负载识别控制器的设计

龙吉

摘 要：负载识别是电力管理系统中安全用电的一种检测技术，为了减轻管理者的劳动力，本文提出一种识别用户负载类型的控制器，系统介绍了这种控制器的硬件电路和软件系统，通过实际测试发现，这种控制器能够识别违规用电器，并且按照控制参数限制用户某些功率或者负载类型的使用，具有工作稳定、性价比较高的特点。

关键词：负载识别；控制器；设计

早期的民用用电负载类型大多都是电阻性负载，如白炽灯、电炉子、电热锅等，后期随着电力电子技术的发展，非线性负载越来越多，如开关电源、计算机、充电器等。但是由于大功率的电阻性负载极容易出现故障造成短路事故引起火灾，所以很多企事业单位、学生公寓、酒店等场所将某些电阻性负载列为违规用电器并限制使用。而检查这类用电器是用电管理者繁重的工作量，故设计一种能够识别违规用电器的控制器能够减轻用电管理者的工作量，杜绝用户违章使用违规用电器，有效防止火灾发生，保证用户的生命财产安全。

1 控制器结构及工作原理

负载识别要从两个方面来实现，首先具备检测负载参数的硬件条件，其次要运行准确的软件算法，这样负载类型才能精确可靠的被识别出来。那么负载识别控制器的结构包含微控制器（或微处理器）、电流检测电路、电压检测电路、A/D转换电路、相位差检测电路和控制输出等电路。 检测负载电流及电压是分析负载类型的基础，通过运行某些算法能够精确的分析出负载类型，如目前较为常见如离散傅里叶变换（DFT）、谐波分析、小波分析等方法，这些方法都比传统的功率因数法、瞬时功率增加法、波形比较法更为精确和可靠，并且具备很强的防破解能力，本文所介绍的负载识别控制器基于上面介绍的硬件条件外，采用小波分析法进行分析，使得控制器具有很强的识别能力和防破解能力。

2 硬件电路设计

硬件电路主要包含微控制器最小系统、电压及电流检测电路、A/D转换电路、控制输出电路，为了更好的实现人机交互，增加了按键电路和RS232通信电路。下面介绍一下较为重要的硬件电路。

2.1 微控制器最小系统 由于需要运行小波分析算法，必然涉及到复杂的浮点运算。为了保证系统实时性，需要选择一款性能强劲外设丰富的微控制器，如果运算量较大，这个微控制器可能需要经过论证后使用数字信号处理器（DSP），所以本设计为了节约成本提升性价比，选择意法半导体公司的STM32F407微处理，这款有较强的性能之外（ARM Cortex-M4架構），为了增强浮点运算功能，内部还具有浮点运算单元（FPU），在开启FPU的情况下，浮点运算性能大大提高，再配合STM32的库函数中的DSP库的支持，性能尤为突出。

2.2 电流及电压检测电路 电流检测电路主要由电流互感器、放大器和滤波电路组成，电流互感器基于变压器原理，有效的将一次侧的大电流隔离开来并进行测量，但是由于输出信号微弱，需要经过运算放大器构成的放大电路进行放大处理，然后经过低频信号滤波器（本设计采用二阶巴特沃斯滤波器，截止频率25Hz）滤波后送入A/D转换电路。

电压检测电路通过电阻分压原理，虽然不如互感器能够有效隔离一次侧的大容量交流电，但是具有通过纯电阻性负载，输出信号相位无变化，电路实现简单成本较低等优点。同样原理，电压检测信号也经过滤波处理后送入A/D转换电路。

2.3 A/D转换电路 为了更加精确的得到负载波形，为分析波形做基础，本设计采用性能优异的德州仪器公司（TI）的A/D转换器ADC16DX370，ADC16DX370是16位双通道高性能A/D转换器，能够以370MSPS的采样率将模拟信号转换为16位数字信号，特别是内部集成了输入缓冲器消除了内部开关电容采样电路的电荷回馈噪声，增加了低噪声电压基准，大大简化电路设计复杂程度。

3 软件程序设计

在信号分析中，采用傅里叶分析方法具有很大优势，特别是在时域信号分析过程中，采用快速傅里叶（FFT）和离散傅里叶（DFT）具有很高的精度和实时性，而傅里叶分析法却无法准确的分析变化较快且加窗函数的波形，甚至两个波形在某个时域范围内有很大差别，在某个特定的观察周期内，傅里叶分析法分析出的结论是一致的。而与之不同的是，小波分析是将波形信号层层分离进行分析，具有较强的自适应性和分析性能，有“数学显微镜”之称。

其中ψ（t）为一个小波基，如果小波基无穷多组，那么小波函数可以有无穷多个。所以选取不同的小波基会有不同的分析结果，小波分析有很多种小波函数，如Haar小波、Daubechies（dbN）小波、Morlet小波、Meyer小波等，本设计中为了保证小波分析的频域内具有较好的支撑特性和便于设计滤波器等特点，选用Meyer小波，方便移植到微控制器中运算，采用离散Meyer小波，即DMeyer小波。

由于采用小波分析，那么电压检测信号变得可有可无，但是由于需要对负载其他参数进行监测和控制，电压检测保留作为用户参考数据。而电流检测采用互感器进行采集，并通过放大电路和滤波电路进行处理，这样，通过对相位差的计算，相位差在2.045°左右，那么必须要采取补偿措施，本设计中在软件中加入相位补偿算法，通过实时检测进行补偿可以达到0.2级的标准。

4 结论

在使用STM32F407微控制器运行DMeyer小波分析之前，仍需要使用Matlab对DMeyer小波的参数进行论证，如小波分层等设置，然后选择一个适合的参数进行移植，本设计中分析5层小波能量，效果较好。但是随着目前市面上的防限电装置的改进，增加了识别难度，所以仍需对小波的分解层数进行论证和实验以达到准确识别的目的。

参考文献：

[1]刘宁宁.小波分析在负载识别中的应用[J].河北省科学院学报，2004，21（1）：8-12.

[2]冯洁.基于小波神经网络的负载类型识别[J].电气技术，2008（2）：47-49.