胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 

摘要：用電管理問(wèn)題一直是高校后勤管理的要點(diǎn)。本文在研究宿舍用電管理系統的惡性負載識別技術(shù)的基礎上，分析目前惡性負載的識別形式和方法，并進(jìn)行實(shí)驗分析，后引入安科瑞預付費云平臺技術(shù)，提出具體的應對策略解決宿舍用電問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：宿舍用電；惡性負載識別技術(shù)；用電管理系統

0 引言

在時(shí)代的不斷進(jìn)步下，智能化設備普及范圍得以擴大，宿舍用電電器的種類(lèi)也在明顯增加，傳統用電管理模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足宿舍用電需要。能夠實(shí)現學(xué)生宿舍和超市等人口密集區域實(shí)現智能化和模塊化管理，這也就對用電安全管理提出的新的要求。

1宿舍用電管理系統惡性負載的識別意義

學(xué)生公寓人員密集和用電管理復雜等現象明顯，能夠在保障正常用電的基礎上進(jìn)行惡性負載識別，對公寓用電管理及用電安全都存在著(zhù)積極意義。電子技術(shù)的發(fā)展可以促使全電子式智能計量系統成為現實(shí)，但這些智能電表不具有惡性負載識別的功能。雖然這些智能用電管理系統具有負載識別的功能，但其所具有的檢測精度遠遠沒(méi)有能夠達到令人滿(mǎn)意的程度，也就無(wú)法滿(mǎn)足工程需要，這就使得對惡性負載的準確識別仍然需要進(jìn)一步研究。

2惡性負載識別形式

2.1總功率限定法

總功率限定法的原理是宿舍的用電量使得宿舍用電負荷超過(guò)限定值的時(shí)候，MCU發(fā)出斷電命令后，就能夠中斷宿舍供電。一般的學(xué)生公寓智能管理系統利用這一方式控制宿舍的用電負荷，識別惡性負載。在學(xué)生公寓用電功率被限制在限定值以下的時(shí)候，MCU在對公寓的電壓和電流采樣和計算之后可以得到其功率，然后準確判定功率是否超出限定值。

2.2瞬時(shí)功率增加法

瞬時(shí)功率增加法也屬于應用比較廣泛的方式，其在實(shí)時(shí)測量電路功率的基礎上識別惡性負載，瞬時(shí)功率增加法的基本原理是檢測當前電路中的功率之后對功率值及時(shí)存儲記錄處理，在檢測到某一個(gè)時(shí)刻的功率出現大幅度增加的時(shí)候，也就能夠得出電路中啟動(dòng)了大功率負載。

2.3波形比較法

在硬件電路的基礎上對負載啟動(dòng)前和啟動(dòng)后的電壓和電流實(shí)施模數轉換和采樣，然后對負載啟動(dòng)前后的電流波形相減，然后可以得出電流的差值波形，在差值波形乘上適當的比例因子之后的其峰值需要等于電壓波形峰值，通過(guò)計算差值波形與電壓波形圍成的面積實(shí)現負載識別的目標。如果差值的面積接近于零，則其存在著(zhù)惡性負載接入的現象，否則無(wú)惡性負載接入。

波形比較法的軟件電路和硬件電路設計的時(shí)候都比較復雜，負載啟動(dòng)前后出現的波形測量起點(diǎn)要能夠確保在不同周期的同一個(gè)時(shí)刻同時(shí)進(jìn)行，否則識別并不可靠。從工程方面出發(fā)，在電路中出現毛刺干擾的時(shí)候，面積差也會(huì )出現較大變化，從而造成識別結果錯誤。

