淺析智能電表惡性負(fù)載識(shí)別

文/迮靜強(qiáng) 江蘇聯(lián)宏自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司 江蘇南京 210000

淺析智能電表惡性負(fù)載識(shí)別

文/迮靜強(qiáng) 江蘇聯(lián)宏自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司 江蘇南京 210000

本文討論了常用電器的分類(lèi)及電參數(shù)特性；惡性負(fù)載的定義；介紹了防限電裝置的原理和種類(lèi)；介紹了目前流行的幾種惡性負(fù)載識(shí)別方法；重點(diǎn)介紹了總功率閾值設(shè)定法、增量有功和功率因素分析法、諧波分析法等幾種惡性負(fù)載檢測(cè)方法；及利用這幾種識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)負(fù)載識(shí)別的流程。同時(shí)，提及用電管理方面的內(nèi)容。

電能表;惡性負(fù)載;負(fù)載識(shí)別;用電管理

引言

隨著民用用電設(shè)備的種類(lèi)不斷增加，用電環(huán)境日益復(fù)雜，對(duì)用電管理也提出了更高要求。大部份火災(zāi)，是由于使用電器不當(dāng)，特別違章使用熱得快、電吹風(fēng)、電爐等大功率發(fā)熱性負(fù)載，更易造成的重大事故的發(fā)生。為了杜絕此類(lèi)事故的發(fā)生，確保正常用電的情況下，限制這些大功率電器的使用，保障人員安全。在智能電能表中，增加負(fù)載識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)用電管理，達(dá)到安全用電的目的。負(fù)載識(shí)別的目的就是要確保計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等電器不加限制地正常使用；識(shí)別出大功率發(fā)熱，存在安全隱患的電器，加以限制，禁止使用。

1 負(fù)載識(shí)別原理和方法

1.1電器負(fù)載的種類(lèi)及特點(diǎn)

電器負(fù)載原則上分為線性負(fù)載和非線性負(fù)載二種，非線性負(fù)載又可分為容性負(fù)載和感性負(fù)載。常用的容性負(fù)載有計(jì)算機(jī)、充電器、節(jié)能燈等；感性負(fù)載有電感整流器日光燈，電風(fēng)扇等；線性負(fù)載主要指純阻性負(fù)載，如電爐、電熱杯、熱得快、電熱毯、飲水機(jī)、白熾燈等。

這幾類(lèi)負(fù)載的特點(diǎn)如下：

容性負(fù)載接入線路后，電壓波形是正弦波，但電流波形已畸變?yōu)椴灰?guī)則正弦波，接近脈沖波；含有大量諧波，其中3、5次諧波幅度較大，其它諧波幅度較小。

感性負(fù)載接入線路后，電流與電壓頻率相同，但滯后電壓一個(gè)相角，波形近似正弦波，3次諧波幅度很小，其它諧波幅度近似為零。

阻性負(fù)載接入線路后，功率因素達(dá)到0.99以上，各次諧波都較小。

1.2惡性負(fù)載的定義及識(shí)別的意義

惡性負(fù)載是指將大量電能轉(zhuǎn)為熱能，易引發(fā)火災(zāi)安全事故、違章使用的大功率電器。惡性負(fù)載近似純阻性。特點(diǎn)是電壓電流波形相同、電壓電流相位相同、功率因素接近于1。

在多種負(fù)載混合使用時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行識(shí)別并非易事。集體宿舍人員密集，負(fù)載種類(lèi)多，用電管理復(fù)雜，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)用電管理和用電安全有十分重要的意義。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以ARM為核心的高性能微處理器在智能電能表中的應(yīng)用，可在完成計(jì)量功能的同時(shí)，增加負(fù)載識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)安全用電管理。

1.3常用負(fù)載識(shí)別方法

通過(guò)對(duì)負(fù)載電參數(shù)的分析，可通過(guò)時(shí)域法和頻域法來(lái)識(shí)別負(fù)載。主要有總功率閾值法、瞬時(shí)功率增加法、功率因素法、波形比較法等、面積關(guān)系法、諧波分析法、小波變換識(shí)別法、神經(jīng)無(wú)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法、小波變換和人工神經(jīng)無(wú)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合法等。

總功率閾值法，通過(guò)設(shè)定總有功功率閾值，當(dāng)用電負(fù)荷超限時(shí)，可判定為惡性負(fù)載。這是一種較常用的方法，可初步實(shí)現(xiàn)惡性負(fù)載的識(shí)別。

瞬時(shí)功率增加法，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載的功率來(lái)識(shí)別惡性負(fù)載。當(dāng)檢測(cè)到線路的瞬時(shí)功率突然大幅增加時(shí)，可判定線路中啟用了大功率負(fù)載。缺點(diǎn)是在投入大功率非線性負(fù)載時(shí)，也會(huì)引起功率增加，會(huì)造成誤判。

