淺析智能電表惡性負載識別

迮靜強

【摘要】本文討論了常用電器的分類及電參數特性；惡性負載的定義；介紹了防限電裝置的原理和種類；介紹了目前流行的幾種惡性負載識別方法；重點介紹了總功率閾值設定法、增量有功和功率因素分析法、諧波分析法等幾種惡性負載檢測方法；及利用這幾種識別方法實現負載識別的流程。同時，提及用電管理方面的內容。

【關鍵詞】電能表；惡性負載；負載識別；用電管理

引言

隨著民用用電設備的種類不斷增加，用電環境日益復雜，對用電管理也提出了更高要求。大部份火災，是由于使用電器不當，特別違章使用熱得快、電吹風、電爐等大功率發熱性負載，更易造成的重大事故的發生。為了杜絕此類事故的發生，確保正常用電的情況下，限制這些大功率電器的使用，保障人員安全。在智能電能表中，增加負載識別功能，實現用電管理，達到安全用電的目的。負載識別的目的就是要確保計算機、電視機等電器不加限制地正常使用；識別出大功率發熱，存在安全隱患的電器，加以限制，禁止使用。

1負載識別原理和方法

1.1電器負載的種類及特點

電器負載原則上分為線性負載和非線性負載二種，非線性負載又可分為容性負載和感性負載。常用的容性負載有計算機、充電器、節能燈等；感性負載有電感整流器日光燈，電風扇等；線性負載主要指純阻性負載，如電爐、電熱杯、熱得快、電熱毯、飲水機、白熾燈等。

這幾類負載的特點如下：

容性負載接入線路后，電壓波形是正弦波，但電流波形已畸變為不規則正弦波，接近脈沖波；含有大量諧波，其中3、5次諧波幅度較大，其它諧波幅度較小。

感性負載接入線路后，電流與電壓頻率相同，但滯后電壓一個相角，波形近似正弦波，3次諧波幅度很小，其它諧波幅度近似為零。

阻性負載接入線路后，功率因素達到0.99以上，各次諧波都較小。

1.2惡性負載的定義及識別的意義

惡性負載是指將大量電能轉為熱能，易引發火災安全事故、違章使用的大功率電器。惡性負載近似純阻性。特點是電壓電流波形相同、電壓電流相位相同、功率因素接近于1。

在多種負載混合使用時，要對其進行識別并非易事。集體宿舍人員密集，負載種類多，用電管理復雜，在確保正常用電的情況下，實現惡性負載的識別，對用電管理和用電安全有十分重要的意義。

隨著電子技術的發展，以ARM為核心的高性能微處理器在智能電能表中的應用，可在完成計量功能的同時，增加負載識別功能，實現安全用電管理。

1.3常用負載識別方法

通過對負載電參數的分析，可通過時域法和頻域法來識別負載。主要有總功率閾值法、瞬時功率增加法、功率因素法、波形比較法等、面積關系法、諧波分析法、小波變換識別法、神經無網絡識別法、小波變換和人工神經無網絡結合法等。

總功率閾值法，通過設定總有功功率閾值，當用電負荷超限時，可判定為惡性負載。這是一種較常用的方法，可初步實現惡性負載的識別。

瞬時功率增加法，通過檢測負載的功率來識別惡性負載。當檢測到線路的瞬時功率突然大幅增加時，可判定線路中啟用了大功率負載。缺點是在投入大功率非線性負載時，也會引起功率增加，會造成誤判。

功率因素法，通過測量負載的功率因素來識別負載，純阻性負載，其功率因素很高，接近1；非線性負載的功率因素介于0到1之間，由此可識別線路中的負載狀況。

諧波分析法，是利用線路中接入阻性負載時，功率增加，諧波分量基本不變。因此，在檢測到功率增加后，對電流諧波進行分析，若諧波分量基本沒變，則判定為阻性負載。缺點是當投入的負載電流諧波與電腦等非性線負載相似時，難以識別負載是否為違規負載。

其它幾種識別法，由于軟硬件資源的限制，沒有進行測試，在此不做討論。

2正確識別惡性負載的流程

由于惡性負載都是線性大功率負載，因此，首先要檢測總功率，其次識別線性與非線性負載，然后區分非線性負載是正常負載還是串接防限電裝置的違規負載。流程如下：

第一步、采用總功率閾值法，通過設定允許使用電器功率閾值或設定線路電流閾值，總體上限制大功率負載的使用。

第二步、采用瞬時功率增加法，定時檢測線路總有功功率，并與歷史總功率比較，如果功率差值較小，沒有超過新增功率閾值，說明沒有新的大功率負載投入使用，認為是正常負載，新的總有功功率可保存為歷史負載；如功率差值較大，超過新增功率閾值，說明有大功率負載投入使用，需進一步判斷是否有違規負載投入使用。

第三步、采用功率因素法，對瞬時功率增加法檢測到的超閾值用電負載，可通過功率因素判斷，如新增負載功率因素大于0.998，可判定為惡性負載；如功率因素小于0.998，說明是非線性負載，需進一步分析。

第四步、采用諧波分析法，通過分析上述負載電流信號的諧波分量，確認是非線性負載，還是違規負載。

第五步、當檢測三次違規用電時，電能表不再自動復電，必須人工干預，通過智能用電管理系統遠程控制復電；及時發現違規用電的位置，實行重點監控，防止事故的發生。

3實驗測試分析

3.1實驗測試數據

3.2分析

上表是對一些常用電器的測試數據，由于同類也有不同的品牌，這些數據可能不一定有代表性。從測試數據可知：電阻性負載功率因素大于0.998接近1，且諧波較小；非線性負載功率因素都小于0.998，且諧波較大，與前面的分析結果一致。

4防限電裝置工作原理、種類及識別

防限電裝置的工作原理是把與其串接的阻性負載偽裝成非線性負載，把阻性負載的輸入電流正弦波畸變為脈沖波，增加負載識別系統產生誤判的機率。常見的有防限電插座、插排等。

一種方法是半波整流型。實際上是在阻性負載和電源間串一只功率二極管，構成半波整流電路，輸出類似于脈沖波的波形。因不能控制負載的使用功率，在負載功率較大時，可用瞬時功率增加法識別，另外，這類負載的電流含有豐富的諧波，也可用諧波分析法識別。

另一種方法是雙向可控硅整流型。通過調節可控硅的導通角，從而使電流與電壓波形產生相移，把阻性負載電流波形畸變為非正弦波；由于這類裝置可控制負載的使用功率，這類負載很難識別，可采用總功率閾值法識別。

5結語

在筆者設計智能電表過程中，發現每一種識別方法都有一定的局限性，通過把幾種方法結合起來運用，分別進行識別判斷，相互補充，可達到相當高的識別精度。經用戶實際使用，能滿足用戶使用要求，達到較好的使用效果。