CN102095911A - 一种基于阻抗鉴别技术的单相智能电表 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于阻抗鉴别技术的单相智能电表，其可将监测点的电压、电流以及相位关系经电压互感器与电流互感器精确检测并送入高速电能信息处理器CS5463进行处理；将处理获得的电压、电流、相位等数据通过内部SPI总线传送至中央处理器进行进一步测算，可进一步得到视在功率、有功功率、无功功率、有功电度和功率因数等信息，并根据本发明中提出的阻抗识别算法，进一步测算出当前用电状况下，各用电设备的具体阻抗；从而与智能电表EEPROM中预先存储的阻抗值进行比对，进而进一步得出当前用电状况下，用电设备的具体类型和型号；该智能电表的应用范围极为广泛，可指导用户改变不科学的用电习惯，从而提高用户的经济效益。

Description

一种基于阻抗鉴别技术的单相智能电表

技术领域：

本发明属于应用电子产品的技术领域，设计基于一种全新的阻抗鉴别技术，可以用于对建筑物内各主要用电设备的电能信息进行恒定准确地实时采集与监控。 

背景技术：

近几年来，随着智能化电网建设的日趋完善，用户电能信息采集系统的重整成为其中一项重要任务。为了跟随智能化电网建设的进程，以及契合节能减排、建设绿色建筑的环保理念，电能信息采集系统进入了智能电表的时代。 

在设计智能电表时，需要处理的几个物理量：视在功率(S)，有功功率(P)，功率因数(λ)，它们之间的关系为： 

其中，S＝UI， 为U与I的相位差角。 

传统的智能电表通常对用户用电情况的监控主要是通过采集其使用用电器时的总电流，而后再得到总有功功率。这样，就可以得到用户在某一阶段的总耗电量。 

然而，随着智能化、信息化进程的加快，为了给用户提供更加便捷的服务，使他们可以全面地了解用电信息，智能电表的功能也日趋完善。现有智能电表最突出的特点就是可以对建筑物内的用电负载进行分类测量，即可以独立测算、存储单个用电器的任一时段的耗电量。而实现这一功能的技术难点在于：选择何种鉴别参数可以准确地将用户的用电设备逐一区分开来。目前采用的技术方式主要有以下两种： 

(1)基于负载电流的不同； 

(2)基于负载功率因数的不同。 

上述两种方式是最直观，简单易行的，但是还不能完全保证可以对每一种用电负载进行分类测定，因为用电器的电流或功率因数可能会存在相等的情况。 

基于上述原因，我们研究一种结合电流与功率因数共同鉴别负载的方 式，并经过试验验证了该方法的有效性及准确性。其实现原理如图1所示，当只使用一种负载时，可以得到其功率因数 

及其电流I₁，而后再多使用另外一种负载，则可以得到它们总的功率因数值 

及总电流I₀。因此，根据平行四边形法则，就可以得到现在使用的另一种负载的功率因数 

及电流I₂。以此类推，最终就可依据用电设备电流与功率因数的不同实现对特定负载用电情况的采集与监控。 

但是，在进行大量实验验证过程中，我们发现这种方法还存在一点欠缺之处：在对功率因数及电流的变化进行运算处理的过程中，忽视了电压也有可能会发生变化的事实。而电压的微小变化，就可能会影响测得的功率因数及电流的精确性，从而不能实现对特定用电设备耗电信息的精确稳定测量。 

发明内容

本发明的目的是针对上述现有智能电表鉴别负载的技术方式所存在的弊端，提出一种全新的鉴别技术方式——基于负载阻抗的不同。采用该技术方式能够实现对某一用电器的用电信息进行实时恒定精确地监测。 

为了达到本发明的目的采用如下技术方案：一种基于阻抗鉴别技术的单相智能电表，其可将监测点的电能信息：电压、电流以及相位关系经电压互感器与电流互感器，精确检测并送入高速电能信息处理器CS5463进行处理；将处理获得的电压、电流、相位等数据通过内部SPI总线传送至中央处理器MSP430进行进一步测算，可进一步得到视在功率、有功功率、无功功率、有功电度和功率因数等信息，并根据本发明中提出的阻抗识别算法，进一步测算出当前用电状况下，各用电设备的具体阻抗；从而与智能电表EEPROM中预先存储的阻抗值进行比对，进而进一步得出当前用电状况下，用电设备的具体类型和型号； 

基于上述特点，可对某个指定负载的耗能信息进行监控，在监控前需完成一自适应学习过程，得到其阻抗值，并存储于E²PROM中；而后在监控过程中将现得到的阻抗值与存储于E²PROM中的阻抗值进行匹配，若相等，则匹配成功，通过实时时钟记录其开启使用的时间段；若不相等，则继续进行下一轮匹配；如此循环，就可以得到特定用电设备的使用时段，及该时段的耗电信息。 

所述的基于阻抗鉴别技术的单相智能电表，其特征还在于：在交流电 路中，负载特性用其各自的阻抗值来表征，表达式为： 

$\stackrel{\·}{Z}=\frac{U\∠{\mathrm{\θ}}_u}{I\∠{\mathrm{\θ}}_i}=R+j(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})$

$=\sqrt{R^2+{(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})}^2}\∠\mathrm{Arctg}\frac{\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}}}{R}---\left(1.2\right)$

