数字式恶性负载识别装置的研究

根据学生公寓常用的负载特点，给出了一种由负载电流特性检测负载的类型及线性负载大小的识别方法。详细介绍了设计思想和具体的硬件电路及软件设计，并且针对实际问题给出了解决方法。关键词线性负载；非线性整流性负载；负载识别中图分类号TP311.1文献标识码A文章编号1007-9599(2010)03-0000-02DigitalIdentificationDeviceMalignantLoadGaoKunsheng(HarbinInstituteofAutomationInstrumentation,HaErbin150020,China)AbstractAccordingtothestudentapartmentscommonload,itpresentsatestloadbytheloadcurrentcharacteristicsofthetypeandsizeofthelinearloadidentificationmethod.Detailthedesignconceptandthespecifichardwareandsoftwaredesign,andpracticalproblemspresentedforsolution.KeywordsLinearrectifier;Non-linearrectifierloadload;Loadidentification在目前的国内大学里，随着教育改革的深入，许多高校都实行后勤管理社会化。与此同时，关于高校学生公寓火灾事故的报道也日趋增多。据相关数据表明，这类火灾大部分是由于学生违章使用热得快、电炉等大功率阻性负载造成的。因此在确保学生正常用电的前提下，限制热得快、电炉等大功率电器的使用是亟待解决的问题。数字型恶性负载识别器正是为解决此类问题而设计的，此产品通过对学生公寓房间供电回路的实时检测，实现了对热得快、电饭锅、电炉子等危险发热性电器的限制使用，而对计算机、电视机、充电器等不会带来危险的电器则不限制使用。一、设计原理（一）线性负载与非线性整流性负载线性负载通常指的是纯电阻性负载。这类负载一般仅由电阻组成，不包含电容等元件，所以其输入电压波形与输入电流波形在形状上是一致的，区别仅在于二者的幅值不同，如图1a所示。学生公寓允许使用的负载类型主要是非线性整流负载，如计算机、电视机、充电器等。即负载电路中一般有电容存在，这使得电源只有在高于电容电压时做功，导致输入电流发生畸变。所以对于这类设备来说，虽然输入的交流电压是正弦波形，但其输入交流电流，的波形却严重畸变，呈脉冲状，如图1b所示。如何在非线性整流负载的使用过程中检测出投入的阻性负载成了众多学者研究的课题。（二）负载识别原理图1a和图1b进行比较可以看出在电压过零点的一定角度内，非线性整流性负载的值要远远小于线性负载。因此我们可以通过对电压过零点后的一定角度做积分的方式来判别线性负载和非线性整流性负载。实际的学生公寓既有线性负载又有非线性整流负载，这使得用户电路或负载的输入电流呈混合波形。其叠加后的波形如图1c所示，阴影部分就是混合负载的电流波形。图中竖线左侧阴影部分的面积是负载电流从电压过零点开始到该位置的积分值，可以看出非线性负载该部分面积很小，而混合负载和线性负载的面积几乎相同，因此该区域电流的积分数值能反映学生公寓输入的混合负载中线性负载的成分。二、硬件电路设计根据以上分析可知，电路应该包括过零点检测电路、放大电路、电流积分电路、比较电路等，图2是硬件结构示意图。首先通过过零检测电路检测到电压的过零点，从电压过零点开始通过积分电路对电流信号进行积分，这里的电流信号是经过采样放大电路放大滤波处理的，积分的时间由延时斩波电路控制，即可以控制积分电路对一个周波内的多少角度进行积分。积分电路得到的值反映了线性负载的大小，即图1c竖线左侧阴影部分的面积。单片机对积分电路的输出值进行A/D转换，判断该值的大小，并对电路的波动进行记录，通过几个周波的判断，确定是否有非法负载加入电路，综合判断是否切断电源及断电模式，单片机还可以对特定线性负载进行标定，确定指定的可以使用的电器正常使用。继电器驱动电路部分，使用磁保持继电器和相应的驱动电路，它能带动更大功率负载，自身功耗小，确保系统动作时能可靠运行。这里值得注意的是电流检测电阻的使用，一般都使用康铜丝，但是康铜丝在长时间使用时会被氧化，使电阻值发生变化，影响检测精度。我这里采用密闭式合金取样电阻，保证了对供电回路中用电器电流信号的采集精确度。三、软件设计单片机对积分电路的电压输出进行A/D转换，并判断是否超过标准电压值，确定是否有非法电路接入。如通过几个周波的判断确定有非法电路接入，那么再判断该非法电路是否进行了标定，如果标定了允许使用。否则驱动继电器断开电源进入延时程序之后接通电源，当多次断电之后，即非法电器一直在使用时，则永久断电需要手动通电。这里软件可以根据检测到的积分值的变化律来自动调整延时斩波电路的延时时间，最终得到一个相对合理的积分宽度，确保积分值能反映线性电阻的大小。还可以通过软件设定标准电压值，它用来调整允许通过的线性负载的最大值。软件还提供一个人机交互接口可以对一些数值进行设定，如断电延时时间、断电次数、允许通过的线性电阻的最大值等。应实际需要还提供了特殊电器的标定功能，通过通断电的方式就可以标定特定的允许使用的线性电器。四、应用效果经过实际现场应用该产品能自动识别房间内的用电情况，控制热得快、电炉、电暖器、电饭煲、电热锅等大功率恶性负载的使用，在插上恶性负载后能在几秒内断电，拔除恶性负载后能立即自动恢复供电。对电脑、日光灯、充电器等日常用电不加限制，从而大大地降低了火灾的发生概率，起到了安全节能的作用！产品控制的型号有200瓦和300瓦选择，设定的功率是对线性负载的功率限制，对超过设定功率的电脑、电视、普通照明等不限制，从而有效的方便了大中院校和单位集体宿舍的管理，得到了一致好评。参考文献1张湘伟,骆少明.小波分析在测试信号分析中的应用J.应用数学和力学,1998,32李昂.智能负载识别器的设计J.微机与应用,2005,421-223郑宇,姚加飞.基于谐波分离的学生公寓负载特性识别J.电子应用,2007,26,85张重,张道信,姜宝林.学生宿舍总线式限电计量计算机管理系统J.吉林建筑工程学院学报,2001,2注本论文是实用新型专利数字式安全用电识别管理装置的成果，专利号ZL03260271.5