學(xué)生公寓惡性負(fù)載識(shí)別方法綜述

摘 要：本文闡明了學(xué)生公寓惡性負(fù)載的概念，闡述了已經(jīng)在實(shí)踐中取得應(yīng)用的幾種惡性負(fù)載識(shí)別方法，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上提出筆者對(duì)于惡性負(fù)載識(shí)別研究的看法，并對(duì)其今后的發(fā)展方向作了展望。

關(guān)鍵詞：惡性負(fù)載；總功率限定；瞬時(shí)功率；小波變換

中圖分類號(hào)：TM714

電氣火災(zāi)歷來(lái)是火災(zāi)的防控難點(diǎn)，每年全國(guó)各地因宿舍電器火災(zāi)導(dǎo)致的傷亡事故屢有發(fā)生，宿舍安全用電管理一直是有關(guān)部門力圖破解的難題。近年來(lái)學(xué)生公寓事故的調(diào)查結(jié)果顯示，在宿舍使用熱得快、電爐子等惡性負(fù)載是引起火災(zāi)和觸電事故的主要原因[1]。

1 惡性負(fù)載識(shí)別意義

從學(xué)生公寓用電安全和用電管理的角度出發(fā)，將熱得快、電爐子等大功率的電熱器件稱為惡性負(fù)載[2]。

惡性負(fù)載的性質(zhì)近似呈阻性，其原因在于：

（1）從能量角度來(lái)看，惡性負(fù)載將吸收的電能大部分轉(zhuǎn)化為熱能釋放出來(lái)。

（2）從伏安特性來(lái)看，惡性負(fù)載的伏安特性近似于電阻的伏安特性。

不同負(fù)載具有不同的特征，而當(dāng)不同負(fù)載混合使用時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行識(shí)別并非易事。學(xué)生公寓人員密集、負(fù)載類型多、用電管理復(fù)雜，如何在確保正常用電的情況下實(shí)現(xiàn)惡性負(fù)載的識(shí)別，對(duì)公寓用電管理及用電安全有十分重要的意義。電子技術(shù)的發(fā)展使全電子式智能計(jì)量系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，但這些智能電表并不具備惡性負(fù)載識(shí)別功能。盡管某些智能用電管理系統(tǒng)具備了一定的負(fù)載識(shí)別功能，但其檢測(cè)精度并未達(dá)到令人滿意的程度，無(wú)法滿足工程上的需要。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)惡性負(fù)載的精確識(shí)別仍是一個(gè)有價(jià)值的研究方向[3]。

2 惡性負(fù)載識(shí)別方法

當(dāng)前，惡性負(fù)載識(shí)別的方法大致可分為時(shí)域法和頻域法兩類。時(shí)域分析方法主要包括總功率限定法、瞬時(shí)功率增加法、波形比較法等；頻域分析方法主要包括基于小波變換識(shí)別法、基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法以及小波變換和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法等[4.5]。

2.1 總功率限定法

其原理是當(dāng)學(xué)生在公寓里的用電量極大而致使公寓的用電負(fù)荷超過(guò)限定值時(shí)，MCU發(fā)出斷電命令使宿舍供電中斷。一般的學(xué)生公寓智能管理系統(tǒng)都使用這種方法對(duì)公寓的負(fù)荷進(jìn)行控制，可初步實(shí)現(xiàn)惡性負(fù)載的識(shí)別。當(dāng)學(xué)生公寓的用電功率被限定在一個(gè)限定值以下時(shí)，MCU不斷對(duì)公寓的電壓、電流進(jìn)行采樣和計(jì)算并得到其功率，判定功率是否超出限定值。學(xué)生在公寓內(nèi)使用熱得快等負(fù)載時(shí)，就會(huì)被MCU檢測(cè)到功率超限，如此便實(shí)現(xiàn)了惡性負(fù)載識(shí)別。

2.2 瞬時(shí)功率增加法

瞬時(shí)功率增加法也是應(yīng)用較為廣泛的方法，它通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電路中的功率來(lái)進(jìn)行惡性負(fù)載識(shí)別。其基本原理是：檢測(cè)當(dāng)前電路中的功率并將功率值及時(shí)存儲(chǔ)記錄，當(dāng)檢測(cè)到某一時(shí)刻的功率值增加很大時(shí)（學(xué)生公寓中非惡性負(fù)載的功率一般都較?。C明電路中啟動(dòng)了一個(gè)大功率負(fù)載。

2.3 波形比較法

通過(guò)硬件電路分別對(duì)負(fù)載啟動(dòng)前和啟動(dòng)后的電壓和電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣，然后對(duì)負(fù)載啟動(dòng)前后的電流波形進(jìn)行相減得到電流的差值波形，將差值波形乘上一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤蜃?，使其峰值與電壓波形峰值相等，通過(guò)計(jì)算差值波形與電壓波形圍成的面積達(dá)到負(fù)載識(shí)別的目的。判斷依據(jù)是：如果差值面積近似為零，則有惡性負(fù)載接入，否則無(wú)惡性負(fù)載接入。