功率因素法，通過(guò)測(cè)量負(fù)載的功率因素來(lái)識(shí)別負(fù)載，純阻性負(fù)載，其功率因素很高，接近1；非線性負(fù)載的功率因素介于0到1之間，由此可識(shí)別線路中的負(fù)載狀況。

諧波分析法，是利用線路中接入阻性負(fù)載時(shí)，功率增加，諧波分量基本不變。因此，在檢測(cè)到功率增加后，對(duì)電流諧波進(jìn)行分析，若諧波分量基本沒(méi)變，則判定為阻性負(fù)載。缺點(diǎn)是當(dāng)投入的負(fù)載電流諧波與電腦等非性線負(fù)載相似時(shí)，難以識(shí)別負(fù)載是否為違規(guī)負(fù)載。

其它幾種識(shí)別法，由于軟硬件資源的限制，沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試，在此不做討論。

2 正確識(shí)別惡性負(fù)載的流程

由于惡性負(fù)載都是線性大功率負(fù)載，因此，首先要檢測(cè)總功率，其次識(shí)別線性與非線性負(fù)載，然后區(qū)分非線性負(fù)載是正常負(fù)載還是串接防限電裝置的違規(guī)負(fù)載。流程如下：

第一步、采用總功率閾值法，通過(guò)設(shè)定允許使用電器功率閾值或設(shè)定線路電流閾值，總體上限制大功率負(fù)載的使用。

第二步、采用瞬時(shí)功率增加法，定時(shí)檢測(cè)線路總有功功率，并與歷史總功率比較，如果功率差值較小，沒(méi)有超過(guò)新增功率閾值，說(shuō)明沒(méi)有新的大功率負(fù)載投入使用，認(rèn)為是正常負(fù)載，新的總有功功率可保存為歷史負(fù)載；如功率差值較大，超過(guò)新增功率閾值，說(shuō)明有大功率負(fù)載投入使用，需進(jìn)一步判斷是否有違規(guī)負(fù)載投入使用。

第三步、采用功率因素法，對(duì)瞬時(shí)功率增加法檢測(cè)到的超閾值用電負(fù)載，可通過(guò)功率因素判斷，如新增負(fù)載功率因素大于0.998，可判定為惡性負(fù)載；如功率因素小于0.998，說(shuō)明是非線性負(fù)載，需進(jìn)一步分析。

第四步、采用諧波分析法，通過(guò)分析上述負(fù)載電流信號(hào)的諧波分量，確認(rèn)是非線性負(fù)載,還是違規(guī)負(fù)載。

第五步、當(dāng)檢測(cè)三次違規(guī)用電時(shí)，電能表不再自動(dòng)復(fù)電，必須人工干預(yù)，通過(guò)智能用電管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制復(fù)電；及時(shí)發(fā)現(xiàn)違規(guī)用電的位置，實(shí)行重點(diǎn)監(jiān)控，防止事故的發(fā)生。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

3.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2分析

上表是對(duì)一些常用電器的測(cè)試數(shù)據(jù)，由于同類(lèi)也有不同的品牌,這些數(shù)據(jù)可能不一定有代表性。從測(cè)試數(shù)據(jù)可知：電阻性負(fù)載功率因素大于0.998接近1,且諧波較小；非線性負(fù)載功率因素都小于0.998,且諧波較大,與前面的分析結(jié)果一致。

4 防限電裝置工作原理、種類(lèi)及識(shí)別

防限電裝置的工作原理是把與其串接的阻性負(fù)載偽裝成非線性負(fù)載，把阻性負(fù)載的輸入電流正弦波畸變?yōu)槊}沖波，增加負(fù)載識(shí)別系統(tǒng)產(chǎn)生誤判的機(jī)率。常見(jiàn)的有防限電插座、插排等。

一種方法是半波整流型。實(shí)際上是在阻性負(fù)載和電源間串一只功率二極管，構(gòu)成半波整流電路，輸出類(lèi)似于脈沖波的波形。因不能控制負(fù)載的使用功率，在負(fù)載功率較大時(shí)，可用瞬時(shí)功率增加法識(shí)別，另外，這類(lèi)負(fù)載的電流含有豐富的諧波，也可用諧波分析法識(shí)別。

另一種方法是雙向可控硅整流型。通過(guò)調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，從而使電流與電壓波形產(chǎn)生相移，把阻性負(fù)載電流波形畸變?yōu)榉钦也?；由于這類(lèi)裝置可控制負(fù)載的使用功率，這類(lèi)負(fù)載很難識(shí)別，可采用總功率閾值法識(shí)別。

5 結(jié)語(yǔ)

在筆者設(shè)計(jì)智能電表過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)每一種識(shí)別方法都有一定的局限性，通過(guò)把幾種方法結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，分別進(jìn)行識(shí)別判斷，相互補(bǔ)充，可達(dá)到相當(dāng)高的識(shí)別精度。經(jīng)用戶實(shí)際使用，能滿足用戶使用要求，達(dá)到較好的使用效果。