基于SoC的負載識別智能電表的設計與實現

楊 磊，施火泉，吳成瑞

（1.江南大學 物聯網工程學院，無錫 214122；2.無錫市恒通電器有限公司，無錫 214122）

隨著安全、節能、智能化意識的不斷提升，對負載識別終端的要求也越來越高。非侵入式電力負荷監測系統不需要在每個被監視電力負荷處加裝傳感器等硬件設備，所以負載識別的方法也由侵入式向非侵入式[1]轉變，并向簡單、實用、可靠的識別方法不斷深入。

雙回路非侵入式負載識別智能電表主要針對學生公寓、寫字樓、批發市場等人口密集場所而設計，以加強終端電能的計量考核和管理，預防惡性負載造成的安全隱患。該電表可以實時監測到存在安全隱患的電器，如微波爐、電磁爐、熱得快、電熱毯等（可以自定義電器黑白名單），及時切斷電源，并在設定延時時間之后自動嘗試合閘送電；亦可通過改變繼電器控制方式，用于家庭中分別記錄各種用電設備的實際用電情況，生成報表，以供家庭用戶掌握家中各用電器的能耗情況，以利于安全和節能[2]。樣機開發與試驗表明，高集成度的SoC芯片、開關電源、兩光耦RS485通訊、錳銅采樣等優化技術的應用，大大降低了硬件成本、體積，縮短了開發周期，具有很高的實際應用價值。

1 負載識別原理及算法

負載識別算法在智能電表識別負載的能力中起著決定性的作用。目前，主流的電器負載識別方法包括基于小波分析的負載識別[3]、利用周期性離散變換算法的負載識別[4]、基于神經網絡的負載識別[5]等方法。此類算法存在識別率不高或算法實現成本高或目前難以實現等弊端。目前識別出用電器類別，如阻性負載、感性負載、容性負載（反惡性負載識別的電容補償器）已經比較容易，但是同類用電器穩態特征較為相似，或對于非線性、混合型的用電器，單純的通過某一種特征量來判斷較為困難。因此，本文采用了一種運用相似度識別負載的算法[6]，并配合硬件實現。

由于從整體來看，每個用電器的穩態、暫態的電壓、電流、無功、有功、功率因數等都有各自的特點，如阻性負載穩態特征穩定、電腦工作波形不規則、空調有多種工作狀態且多變。故該方法提取用電器投切后的暫態特征量、穩態特征量、功率因數等多個特征參量，選擇測量數據與數據庫模板的最大相似度來確定用電負荷，進而得到相應的工作狀態和用電量。可以避免單一參數難以識別同類別相似用電器的缺點。

如有m個監測對象，每個監測對象采樣n個特征量，設監測對象為 Qi（Qi=［ fi1fi2…fin］，i=1，2，…，m），未知負荷為 Li=［fj1fj2… fjn］。為了消除不同物理量量綱的影響，需要對特征量通過標準差進行變換[7]：

由式（3）可得變換后的 Q′i＝［ f′i1f′i2…f′in］，其中，i=1，2，…，m。

同樣地，可以得到 L′j。 用 λ（Q′i，L′j）來表示家用電器模板Q′i和未知負荷Lj之間的相似度，并用百分數表示：

式中：i=1，2，…，m； j=1，2，…，m；d=1，2，…，n。

λ值越大，說明2個負荷之間相似程度越大。因此，可通過尋找最大相似度來確定未知負荷是哪種家用電器。

2 硬件電路設計

2.1 總體功能設計

雙回路智能電表一般用于學生宿舍，可以同時控制和計量2個供電回路：一路用于動力（插座）控制，一路用于照明控制。具有預付費、分時電價、負載識別和定時開關等功能。兩路獨立電力參數記錄和顯示，可通過RS485通信遠程方式實現費控和數據交換。如用于學生宿舍時，當負荷超過最大功率（可設定）或檢測到學生使用電爐、熱得快、電吹風等惡性負載（可預設黑白名單）時，會自動判斷出來并斷開插座回路的供電。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構Fig.1 Frame structure of the system

