淺談高校宿舍惡性負(fù)載識別技術(shù)及其應(yīng)用

李婧婧

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：用電管理問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(tǒng)的惡性負(fù)載識別技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析目前惡性負(fù)載的識別形式和方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，后引入安科瑞預(yù)付費(fèi)云平臺技術(shù)，提出具體的應(yīng)對策略解決宿舍用電問題。

關(guān)鍵詞：宿舍用電；惡性負(fù)載識別技術(shù)；用電管理系統(tǒng)

0 引言

在時(shí)代的不斷進(jìn)步下，智能化設(shè)備普及范圍得以擴(kuò)大，宿舍用電電器的種類也在明顯增加，傳統(tǒng)用電管理模式已經(jīng)無法滿足宿舍用電需要。能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生宿舍和超市等人口密集區(qū)域?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)惡性負(fù)載的識別意義

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

2惡性負(fù)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(fù)荷超過限定值的時(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(tǒng)利用這一方式控制宿舍的用電負(fù)荷，識別惡性負(fù)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(jì)算之后可以得到其功率，然后準(zhǔn)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(yīng)用比較廣泛的方式，其在實(shí)時(shí)測量電路功率的基礎(chǔ)上識別惡性負(fù)載，瞬時(shí)功率增加法的基本原理是檢測當(dāng)前電路中的功率之后對功率值及時(shí)存儲記錄處理，在檢測到某一個時(shí)刻的功率出現(xiàn)大幅度增加的時(shí)候，也就能夠得出電路中啟動了大功率負(fù)載。

2.3波形比較法

在硬件電路的基礎(chǔ)上對負(fù)載啟動前和啟動后的電壓和電流實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣，然后對負(fù)載啟動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(dāng)?shù)谋壤蜃又蟮钠浞逯敌枰扔陔妷翰ㄐ畏逯?，通過計(jì)算差值波形與電壓波形圍成的面積實(shí)現(xiàn)負(fù)載識別的目標(biāo)。如果差值的面積接近于零，則其存在著惡性負(fù)載接入的現(xiàn)象，否則無惡性負(fù)載接入。

波形比較法的軟件電路和硬件電路設(shè)計(jì)的時(shí)候都比較復(fù)雜，負(fù)載啟動前后出現(xiàn)的波形測量起點(diǎn)要能夠確保在不同周期的同一個時(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(xiàn)毛刺干擾的時(shí)候，面積差也會出現(xiàn)較大變化，從而造成識別結(jié)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(xiàn)負(fù)載識別需要首先能夠?qū)⒉杉玫降碾妷汉碗娏餍盘枌?shí)施A/D轉(zhuǎn)換，利用傅立葉變換或小波分析等方法進(jìn)行特征數(shù)值提取，將提取的數(shù)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過對輸出結(jié)果的分析可以最終識別惡性負(fù)載。目前在負(fù)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(jié)構(gòu)為：輸入層5個神經(jīng)元和隱層11個神經(jīng)元及輸出層1個神經(jīng)元。這樣設(shè)計(jì)的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)對惡性負(fù)載識別的時(shí)候，在對網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果和期望輸出作線性回歸能夠得出的相關(guān)系數(shù)為0.994。這種方法可以在對計(jì)算機(jī)負(fù)載的間接識別的基礎(chǔ)上識別惡性負(fù)載。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對惡性負(fù)載的識別準(zhǔn)確程度比較高，但是需要大量的樣本和訓(xùn)練，在建網(wǎng)的時(shí)候沒有可以遵循的規(guī)律，其實(shí)際過程中的通用性需要進(jìn)一步考證。

3惡性負(fù)載檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

惡性負(fù)載檢測系統(tǒng)由電流檢測模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊及單片機(jī)處理模塊等共同構(gòu)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(zhuǎn)化為電壓，隨后整流濾波。A/D轉(zhuǎn)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?shù)絾纹瑱C(jī)中，然后經(jīng)過單片機(jī)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，只有在單個的接入功率超出設(shè)定數(shù)值的時(shí)候才可以識別惡性負(fù)載。而如果檢測為惡性負(fù)載也不會馬上就斷電，因?yàn)榭赡苁请娋W(wǎng)中的干擾或小功率電器產(chǎn)生的過沖，只有多次檢測之后才可以使得控制繼電器斷開，對回路供電切斷處理，而如果需要手動恢復(fù)供電，就需要按下復(fù)位按鈕。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1

