浅析智能电表恶性负载识别

迮静强

【摘要】本文讨论了常用电器的分类及电参数特性；恶性负载的定义；介绍了防限电装置的原理和种类；介绍了目前流行的几种恶性负载识别方法；重点介绍了总功率阈值设定法、增量有功和功率因素分析法、谐波分析法等几种恶性负载检测方法；及利用这几种识别方法实现负载识别的流程。同时，提及用电管理方面的内容。

【关键词】电能表；恶性负载；负载识别；用电管理

引言

随着民用用电设备的种类不断增加，用电环境日益复杂，对用电管理也提出了更高要求。大部份火灾，是由于使用电器不当，特别违章使用热得快、电吹风、电炉等大功率发热性负载，更易造成的重大事故的发生。为了杜绝此类事故的发生，确保正常用电的情况下，限制这些大功率电器的使用，保障人员安全。在智能电能表中，增加负载识别功能，实现用电管理，达到安全用电的目的。负载识别的目的就是要确保计算机、电视机等电器不加限制地正常使用；识别出大功率发热，存在安全隐患的电器，加以限制，禁止使用。

1负载识别原理和方法

1.1电器负载的种类及特点

电器负载原则上分为线性负载和非线性负载二种，非线性负载又可分为容性负载和感性负载。常用的容性负载有计算机、充电器、节能灯等；感性负载有电感整流器日光灯，电风扇等；线性负载主要指纯阻性负载，如电炉、电热杯、热得快、电热毯、饮水机、白炽灯等。

这几类负载的特点如下：

容性负载接入线路后，电压波形是正弦波，但电流波形已畸变为不规则正弦波，接近脉冲波；含有大量谐波，其中3、5次谐波幅度较大，其它谐波幅度较小。

感性负载接入线路后，电流与电压频率相同，但滞后电压一个相角，波形近似正弦波，3次谐波幅度很小，其它谐波幅度近似为零。

阻性负载接入线路后，功率因素达到0.99以上，各次谐波都较小。

1.2恶性负载的定义及识别的意义

恶性负载是指将大量电能转为热能，易引发火灾安全事故、违章使用的大功率电器。恶性负载近似纯阻性。特点是电压电流波形相同、电压电流相位相同、功率因素接近于1。

在多种负载混合使用时，要对其进行识别并非易事。集体宿舍人员密集，负载种类多，用电管理复杂，在确保正常用电的情况下，实现恶性负载的识别，对用电管理和用电安全有十分重要的意义。

随着电子技术的发展，以ARM为核心的高性能微处理器在智能电能表中的应用，可在完成计量功能的同时，增加负载识别功能，实现安全用电管理。

1.3常用负载识别方法

通过对负载电参数的分析，可通过时域法和频域法来识别负载。主要有总功率阈值法、瞬时功率增加法、功率因素法、波形比较法等、面积关系法、谐波分析法、小波变换识别法、神经无网络识别法、小波变换和人工神经无网络结合法等。

总功率阈值法，通过设定总有功功率阈值，当用电负荷超限时，可判定为恶性负载。这是一种较常用的方法，可初步实现恶性负载的识别。

瞬时功率增加法，通过检测负载的功率来识别恶性负载。当检测到线路的瞬时功率突然大幅增加时，可判定线路中启用了大功率负载。缺点是在投入大功率非线性负载时，也会引起功率增加，会造成误判。

功率因素法，通过测量负载的功率因素来识别负载，纯阻性负载，其功率因素很高，接近1；非线性负载的功率因素介于0到1之间，由此可识别线路中的负载状况。

谐波分析法，是利用线路中接入阻性负载时，功率增加，谐波分量基本不变。因此，在检测到功率增加后，对电流谐波进行分析，若谐波分量基本没变，则判定为阻性负载。缺点是当投入的负载电流谐波与电脑等非性线负载相似时，难以识别负载是否为违规负载。

其它几种识别法，由于软硬件资源的限制，没有进行测试，在此不做讨论。

2正确识别恶性负载的流程

由于恶性负载都是线性大功率负载，因此，首先要检测总功率，其次识别线性与非线性负载，然后区分非线性负载是正常负载还是串接防限电装置的违规负载。流程如下：

第一步、采用总功率阈值法，通过设定允许使用电器功率阈值或设定线路电流阈值，总体上限制大功率负载的使用。

第二步、采用瞬时功率增加法，定时检测线路总有功功率，并与历史总功率比较，如果功率差值较小，没有超过新增功率阈值，说明没有新的大功率负载投入使用，认为是正常负载，新的总有功功率可保存为歷史负载；如功率差值较大，超过新增功率阈值，说明有大功率负载投入使用，需进一步判断是否有违规负载投入使用。

第三步、采用功率因素法，对瞬时功率增加法检测到的超阈值用电负载，可通过功率因素判断，如新增负载功率因素大于0.998，可判定为恶性负载；如功率因素小于0.998，说明是非线性负载，需进一步分析。

第四步、采用谐波分析法，通过分析上述负载电流信号的谐波分量，确认是非线性负载，还是违规负载。

第五步、当检测三次违规用电时，电能表不再自动复电，必须人工干预，通过智能用电管理系统远程控制复电；及时发现违规用电的位置，实行重点监控，防止事故的发生。

3实验测试分析

3.1实验测试数据

3.2分析

上表是对一些常用电器的测试数据，由于同类也有不同的品牌，这些数据可能不一定有代表性。从测试数据可知：电阻性负载功率因素大于0.998接近1，且谐波较小；非线性负载功率因素都小于0.998，且谐波较大，与前面的分析结果一致。

4防限电装置工作原理、种类及识别

防限电装置的工作原理是把与其串接的阻性负载伪装成非线性负载，把阻性负载的输入电流正弦波畸变为脉冲波，增加负载识别系统产生误判的机率。常见的有防限电插座、插排等。

一种方法是半波整流型。实际上是在阻性负载和电源间串一只功率二极管，构成半波整流电路，输出类似于脉冲波的波形。因不能控制负载的使用功率，在负载功率较大时，可用瞬时功率增加法识别，另外，这类负载的电流含有丰富的谐波，也可用谐波分析法识别。

另一种方法是双向可控硅整流型。通过调节可控硅的导通角，从而使电流与电压波形产生相移，把阻性负载电流波形畸变为非正弦波；由于这类装置可控制负载的使用功率，这类负载很难识别，可采用总功率阈值法识别。

5结语

在笔者设计智能电表过程中，发现每一种识别方法都有一定的局限性，通过把几种方法结合起来运用，分别进行识别判断，相互补充，可达到相当高的识别精度。经用户实际使用，能满足用户使用要求，达到较好的使用效果。