2.2 電源部分

電源是整個系統的心臟，電源的好壞嚴重影響整個系統的性能。傳統應用于電子式電能表的電源主要是線性電源，但是線性電源存在轉化效率低（自損耗功率大）、體積大、穩壓范圍小等缺點。相比之下開關電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬等優點。

本設計采用高頻開關電源給整個系統供電，主要為SoC芯片模塊和RS485通訊模塊供電，且為了保證RS485通訊效果，RS485模塊電源需與其他電源做好隔離。高頻開關電源主要由以下幾個部分組成：

整流電路：通過二極管全橋整流將交流轉換為直流（圖中被省去，+VH和GND為整流后的直流輸出端）；濾波電路；高頻變壓器：反激式變換器中采用的變壓器具有將輸入輸出隔離和儲能的作用；由D7、R110、R111、C16組成的 DRC 電壓鉗位電路：變壓器的磁芯處于直流偏磁狀態，為了防止磁芯飽和，一般在變壓器中加入較大的氣隙，但也增大了漏感，在開關管關斷的瞬間，漏感儲能引起的電流突變將產生很高的尖峰電壓，為了減少開關管在開關時的電壓、電流應力，必須采用嵌位電路，這樣在開關管關斷時，變壓器漏感儲存的能量被轉移到了電容C61中，齊納二極管嵌位及并聯RC的結合使用不但優化了EMI，而且更有效率；由R112、R113以及光耦EL357N-G組成的反饋電路：輸出準確的反饋量，保證了開關電流的穩定性和準確性。

B1為蓄電池，通過BATDET連接SoC檢測電壓情況，保障了電網斷電時仍然可以保障智能電表關鍵部位的正常運行，數據記錄與保存。具體電路如圖2所示。

圖2 開關電源原理Fig.2 Schematic diagram of switching power supply

2.3 采樣電路設計

電壓采樣部分，通過電壓互感器降壓方式能起到電氣隔離的作用，然而互感器成本高、功耗大，故采用電阻分壓的方式。考慮到耐壓和防浪涌的問題，采用10個1206貼片電阻串聯（圖3中Ra）分壓的形式，Ra為采樣電阻。電阻RF和電容CF組成的抗混疊濾波器可以在輸出電平中大大降低混疊頻率以防止混疊效應，也保證了正負電壓輸入之間的匹配。

圖3 電壓采樣原理Fig.3 Voltage sampling schematic

電流采樣部分，通常采用電流互感器，雖然精密電流互感器的精度高，但是受環境影響較大。故本設計使用錳銅分流器，其工作原理是在通過額定電流時，在其上產生標準電壓，由于其具有低溫度系數，減少了因環境變化而引起的精度變化，采樣精度高，而且相比電流互感器成本低，其原理如圖4所示。

圖4 電流采樣原理Fig.4 Current sampling schematic

2.4 通訊部分設計

RS485接口組成的半雙工網絡，一般只需2根連線，采用平衡發送與差分接收的方式，無公共地線，抗共模干擾能力強，最大傳輸距離可達1200 m。典型應用為三光耦形式，為了降低硬件成本并簡化應用電路，對典型方法進行優化設計，即將RS485中的使能信號與RO（數字輸入信號）分別控制的方式簡化為用RO代替使能控制信號；或將同一信號通過高低電壓調整來兼容2種信號，使得三光耦電路變為兩光耦電路，節省了使能信號控制線路的硬件成本，但同樣能夠達到RS485通信的效果。為了系統傳輸的穩定性，在高速、長線傳輸時，通常還會在RS485網絡傳輸線的始端和末端并聯可跳線的120 Ω匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射。具體電路如圖5所示，其中485RXD和485TXD分別連接8213B的P20/RX0和P21/TX0，GND與G485需做好隔離，不可有電聯系。