4惡性負(fù)載識別程序

惡性負(fù)載識別系統(tǒng)可以利用RN8302內(nèi)部波形存儲單元實(shí)現(xiàn)FFT處理，其緩存區(qū)包含著768個地址單元，編址顯示為200H-4FFH，每一個地址的單元字長為3字節(jié)，其中可以存放一個ADC數(shù)據(jù)，可以存儲6路ADC128個點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)在緩存控制寄存器中為單字節(jié)寄存器，這一寄存器控制各通道ADC數(shù)據(jù)是否可以進(jìn)行緩存，也決定緩存區(qū)的排列順序及波形采樣率。在向這一寄存器寫入0X22H的時(shí)候，將RN8302設(shè)置為固定采樣模式，其采樣速率主要是6.4KHz。系統(tǒng)根據(jù)BUFCFG[3:0]寄存器配置比例啟動波形數(shù)據(jù)寫緩存區(qū)，寄存器主要是位于WSAV-ECON的4位，這一寄存器對各通道ADC數(shù)據(jù)是否緩存存在著決定影響。       惡性負(fù)載識別算法要對電流數(shù)據(jù)實(shí)施采樣，在進(jìn)行UFCFG配置的時(shí)候，需要啟動IA及IB和IC采樣。本文算法包含著兩個方面的內(nèi)容，首先一部分是基于面積和相位的惡性負(fù)載算法，系統(tǒng)能夠明確檢測到電流波形的跳變情況，如果出現(xiàn)波形跳變，則使用面積法進(jìn)行線性負(fù)載功率提取處理，而如果不存在波形跳變的現(xiàn)象，使用相位法進(jìn)行用電器是否為阻性負(fù)載判斷，兩者都需要設(shè)置功率閾值，在超出閾值的時(shí)候會出現(xiàn)系統(tǒng)控制繼電器進(jìn)行斷電。另一部分算法為加窗基2FFT惡性負(fù)載算法，是在特征矩陣中包含著宿舍日常用電器的奇次諧波分量，系統(tǒng)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(shù)據(jù)對比，如果特征矩陣包含著這一類數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制繼電器也就會自行斷電。

5實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)惡性負(fù)載識別測試的結(jié)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(fù)載進(jìn)行識別，得出分閘的相關(guān)指令，充分實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段的控制和負(fù)載控制及預(yù)付費(fèi)控制等相關(guān)的邏輯控制，有效對宿舍實(shí)施用電監(jiān)控處理。

6安科瑞宿舍預(yù)付費(fèi)管控云平臺介紹

6.1系統(tǒng)方案

當(dāng)下智慧校園、平安校園的建設(shè)越來越普及，作為智慧校園建設(shè)的重要一環(huán)，學(xué)生宿舍的用電預(yù)付費(fèi)和用電安全管理措施是必不ke少的。學(xué)生宿舍預(yù)付費(fèi)電控系統(tǒng)可以解決使用傳統(tǒng)電表人工抄表費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不方便統(tǒng)計(jì)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(fù)載引起的火災(zāi)隱患。系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，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(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。

6.2系統(tǒng)功能

預(yù)付費(fèi)管理控制：支持預(yù)付費(fèi)功能?？稍O(shè)置基礎(chǔ)金額，供免費(fèi)使用；可對剩余金額進(jìn)行四級報(bào)警：余額不足報(bào)警（一極）、預(yù)跳閘報(bào)警（二級）、欠費(fèi)報(bào)警（三級）、達(dá)到賒欠上限（四級）報(bào)警。每級報(bào)警都會導(dǎo)致電表背光常亮，預(yù)跳閘報(bào)警 跳閘方式可設(shè)置為不跳閘、跳閘后自動合閘以及跳閘后不合閘等，跳閘后可通過按鍵自行合閘，達(dá)到賒欠上限后電表跳閘，此時(shí)只有繳費(fèi)后才能繼續(xù)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(shè)置為工作日和節(jié)假日模式，每天可設(shè)置8個時(shí)間段，每個時(shí)間段可分別設(shè)置為合閘狀態(tài)或夜間模式，合閘時(shí)間段內(nèi)電表保持合閘，夜間時(shí)間段內(nèi)，支路功率若大于夜間允許功率 上限便跳閘。

負(fù)載管理控制：支持豐富的負(fù)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，支路電流超過設(shè)定值時(shí)，支路跳閘。

負(fù)載總功率限制：限制支路用電功率，支路功率超過設(shè)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，支路電流超過設(shè)定值，支路跳閘

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

負(fù)載白名單識別：允許已定義的具有惡性負(fù)載特征的負(fù)載正常使用（如飲水機(jī)等）。

空調(diào)模式：空調(diào)模式下，電表持續(xù)檢測空調(diào)微弱待機(jī)電流，一但存在拔斷空調(diào)插座的動作，電表便跳閘，且只能通過聯(lián)系管理人員進(jìn)行合閘送電。允許除空調(diào)模式以外的跳閘動作自動合閘。允許次數(shù)，跳閘等待時(shí)間可設(shè)置。

6.3產(chǎn)品選型

7結(jié)束語 

隨著當(dāng)前社會生活中用電場景逐漸具有復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的用電管理模式功率限定法已經(jīng)無法滿足當(dāng)前日常用電的需要，這就需要在關(guān)注用電負(fù)載特性的基礎(chǔ)上明確得出當(dāng)前惡性負(fù)載算法方面的局限性，結(jié)合宿舍用電管理的需要，注重分析用電負(fù)載特性和現(xiàn)有的惡性負(fù)載算法現(xiàn)狀，從而得出新的惡性負(fù)載識別算法。實(shí)際中使用比較多的方式包含著總功率限定法及瞬時(shí)功率增加法和功率因數(shù)法等方式，而每種方式在負(fù)載識別的時(shí)候都具有一定局限性，無法滿足實(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(fù)載內(nèi)在規(guī)律的和通用的方法，促使負(fù)載識別的效果更加顯著，在惡性負(fù)載識別系統(tǒng)優(yōu)化的過程中，能夠更好地達(dá)到比較經(jīng)濟(jì)理想的效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 潘萬林.宿舍用電管理系統(tǒng)的惡性負(fù)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

[2] 林進(jìn)鵬.高校學(xué)生公寓安全用電智能控制與管理系統(tǒng)研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2016,15(06):73-78

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06

作者簡介：李婧婧，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橛秒姁盒载?fù)載識別技術(shù)