波形比較法的軟件電路和硬件電路的設(shè)計(jì)均比較復(fù)雜，因?yàn)樨?fù)載啟動(dòng)前后兩次波形的測(cè)量起點(diǎn)必須保證在不同周期的同一時(shí)刻開始，否則進(jìn)行的識(shí)別是不可靠的。從工程上看，當(dāng)電路中出現(xiàn)毛刺干擾時(shí)，面積差將會(huì)變化，也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的識(shí)別結(jié)果。

2.4 小波變換識(shí)別法

小波分析法具有多分辨率的特點(diǎn)，是一種時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法。研究表明，對(duì)于惡性負(fù)載的識(shí)別利用Dmeyer小波函數(shù)和5層分解效果較好。

采用Dmeyer小波函數(shù)對(duì)原始負(fù)載信號(hào)的電流波形進(jìn)行5層小波分解，將信號(hào)S表示為各層高頻部分和低頻部分之和，即：

S=a1+d1=a2+d2+d1=a3+d3+d2+d1=a4+d4+d3+d2+d1=a5+d5+d4+d3+d2+d1

a1至a5代表各層的概貌部分，d1至d5代表各層的細(xì)節(jié)部分。對(duì)采樣得到的白熾燈、電爐子、日光燈、計(jì)算機(jī)等負(fù)載以及它們混合負(fù)載的電流波形進(jìn)行小波分析，分析后認(rèn)為采用各負(fù)載電流值的平方和Sumpower、細(xì)節(jié)部分第五層的能量Power5、概貌部分第五層的能量與細(xì)節(jié)部分第五層的能量的比值R作為特征值進(jìn)行負(fù)載識(shí)別可達(dá)到較好效果，依據(jù)如下：

（1）當(dāng)R≈1.4時(shí)，證明是純計(jì)算機(jī)負(fù)載。

（2）當(dāng)R>25且Sumpower的數(shù)量級(jí)≥108，說(shuō)明含大功率的阻性負(fù)載。

（3）當(dāng)R≤25且Power5的數(shù)量級(jí)是105或106時(shí)，證明是含計(jì)算機(jī)的混合負(fù)載。

2.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載識(shí)別的基本過(guò)程是：把所采集的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，利用傅立葉變換或小波分析等方法提取特征值，將其作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入并對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)對(duì)輸出結(jié)果的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)惡性負(fù)載的識(shí)別。

目前在負(fù)載識(shí)別中應(yīng)用較多的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為：輸入層5個(gè)神經(jīng)元、隱層11個(gè)神經(jīng)元、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(duì)惡性負(fù)載的識(shí)別效果非常理想：通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果和期望輸出作線性回歸分析得到兩者的相關(guān)系數(shù)為0.994。這種方法可以通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)負(fù)載的間接識(shí)別達(dá)到惡性負(fù)載識(shí)別的目的。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法識(shí)別準(zhǔn)確度高，但存在需要大量的樣本并進(jìn)行大量的訓(xùn)練，且建網(wǎng)無(wú)現(xiàn)成規(guī)律可循等缺點(diǎn)，另外其實(shí)際中的通用性還有待考證。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述介紹的識(shí)別方法中，實(shí)際中應(yīng)用較多的是總功率限定法、瞬時(shí)功率增加法和功率因數(shù)法，但這幾種方法識(shí)別精度有限，難以滿足實(shí)際要求；波形比較法硬件軟件都過(guò)于復(fù)雜，且容易受到干擾，實(shí)用價(jià)值有限；基于頻域分析的識(shí)別方法雖然很準(zhǔn)確，識(shí)別效果較理想，但工程通用性不強(qiáng)。因此尋找一種基于負(fù)載內(nèi)在規(guī)律的、通用的方法是今后負(fù)載識(shí)別的發(fā)展方向。

目前情況下，筆者認(rèn)為把幾種方法相結(jié)合是一條比較好的實(shí)現(xiàn)方法。例如將時(shí)域分析方法和頻域分析方法結(jié)合起來(lái)，利用總功率限定等方法進(jìn)行初步識(shí)別，利用小波分析方法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行精細(xì)識(shí)別，可達(dá)到比較經(jīng)濟(jì)、理想的效果。

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作者簡(jiǎn)介：張超（1988.03-），男，山東平陰人，在讀碩士，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與故障識(shí)別。

作者單位：遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧錦州 121001；國(guó)家電網(wǎng)中電裝備山東電子有限公司，濟(jì)南 250100。