迮靜強
【摘要】本文討論了常用電器的分類及電參數(shù)特性;惡性負載的定義;介紹了防限電裝置的原理和種類;介紹了目前流行的幾種惡性負載識別方法;重點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載檢測方法;及利用這幾種識別方法實現(xiàn)負載識別的流程。同時,提及用電管理方面的內(nèi)容。
【關(guān)鍵詞】電能表;惡性負載;負載識別;用電管理
引言
隨著民用用電設(shè)備的種類不斷增加,用電環(huán)境日益復(fù)雜,對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,特別違章使用熱得快、電吹風、電爐等大功率發(fā)熱性負載,更易造成的重大事故的發(fā)生。為了杜絕此類事故的發(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,增加負載識別功能,實現(xiàn)用電管理,達到安全用電的目的。負載識別的目的就是要確保計算機、電視機等電器不加限制地正常使用;識別出大功率發(fā)熱,存在安全隱患的電器,加以限制,禁止使用。
1負載識別原理和方法
1.1電器負載的種類及特點
電器負載原則上分為線性負載和非線性負載二種,非線性負載又可分為容性負載和感性負載。常用的容性負載有計算機、充電器、節(jié)能燈等;感性負載有電感整流器日光燈,電風扇等;線性負載主要指純阻性負載,如電爐、電熱杯、熱得快、電熱毯、飲水機、白熾燈等。
這幾類負載的特點如下:
容性負載接入線路后,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。
感性負載接入線路后,電流與電壓頻率相同,但滯后電壓一個相角,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。
阻性負載接入線路后,功率因素達到0.99以上,各次諧波都較小。
1.2惡性負載的定義及識別的意義
惡性負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。惡性負載近似純阻性。特點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。
在多種負載混合使用時,要對其進行識別并非易事。集體宿舍人員密集,負載種類多,用電管理復(fù)雜,在確保正常用電的情況下,實現(xiàn)惡性負載的識別,對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,可在完成計量功能的同時,增加負載識別功能,實現(xiàn)安全用電管理。
1.3常用負載識別方法
通過對負載電參數(shù)的分析,可通過時域法和頻域法來識別負載。主要有總功率閾值法、瞬時功率增加法、功率因素法、波形比較法等、面積關(guān)系法、諧波分析法、小波變換識別法、神經(jīng)無網(wǎng)絡(luò)識別法、小波變換和人工神經(jīng)無網(wǎng)絡(luò)結(jié)合法等。
總功率閾值法,通過設(shè)定總有功功率閾值,當用電負荷超限時,可判定為惡性負載。這是一種較常用的方法,可初步實現(xiàn)惡性負載的識別。
瞬時功率增加法,通過檢測負載的功率來識別惡性負載。當檢測到線路的瞬時功率突然大幅增加時,可判定線路中啟用了大功率負載。缺點是在投入大功率非線性負載時,也會引起功率增加,會造成誤判。
功率因素法,通過測量負載的功率因素來識別負載,純阻性負載,其功率因素很高,接近1;非線性負載的功率因素介于0到1之間,由此可識別線路中的負載狀況。
諧波分析法,是利用線路中接入阻性負載時,功率增加,諧波分量基本不變。因此,在檢測到功率增加后,對電流諧波進行分析,若諧波分量基本沒變,則判定為阻性負載。缺點是當投入的負載電流諧波與電腦等非性線負載相似時,難以識別負載是否為違規(guī)負載。
其它幾種識別法,由于軟硬件資源的限制,沒有進行測試,在此不做討論。
2正確識別惡性負載的流程
由于惡性負載都是線性大功率負載,因此,首先要檢測總功率,其次識別線性與非線性負載,然后區(qū)分非線性負載是正常負載還是串接防限電裝置的違規(guī)負載。流程如下:
第一步、采用總功率閾值法,通過設(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載的使用。
第二步、采用瞬時功率增加法,定時檢測線路總有功功率,并與歷史總功率比較,如果功率差值較小,沒有超過新增功率閾值,說明沒有新的大功率負載投入使用,認為是正常負載,新的總有功功率可保存為歷史負載;如功率差值較大,超過新增功率閾值,說明有大功率負載投入使用,需進一步判斷是否有違規(guī)負載投入使用。
第三步、采用功率因素法,對瞬時功率增加法檢測到的超閾值用電負載,可通過功率因素判斷,如新增負載功率因素大于0.998,可判定為惡性負載;如功率因素小于0.998,說明是非線性負載,需進一步分析。
第四步、采用諧波分析法,通過分析上述負載電流信號的諧波分量,確認是非線性負載,還是違規(guī)負載。
第五步、當檢測三次違規(guī)用電時,電能表不再自動復(fù)電,必須人工干預(yù),通過智能用電管理系統(tǒng)遠程控制復(fù)電;及時發(fā)現(xiàn)違規(guī)用電的位置,實行重點監(jiān)控,防止事故的發(fā)生。
3實驗測試分析
3.1實驗測試數(shù)據(jù)
3.2分析
上表是對一些常用電器的測試數(shù)據(jù),由于同類也有不同的品牌,這些數(shù)據(jù)可能不一定有代表性。從測試數(shù)據(jù)可知:電阻性負載功率因素大于0.998接近1,且諧波較小;非線性負載功率因素都小于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、種類及識別
防限電裝置的工作原理是把與其串接的阻性負載偽裝成非線性負載,把阻性負載的輸入電流正弦波畸變?yōu)槊}沖波,增加負載識別系統(tǒng)產(chǎn)生誤判的機率。常見的有防限電插座、插排等。
一種方法是半波整流型。實際上是在阻性負載和電源間串一只功率二極管,構(gòu)成半波整流電路,輸出類似于脈沖波的波形。因不能控制負載的使用功率,在負載功率較大時,可用瞬時功率增加法識別,另外,這類負載的電流含有豐富的諧波,也可用諧波分析法識別。
另一種方法是雙向可控硅整流型。通過調(diào)節(jié)可控硅的導通角,從而使電流與電壓波形產(chǎn)生相移,把阻性負載電流波形畸變?yōu)榉钦也?;由于這類裝置可控制負載的使用功率,這類負載很難識別,可采用總功率閾值法識別。
5結(jié)語
在筆者設(shè)計智能電表過程中,發(fā)現(xiàn)每一種識別方法都有一定的局限性,通過把幾種方法結(jié)合起來運用,分別進行識別判斷,相互補充,可達到相當高的識別精度。經(jīng)用戶實際使用,能滿足用戶使用要求,達到較好的使用效果。