2.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )識別法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法實(shí)現負載識別需要首先能夠將采集得到的電壓和電流信號實(shí)施A/D轉換，利用傅立葉變換或小波分析等方法進(jìn)行特征數值提取，將提取的數值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸入，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)對輸出結果的分析可以最終識別惡性負載。目前在負載識別中使用比較多的為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構為：輸入層5個(gè)神經(jīng)元和隱層11個(gè)神經(jīng)元及輸出層1個(gè)神經(jīng)元。這樣設計的神經(jīng)元結構對惡性負載識別的時(shí)候，在對網(wǎng)絡(luò )輸出結果和期望輸出作線(xiàn)性回歸能夠得出的相關(guān)系數為0.994。這種方法可以在對計算機負載的間接識別的基礎上識別惡性負載。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法對惡性負載的識別準確程度比較高，但是需要大量的樣本和訓練，在建網(wǎng)的時(shí)候沒(méi)有可以遵循的規律，其實(shí)際過(guò)程中的通用性需要進(jìn)一步考證。

3惡性負載檢測系統總體設計

惡性負載檢測系統由電流檢測模塊和AD轉換模塊及單片機處理模塊等共同構成的，電流檢測模塊主要是在進(jìn)行電流回路中的電流經(jīng)電流互感器采樣之后，使得其轉化為電壓，隨后整流濾波。A/D轉換模塊是對之前所具有的電壓信號采樣處理，將采集到的信號傳輸到單片機中，然后經(jīng)過(guò)單片機對采得的信號處理后加以判斷。由于學(xué)生宿舍的大部分電器都不屬于大功率電器，因此能夠正常的工作，只有在單個(gè)的接入功率超出設定數值的時(shí)候才可以識別惡性負載。而如果檢測為惡性負載也不會(huì )馬上就斷電，因為可能是電網(wǎng)中的干擾或小功率電器產(chǎn)生的過(guò)沖，只有多次檢測之后才可以使得控制繼電器斷開(kāi)，對回路供電切斷處理，而如果需要手動(dòng)恢復供電，就需要按下復位按鈕。其系統結構框圖如圖1。

圖1

4惡性負載識別程序

惡性負載識別系統可以利用RN8302內部波形存儲單元實(shí)現FFT處理，其緩存區包含著(zhù)768個(gè)地址單元，編址顯示為200H-4FFH，每一個(gè)地址的單元字長(cháng)為3字節，其中可以存放一個(gè)ADC數據，可以存儲6路ADC128個(gè)點(diǎn)采樣數據。采樣數據在緩存控制寄存器中為單字節寄存器，這一寄存器控制各通道ADC數據是否可以進(jìn)行緩存，也決定緩存區的排列順序及波形采樣率。在向這一寄存器寫(xiě)入0X22H的時(shí)候，將RN8302設置為固定采樣模式，其采樣速率主要是6.4KHz。系統根據BUFCFG[3:0]寄存器配置比例啟動(dòng)波形數據寫(xiě)緩存區，寄存器主要是位于WSAV-ECON的4位，這一寄存器對各通道ADC數據是否緩存存在著(zhù)決定影響。       惡性負載識別算法要對電流數據實(shí)施采樣，在進(jìn)行BUFCFG配置的時(shí)候，需要啟動(dòng)IA及IB和IC采樣。本文算法包含著(zhù)兩個(gè)方面的內容，首先一部分是基于面積和相位的惡性負載算法，系統能夠明確檢測到電流波形的跳變情況，如果出現波形跳變，則使用面積法進(jìn)行線(xiàn)性負載功率提取處理，而如果不存在波形跳變的現象，使用相位法進(jìn)行用電器是否為阻性負載判斷，兩者都需要設置功率閾值，在超出閾值的時(shí)候會(huì )出現系統控制繼電器進(jìn)行斷電。另一部分算法為加窗基2FFT惡性負載算法，是在特征矩陣中包含著(zhù)宿舍日常用電器的奇次諧波分量，系統也要能夠及時(shí)對電路中用電器采樣分析，隨后得出具體的特征分量，將其和特征矩陣的數據對比，如果特征矩陣包含著(zhù)這一類(lèi)數據，系統控制繼電器也就會(huì )自行斷電。

5實(shí)驗分析

根據惡性負載識別測試的結果得出宿舍用電管理終端能夠快速對學(xué)生接入宿舍回路的惡性負載進(jìn)行識別，得出分閘的相關(guān)指令，充分實(shí)現不同時(shí)間段的控制和負載控制及預付費控制等相關(guān)的邏輯控制，有效對宿舍實(shí)施用電監控處理。

