用电器分析监测装置

周心源

摘要

本系统由主回路模块和用电器分析监测装置模块组成。用电器分析监测装模块中以STM32作为主控，主回路模块用于将监测装置的取电和监测进行隔离。本装置可以通过学习模式来记录各种用电器的接入;能够识别学习后的用电器种类并显示其电气参数。通过AD采样将电器插电后的电流信号变为离散序列，计算序列的FFT变换得到信号的频谱，再通过CS5460测出电器的功率、电流等电气特征的值。其中，需要通过电流互感器、电压互感器等对原始的电压、电流进行减小和转换，并且对于相差较大的电流信号需要选择不同的测量通道，再将频谱和电器特征值进行记录。系统通过计算待测电器信号的频谱以及测量电气特征值，并与已记录的模板进行匹配，从而判定电器类别，并实时显示电器类别、状态、电流。

【关键词】FFT变换 电气特征 STM32 CS5460

1 系统方案

本系统主要由主回路模块和用电器分析监测装置模块组成。其中，用电器分析监测装置模块中通过STM32单片机控制工作模式设置、用电器类别及状态分析、结果显示等，主回路模块用于将监测装置的取电和监测隔离。系统主框架如图1所示。

我们采用分析用电器频率响应的方法作为区分不同用电器的一个度量。在学习模式下，记录并存储不同电器插电后瞬间信号的频谱，从而在分析监测模式下，通过比较待测电器插电后信号的频谱与已记录的各电器的频谱，识别出电器种类等。FFT算法通过蝶形运算将DFT从4N²次实数乘法及N（4N-2）次实数加法精简至次复数乘法和Nlog₂N次复数加法，故可借助FFT算法快速分析信号的频谱。此方法借助频谱，容易区别出较多电器设备，但是由于DFT频谱分析的精确度随着采样点数的增加以及数据的位数增加等而提高，故在单片机的存储空间和运算速度有限的情况下，仅借助该方法会存在一定程度上的误差。

不同的电器具有不同的工作功率、工作电流等电气特征，可以通过比较这些特征将不同的电器设备加以区别。将频谱分析和电气特征进行结合，分别赋予频谱和电气特征这两个因素以一定的权重，最终量化出待测电器与己经记录的电器的相似度。此方法在分析监测上较为全面综合，误判率低，识别数量多。

1.1 电气分析

（1）采用CS5460芯片可测量电器的功率、电流等电气特征值，从而区分各电器。由于该芯片对输入电压有限制，因此需要先通过电压互感器将220V市电转换为5V电压，再经调理，将电压减小为150mV以内。最后单片机通过SPI读取CS5460计量出的数据。

（2）借助FFT分析电流信号频谱可区分电器，可让电流流过1Ω的大功率电阻，从而将电流信号转换为电压信号。由于原始电流过大，不能直接用于分析，需要先经电流互感器减小电流，再过1Ω的大功率电阻转换为电压信号。由于不同电器的电流相差较大，为精确起见，对于转换后相对小的电压信号，采用仪表将其放大，相对大的信号无需进行放大。

1.2 FFT相关计算

1.2.1 FFT原理

离散傅里叶变换DFT满足下式，可依据该式将AD转換后的x（n）变换至频域X（k）。

1.2.2 采样频率和点数计算

根据奈奎斯特采样定理，采样频率应满足f_s≥2f_H=2×50Hz=100Hz。此外，由于时域中对信号的非整周期截短会产生频谱泄漏，因此X_N（k）的长度N应满足，m为整数。且理论上，一个周期的采样点数为谐波最高次数的2倍。综合考虑，我们可适当选取采样点数为N=256。

1.3 程序设计

1.3.1 程序设计思路

（1）通过按键1进入学习模式，在该模式下，首先将不同电器的信号经AD转换后的256点序列x（n）存入数组，利用FFT的蝶形算法和式1进行傅里叶变换，得出变换后的频谱X（k），将其记录，再记录电感互感器和霍尔电流传感器得出的功率、电流等电气特征值，将这些己记录的频谱和电气特征值作为模板库。

（2）插上用电器后，对待测电器进行频谱分析和功率、电流等电气值的测量，将结果加权，与已记录的模板进行对比，从而判别出电器类别。

（3）实时显示电器的种类、工作状态、参量。

（4）当接收到按键2的中断后，清除己存储的所有特征参数。

1.3.2 程序流程图

如图2。