(fù)載類型的判斷，且主分類器的判斷結(jié)果中未能給出判斷的用電負(fù)載類型；再設(shè)此時(shí)輔助分類器的判斷結(jié)果滿足且且，則令B1B2B3B4=1000，即組合分類器的判斷結(jié)果是：被判斷的用電負(fù)載為白熾燈。

用戶還可以設(shè)置其它二值分類標(biāo)記判斷情形，采用1、-1，或者是0、1，或者是-1、1，以及其他方案來表示相應(yīng)用電負(fù)載判斷結(jié)果為是、否。組合分類器與主分類器的分類標(biāo)記方案可以相同，也可以不相同。另外還可以通過增加更多不同的輸入特征參數(shù)支持組合分類器完成判斷，比如為了區(qū)別純電阻負(fù)載中功率較大的電阻爐與功率較小的電烙鐵，還可以加入用電負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流有效值IW這個(gè)特征參數(shù)，即電負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流有效值IW小的為電烙鐵，反之為電阻爐功率大。

5 結(jié)論

本文提出一種用電負(fù)載類型判斷方法，采用啟動電流最大值的時(shí)間、啟動過程時(shí)間和啟動電流最大值這三個(gè)參數(shù)作為用電負(fù)載的啟動電流特征以及用電負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行之后的電流頻譜特征作為判別用電負(fù)載類型的條件。并且，為了提高判別用電負(fù)載類型的準(zhǔn)確度，設(shè)置了由主分類器和輔助分類器兩種分類器相互結(jié)合構(gòu)成了組合分類器在此基礎(chǔ)上還可以設(shè)置更多輸入特征參數(shù)、更多分類器類型以及更為復(fù)雜的分類依據(jù)，這為集體宿舍、大型集貿(mào)市場等一些集中性質(zhì)的公共場所進(jìn)行用電負(fù)載管理或特殊電器限制提供了一個(gè)新思路，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。