6安科瑞宿舍預付費管控云平臺介紹

6.1系統方案

當下智慧校園、平安校園的建設越來(lái)越普及，作為智慧校園建設的重要一環(huán)，學(xué)生宿舍的用電預付費和用電安全管理措施是。學(xué)生宿舍預付費電控系統可以解決使用傳統電表人工抄表費時(shí)費力，不方便統計管理和 充值的弊端，更是為學(xué)生宿舍的用電安全也提供了解決方案，消除由于使用惡性負載引起的火災隱患。系統為B/S架構，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù)，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶(hù)計量箱ADF300L系列，實(shí)現電能計量和電費管理等功能。

6.2系統功能

預付費管理控制：支持預付費功能?？稍O置基礎金額，供免費使用；可對剩余金額進(jìn)行四級報警：余額不足報警（一極）、預跳閘報警（二級）、欠費報警（三級）、達到賒欠上限（四級）報警。每級報警都會(huì )導致電表背光常亮，預跳閘報警 跳閘方式可設置為不跳閘、跳閘后自動(dòng)合閘以及跳閘后不合閘等，跳閘后可通過(guò)按鍵自行合閘，達到賒欠上限后電表跳閘，此時(shí)只有繳費后才能繼續合閘使用。

時(shí)間管理控制：支持時(shí)間管理控制。L1、L2、L3可分別設置為工作日和節假日模式，每天可設置8個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段可分別設置為合閘狀態(tài)或夜間模式，合閘時(shí)間段內電表保持合閘，夜間時(shí)間段內，支路功率若大于夜間允許功率 上限便跳閘。

負載管理控制：支持豐富的負載管理控制，具體工作功能如下：

電流上限限制：限制支路大電流，支路電流超過(guò)設定值時(shí)，支路跳閘。

負載總功率限制：限制支路用電功率，支路功率超過(guò)設定值時(shí)，支路跳閘。

夜間功率限制：需要與時(shí)間管理控制共同使用，在夜間模式下，支路電流超過(guò)設定值，支路跳閘

惡性負載識別：限制支路接入未定義的惡性負載，當支路接入未經(jīng)允許的惡性負載時(shí)，支路跳閘。

負載白名單識別：允許已定義的具有惡性負載特征的負載正常使用（如飲水機等）。

空調模式：空調模式下，電表持續檢測空調微弱待機電流，一但存在拔斷空調插座的動(dòng)作，電表便跳閘，且只能通過(guò)聯(lián)系管理人員進(jìn)行合閘送電。允許除空調模式以外的跳閘動(dòng)作自動(dòng)合閘。允許次數，跳閘等待時(shí)間可設置。

6.3產(chǎn)品選型

7結束語(yǔ) 

隨著(zhù)當前社會(huì )生活中用電場(chǎng)景逐漸具有復雜多樣的特點(diǎn)，而傳統的用電管理模式功率限定法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當前日常用電的需要，這就需要在關(guān)注用電負載特性的基礎上明確得出當前惡性負載算法方面的局限性，結合宿舍用電管理的需要，注重分析用電負載特性和現有的惡性負載算法現狀，從而得出新的惡性負載識別算法。實(shí)際中使用比較多的方式包含著(zhù)總功率限定法及瞬時(shí)功率增加法和功率因數法等方式，而每種方式在負載識別的時(shí)候都具有一定局限性，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際識別的需要，且各自具有自身的局限性，這就需要明確基于負載內在規律的和通用的方法，促使負載識別的效果更加顯著(zhù)，在惡性負載識別系統優(yōu)化的過(guò)程中，能夠更好地達到比較經(jīng)濟理想的效果。

【參考文獻】

[1] 潘萬(wàn)林.宿舍用電管理系統的惡性負載識別技術(shù)及其算法.電子技術(shù)與軟件工程. 2020-04-15.期刊

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[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06