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    负载远程在线分析与诊断技术的研究

    发布日期:2015-03-24 点击次数:1503

                                                                                                                                            负载远程在线分析与诊断技术的研究
                                                                                                                                                                          王晓丽  郭杰
                                                                                                                                        吉林建筑大学电气与电子信息工程学院,长春,吉林,中国


    摘  要  针对目前大量办公用电设备使用中存在的安全和能源浪费的问题,本文设计了一种基于模糊理论对用电回路多种类型负载和状态进行多元模糊模式识别的系统,其能够实时监测与识别多种用电设备的类型、功率、运行状态及预警,最终达到安全节能的目的。为了能更好地反映复杂与不确定因素的影响,系统采用模糊模式识别方法。这种技术不仅可实现于办公室,也适用于商场、学校等其他场合,有良好的经济与社会效益。

    关键词  检测,负载,电流波形,模糊模式识别

     
    1.引言
          随着改革开放的进一步深入,我国目前正处于经济和科技发展的高峰期,人民生活水平也相应的得到提高,办公及民用电气设备增加速度明显加快。但是并不是所有的电器设备使用者都具备相关的电气专业知识,很大一部分使用者是不懂电气的专业知识又不注重用电相关常识,导致大量电气设备的使用存在问题,这样势必带来安全隐患和电能浪费的问题。针对以上的问题,本文提出了“负载远程在线分析与诊断技术”的研究。该研究基于模糊理论对用电回路多种类型负载和状态进行多元模糊模式识别,能够实时监测与识别多种用电设备类型、功率、运行状态及预警。本文着重介绍系统中负载电流波形的采集与分析,波形数据的分析方法,以及系统的仿真与实现。系统产品为用电回路的把脉器,在负载正常工作情况条件下返回正确的检测数据,并且继续监测。在负载非正常工作的情况下,能及时断电并且发出预警的提示或是铃声。
     
     
    2.负载电流波形数据采集系统设计
    2.1 负载电流检测装置的原理
          检测装置的原理是将被检测的负载串联接入装置电路中,通过电流互感器两端的电压,电压还原成电流即是负载的电流。用示波器显示被检测的用电负载的实时工作情况,在研制电流波形采集装置上附加同步信号为5V的方波信号,采集的波形与方波同步信号对比,如果采集信号超前那么就判定是电流超前电压则负载的电气特性呈现容性,反之采集信号滞后那么就判定是电压超前电流则负载的电气特性呈感性,如果采集信号同步那么就判定负载的电气特性呈阻性。
    2.2检测波形图分析
          为了满足实验要求,本文主要选择办公室用电负载为研究对象,将用电负载与波形检测设备串联接入回路中,用示波器检测数据并存储。记录各个时期的周期、频率、振幅、波峰值、波谷值并对相位变化进行分析。下面是检测采集的电脑,热水器,传真机工作的电流波形图像。


    (1)一台电脑工作时的电流波形图像如下图1所示:
                                                                                                                                           
                                                                                                                                                                             图1电脑波形
          上图中波形是电脑工作时电流波形的情况,观察波形的波峰出现类似于尖峰电流波形的形状,电流幅值变化较大。可以由图像中直接读出周期20ms、频率50HZ、振幅187mV、波峰值200mV、波谷值-128 mV、幅值差是328mV。电脑选择的是方正的台式机其额定功率为300w,并在其处理文件时进行检测。
    (2)热水器工作时的电流波形图像如下图2所示:
                                                                                                                                            
                                                                                                                                                                           图2热水器波形
          上图中波形是热水器工作时电流波形的情况,观察波形的波峰出现类似于尖峰电流波形的形状,电流幅值变化较大。周期20ms、频率50HZ、振幅4.98V、波峰值5.4V、波谷值-400 mV、幅值差是5.8V。被检测的热水器的额定功率为800w,在热水器工作烧水的过程中进行检测。
    (3)传真机工作时的电流波形图像如下图3所示:
                                                                                                                                             
                                                                                                                                                                              图3传真机波形
          上图中波形是传真机工作时电流波形的情况,观察波形的波峰出现类似于尖峰电流波形的形状,电流幅值变化较大。周期20ms、频率50HZ、振幅159mV、波峰值184mV、波谷值-112 mV、幅值差是296mV,选择的传真机额定功率是900w,在传真机使用过程中进行数据波形采集。
    2.3 能源计量节能监控系统
          为了进一步判定负载特性,通过能源计量节能监管系统软件测出负载的输出功率及其功率因数可判定负载的性质。在交流电路中,有功功率与视在功率的比值用λ表示,称为电路的功率因数,即λ=P/S=cosΦ。因而电压与电流的相位差Φ又称为功率因数角。
          能源计量节能监管系统软件是对用户节电的综合管理的系统平台。实时监测、分析和远方控制房间的电表数据,可以及时掌握用户的用电情况和电表的运行状态。能源计量节能监管系统由软件、计算机和网络设备、通讯设备、远程终端和仪器仪表等部分构成。 软件可实现预付费,定时开关电,过载和恶性负载识别(恶性负载功能采用是功率和功率因素综合判断),跳电自动恢复设置等等 。通过电控软件测出负载的输出功率及其功率因数可判定负载的性质。