其中，θ_u和θ_i分别为电压与电流的相位角，则它们的相位差角为： 

根据式(1.3)可知，当阻抗为电感性，即电流滞后电压时， 

当阻抗为电容性，即电流超前电压时， 

本发明可实现的有益效果：(1)对总体用电量的监测：当被监控目标使用电能时，利用电磁感应原理，通过感应线圈检测出被监控目标的电流、电压、相位。而后通过电能处理模块转换成相应的数字量传送至中央处理器进行解析处理，得到视在功率、功率因数等数据并存储。(2)对单个用电器用电情况的监测：通过智能电表对用户使用重要用电设备的自适应学习过程，得到不同用电器所对应的电压、电流及其阻抗、功率因数等。而后在测算过程中进行阻抗匹配，得出特定用电负载在任一时段的用电量。因此，用户可以通过分时段查询用电量，了解家里的耗电大户，同时采取省电措施，养成良好的、科学的用电习惯。(3)当某个监测点出现异常用电信息时，可实现报警、事故处理等操作。 

本发明的优点： 

(1)实现对单个用电器的电能信息进行恒定监控，从而改变不科学的用电习惯，达到节能环保，降低二氧化碳排放和提高用户经济效益的效果。 

(2)可以对大型仪器设备的电能信息进行实时监控并存储，方便操作人员随时查询，并及时采取节能措施。 

(3)利于家长对孩子进行良好的家庭教育：用户可以通过该系统了解计算机、电视机等家用电器的用电时段，从而掌握孩子独自在家的学习动态。 

(4)适用于高校对学生宿舍违禁电器的监测：出现异常用电情况，可实现报警、事故处理等操作。 

(5)系统自身功耗较低。 

附图说明

图1：基于电流与功率因数变化鉴别负载原理图 

图2：基于阻抗鉴别技术的单相智能电表原理框图 

图3：自学习过程流程图 

图4：进行阻抗匹配过程流程图 

具体实施方式

本发明针对现有技术的智能电表鉴别负载的技术方式所存在的弊端，提出一种全新的鉴别技术方式：基于负载阻抗的不同，采用该技术方式能够实现对某一用电器的用电信息进行实时恒定精确地监测。 

阻抗鉴别技术原理说明：在交流电路中，负载特性用其各自的阻抗值来表征，表达式为： 

$\stackrel{\·}{Z}=\frac{U\∠{\mathrm{\θ}}_u}{I\∠{\mathrm{\θ}}_i}=R+j(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})$

$=\sqrt{R^2+{(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})}^2}\∠\mathrm{Arctg}\frac{\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}}}{R}---\left(1.2\right)$

其中，θ_u和θ_i分别为电压与电流的相位角，则它们的相位差角为： 

根据式(1.3)可知，当阻抗为电感性，即电流滞后电压时， 

当阻抗为电容性，即电流超前电压时， 

在电网中的电力负荷大多属于电感性负荷。而电感性负荷的最突出特点表现在：其值不会受到电网中电压或电流变化的影响，是相对稳定的一个特性参量。因此，基于感性负载的这一大优势，我们设计了一种全新的基于阻抗鉴别技术的单相智能电表。 

综合上述推导，我们所设计的新型阻抗鉴别单相智能电表就是利用用电负载所体现的阻抗特性的不同来监控其任一时段的耗电情况。在开始工作之前，首先需对智能电表进行一段自适应学习过程，使其掌握每一用电负载的阻抗值，而后依据存储的阻抗值进行匹配，就可以在统计用电量的过程中得到每一个用电器的任一时段的耗电量。 

本发明的基于阻抗鉴别技术的单相智能电表，设计组成结构如图2所示：监测点的电能信息参数(电压、电流)经电压互感器与电流互感器，利用电磁感应原理检测得出并送入高速电能信息处理器CS5463进行处理。而后将 处理获得的电流、电压、相位等数据通过SPI内部总线传送至中央处理器MSP430进行进一步测算，得到视在功率、有功功率、阻抗、功率因数等电能信息数据并存储于E²PROM。通过实时时钟来控制中央处理器MSP430进行阻抗匹配时的精确时间。电源单元将输入的交流220V电压经AC/DC模块转换为直流电压。而后通过过流过压保护单元，稳压后成为稳定的系统电源。 

若需对某个指定负载的耗能信息进行监控，则需完成一自适应学习过程，得到其阻抗值，并存储于E²PROM中。而后在监控过程中将现得到的阻抗值与存储于E²PROM中的阻抗值进行匹配：若相等，则匹配成功，通过实时时钟记录其开启使用的时间段；若不相等，则继续进行下一轮匹配。如此循环，就可以得到特定负载使用时段的耗电信息。 

Claims (1)

1.一种基于阻抗鉴别技术的单相智能电表，其可将监测点的电能信息：电压、电流以及相位关系经电压互感器与电流互感器，精确检测并送入高速电能信息处理器CS5463进行处理；将处理获得的电压、电流、相位等数据通过内部SPI总线传送至中央处理器MSP430进行进一步测算，可进一步得到视在功率、有功功率、无功功率、有功电度和功率因数等信息，并根据本发明中提出的阻抗识别算法，进一步测算出当前用电状况下，各用电设备的具体阻抗；从而与智能电表EEPROM中预先存储的阻抗值进行比对，进而进一步得出当前用电状况下，用电设备的具体类型和型号；

基于上述特点，可对某个指定负载的耗能信息进行监控，在监控前需完成一自适应学习过程，得到其阻抗值，并存储于E²PROM中；而后在监控过程中将现得到的阻抗值与存储于E²PROM中的阻抗值进行匹配，若相等，则匹配成功，通过实时时钟记录其开启使用的时间段；若不相等，则继续进行下一轮匹配；如此循环，就可以得到特定用电设备的使用时段，及该时段的耗电信息。

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