圖5 智能電表RS485結構原理Fig.5 RS485 schematic diagram of intelligent meter

2.5 SoC芯片及其外圍電路設計

智能電表主控芯片RN8213B是銳能微科技股份有限公司于2015年底最新發布的一款低功耗、高性能、高集成度、高可靠性的單相SoC芯片，該產品內嵌32位ARM Cortex-M0核，并集成了計量模塊、硬件溫補RTC、LCD控制器、E2PROM等模塊，支持零線和火線雙通道有功功率、無功功率、視在功率、電流有效值、有功電能、無功電能、視在電能同時計量，提供電壓有效值及電壓線頻率測量。在5000∶1動態范圍內有功誤差小于0.1%，能夠滿足單相智能表計目前及將來持續增長的功能、性能要求。

RN8213B的外圍及擴展電路的設計如圖6所示。圖中 VP、VN 為電壓采樣通道，I1P、I1N、I2P、I2N分別為兩路電流采樣通道，均為模擬輸入端口；LCDVA～D，LCDVP1，LCDVP2 為液晶驅動部分；S1～S15，COM1～COM8為 LCD 顯示接口；TURN 為輪顯按鍵接口；CF-1和 CF-2為校表脈沖端口，通過串聯LED指示校表情況，并通過光耦與芯片隔離，以免損壞電表；IR TXD和IR RXD為紅外通訊接口；SoC外接32.768 kHz晶振。

圖6 SoC芯片及其外圍電路原理Fig.6 SoC chip and its peripheral circuit schematic

3 軟件設計

雙回路智能電表可以同時計量2個通道的有功電能、無功電能、視在電能，可測量電壓、電流、功率、功率因數、相角、頻率等參數，用戶可以通過液晶顯示器讀取上述參數，也可以由計算機通過RS485通信口或紅外讀取上述參數。主要程序包括主程序、計量模塊、費控模塊、負載識別模塊、通訊模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊、脈沖校表模塊等。限于篇幅，本文重點描述負載識別部分，主要流程如圖7所示。

圖7 負載識別軟件流程Fig.7 Software flow chart of load identification

4 實測結果與分析

為了突出對比效果，選取幾種穩態差異較大和幾種穩態較為相似的負載進行實驗。穩態參數測試結果和惡性負載識別繼電器動作情況如表1所示。由于電水壺功率較大，超過設定的閾值，所以0.1 s內繼電器便會動作。電暖器和熱得快為穩態功率相似且功率因數均為1的純阻性負載且功率較大，容易歸為惡性負載，但是通常算法區分難度大，然而兩者的電壓電流暫態差異較大，電暖器上電后電流和有功都有一個明顯的上升過程，3 s后上升過程變得緩慢，數十秒后方可緩慢趨于穩態；而熱得快上電后電流瞬間上升至4.38 A，有功則在3 s左右趨于穩態，因而采用相似性算法可以很容易地區分2種相似負載。飲水機的功率較大且功率因數為1，在加熱過程中穩態功率略有波動，因為其已加入白名單中，故繼電器無動作。電風扇功率較小，功率因數為0.975，非惡性負載，繼電器無動作。

表1 穩態參數測試結果和惡性負載判斷繼電器動作情況Tab.1 Steady-state parameter test results and relay operating time by recognition of malignant load

5 結語

基于RN821X系列最新SoC芯片的雙回路負載識別智能電表，可以獨立計量2個回路的用電信息，采用非侵入式負載識別方式，識別負載的準確率高，兩路獨立的繼電器開關，可以及時切斷具有安全隱患的回路。通過更改繼電器控制方式，亦可用于家庭中，識別每個用電器的投切情況，給出各用電器的用電分析報表，讓用戶掌握各用電器的耗能情況，益于節能和安全。高集成度SoC芯片及開關電源的使用降低了系統的復雜度、體積和成本。導軌式安裝，易組網的特點便于現場安裝改造。樣機開發和實際應用表明，該電表具有良好的可靠性和穩定性，市場前景廣闊。

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