    如图4和图5是测量一个电热宝的电流输出波形图和它的输出功率及功率因数图。
                                                                                                                                               
                                                                                                                                                                             图4 电热宝波形
                                                                                                                                               
                                                                                                                                                                      图5 电热宝功率及功率因数
          从图4中我们看到对于纯阻性电器它的电流输出波形近似于是一个正弦波,与同步信号的相位差近似于0。图5中测得负载的功率因数近似于1,是因为阻性元件输出电压与电流的夹角为零。
    3.负载电流数据分析
          现在波形信号分析的方法包括时域仿真法、傅里叶变换法、离散傅里叶变换法、快速傅里叶变换法、二次变换法、小波变换法等,本文选用FFT变换分析的方法作为研究负载电流波形变换方法,将波形信号变换到频域之后,得到基波、三次谐波、五次谐波的分量值。之后选取每种用电负载的特有的基波值、三次谐波、五次谐波的分量建立数据库,存储与对比用以确定用电负载的性质和种类,负载的用电功率,实时检测用电负载是否正常工作。
    4.基于模糊模式的负载性质与种类的确定
    4.1模糊控制的基本理论
          模糊控制是以模糊集合的相关理论、模糊逻辑的相关推理过程运用和模糊变量的设定求解为基础,一种通过计算机软件去实现的现代电子科学技术的控制。模糊控制属于非线性控制,并带有智能的特性,所以模糊控制也属于智能控制系统的范畴。对某个对象识别它属于何类问题称为模式识别,而模糊模式识别是模式识别的一个最新分支。办公负载所检测的用电器其电流大小区间很大,电流检测精度要求不高,识别负载时也不需要非常精确的小范围,采用模糊模式正是满足这样的要求。

    4.2负载性质确定与负载工作状态确定的依据
    4.2.1负载性质的确定
          主要是采用两种方法来测试负载属性。一是通过检测装置测出负载的电流输出波形,用示波器显示被检测的用电负载的实时工作情况。二是通过软件设计,可以测出负载输出的平均功率及功率因数,从而进一步判断出负载是阻性、感性还是容性。
    4.2.2负载工作状态的确定
          负载工作状态的确定就要通过分析检测的波形,将检测的波形用快速傅立叶变换从时域转换到频域,分离出基波,三次谐波和五次谐波之后,对比基波大小,和三次五次谐波所占的比例。过程中应将检测的数据建立完整的数据库方便数据的对比与查找。
    4.2.3 负载确定的方法
          负载电流波形的分析结果主要是通过模糊模式的方式去识别判断负载的性质和种类,模糊模式识别主要是隶属函数的确定和隶属度的求解,对负载的隶属函数距离求解用绝对值距离求解的方法。
    4.2.4模糊模式识别算法的软件实现
          根据识别的要求模糊模式识别的具体依据,利用C语言编程设计相应的软件程序,其子程序简单描述如下:
    Unsigned  int *p;
    #define a1  0.2 //模糊模式识别算法中的输入值
    #detine  a2  0.18
    #define  FZ    //识别负载种类
    fuzzy( )
    {
      unsigned int i,j;
      float f,k:
    while(1)
    {
    play( );  
    //调用转换子程序play.asm       p=0x0022;
      i=*p; 
     //转换结果送i,即当前负载电流的16进制表示
      f=2.444;   
    //变换5000/1023
    j=f*i/1000; 
     //经过标度变换把16进制的值转化为实际的负载电流值放在j中
      k=j/b;   
     //k作为隶属度
      if(i>=b) 
     //当前电流与负载实际电流值比较
      {
      FZ 1( ); 
     //满足条件就调输出第一个负载性质的子程序
    }
    else if(k>=al)
    {
        FZ 2( );  
    //满足条件就调输出第二个负载性质的子程序
    }
    else if(a2<=k)
    {
       FZ 3( );  
     //满足条件就调输出第三个负载性质的子程序
    }

    }}

    5.结语
          本项目通过研究办公室、宿舍用电负载电流波形,对波形采用数学手段进行分析,最后模糊模式识别用电负载,实现了负载远程在线分析与诊断。本文介绍了两种负载波形数据采集方法来测试负载属性,采用快速傅立叶变换(FFT)的手段准确快捷的计算波形变换后的基波谐波比例,再通过模糊模式识别用电场所各种用电器当前的运行状态,及时发现问题。这种技术不仅能运用在办公室用电负载的识别上面,更能运用在家庭、商场、学校等其它场合,达到减少能耗、节约电能的目的,更重要的是能及时地防范火灾的发生,减少人民财产损失,提供安全的生活、学习、工作的空间。


    参考文献
    [1]  王志娟.模糊控制中高级算法的设计与研究[D].山东大学.2008
    [2]  张顺,郭涛.基于非线性与模糊控制的协调优化策略研究[J].国网甘肃省电力公司研究院. 2015
    [3]  朱张青,赵家宝,焦小澄.基于模糊理论的一种综合故障诊断新方法[J].南京大学控制与系统工程系.2008
    [4]  Yanfeng,Geng,Yue Ma. Research of Vehicle Classification Based on Fuzzy Pattern Recognition [J].ComputerEngineering, vol.28,no.1,pp.133-135,2002.
    [5]  Gargari S M,Wouters P A A F.Partial Discharge Parameters to Evaluate the Insulation Condition of On-line Located Defects in Medium Voltage Cable Networks. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation . 2011
    [6]  Xi Li,Zhigang Hu.Engineering Machine Fault Diagnosis Expert system Based on Fuzzy Inference and Self-learning[J]. Computer Engineering and Apply,2005,15,pp.200-202.
    [7]  Thomas L.Saaty. Making and validating Complex decisions with the AHP/ANP [J].Journal of systems science and systems Engineeri 

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