CN112838585A - 一种非侵入式负荷识别事件触发电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，本发明属于智能用电及能效监测技术领域，具体涉及一种非侵入式负荷识别事件触发电路，包括整流模块、RC滤波电路、事件检测模块；本发明克服了事件检测算法实时性差和泛用性低的问题，无需主动选取时间段长短以及阈值大小即可实现用户内部电力负荷投切的检测。

Description

一种非侵入式负荷识别事件触发电路
技术领域
本发明属于智能用电及能效监测技术领域，具体涉及一种非侵入式负荷识别事件触发电路。
背景技术
非侵入式负荷识别技术也称为非侵入式负荷监测技术，传统的负荷识别采取侵入式方法，硬件成本较高且在安装、维护和管理等方面复杂不便，用户接受程度较低。而非侵入式负荷识别通过在居民电力用户入口处安装一个监测装置对用户总端口的用电信息进行采集，分析入口处总电流、总电压等信息获得用户中各负荷的种类以及相应运行情况。该方法降低了设备经济成本，易于安装维护。非侵入式负荷识别主要包含三个关键部分：事件检测、特征提取和负荷识别。
这三个关键部分中事件检测是非侵入式负荷识别的基础。只有非侵入式负荷识别系统检测到有电器投切事件发生，才能进行负荷特征提取和负荷识别，因此事件检测的准确与否是非侵入式负荷识别准确与否的前提。现有的事件检测技术一般是通过事件检测算法检测时间序列中的电压和电流数据是否有变点产生，然后通过相应算法分析判断是否有电器投切事件发生。虽然可以准确识别出部分电器的投切，但是其中时间段大小的选取和变点变化阈值的选取至关重要，太大或太小均会引起错误的事件检测结果，仍存在实时性差和泛用性低的问题。为了解决实时性差和泛用性低的问题，本发明提出了一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，该发明无需主动选取时间段长短以及阈值大小即可实现用户内部电力负荷投切的检测。
发明内容
本发明提供一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，其克服了事件检测算法实时性差和泛用性低的问题，无需主动选取时间段长短以及阈值大小即可实现用户内部电力负荷投切的检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，其中包括：整流模块、RC滤波电路、事件检测模块。
所述整流模块采用的电路为电容滤波的单相不可控整流电路，包括一个含有两组二极管的整流器BD、滤波电容C1、稳压电阻R2，该整流器BD的输入端连接变压器副边绕组的输出端，该滤波电容C1并联接入该整流器BD的输出端，该稳压电阻R2并联接入该整流器BD的输出端。
所述RC滤波电路包括电阻R3、电容C2，电阻R3和电容C2串联后并联至整流模块输出端，RC滤波电路输出端连接电容C2两端。
所述事件检测模块采用的电路为微分运算电路，包括电容C3、电阻R4、R5、R6、运算放大器A，电阻R4和电容C3并联后一端连接运算放大器A的正输入端，另一端连接RC滤波电路输出端，电阻R6一端接地另一端连接运算放大器A的负输入端，电阻R5一端连接运算放大器A的输出端，另一端连接运算放大器A的正输入端，运算放大器A的输出端连接事件检测模块输出端。
所述非侵入式负荷识别事件触发电路的输入端为电力用户入户端电流i(t)，经由输入端负载电阻R1、变比系数为N的变压器、整流模块、RC滤波电路、事件检测模块组成的基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，输出事件触发判断的结果uo(t)。
下面对本技术方案的原理做进一步说明。
(1)变比系数为N的变压器
Figure BDA0002889073990000021
式中u1(t)为变压器初级线圈的输入电压，u2(t)为变压器次级线圈的输出电压，N为变比系数，i(t)为事件触发电路输入侧电流，R1为输入侧负载电阻,ω为输入侧电流角频率，I(t)为输入侧电流有效值，
Figure BDA0002889073990000022
为输入侧电流初相角。
(2)整流模块工作原理
当满足以下条件时：
Figure BDA0002889073990000023
整流模块装置有如下关系：
Figure BDA0002889073990000024
式中C1为整流器BD输出侧并联电容，R2为整流器BD输出侧并联电阻，T为输入电压u2(t)周期，U2(t)为变压器次级线圈输出电压有效值，U3(t)为整流模块输出电压。
整流模块用于将变压器次级线圈输出的交流电压u2(t)转换为直流电压U3(t)并输入给RC滤波电路。
(3)RC滤波电路工作原理
当输入的信号频率较低时，电容的阻抗相对于电阻的阻抗高，大部分输入电压在电容上。当输入信号频率较高时，电容的阻抗相对于电阻的阻抗低，电阻上的电压降低，较少的电压传输到负载。
该滤波电路有如下关系：
Figure BDA0002889073990000031
其中：
τ＝C2R3(5)
式中U4(t)为RC滤波电路输出电压，τ为时间常数，C2为滤波电容，R3为电阻。
RC滤波电路用于将整流模块输出电压U3(t)高频信号滤除，并将直流电压U3(t)的突变电压转换为缓慢上升的平滑直流电压U4(t)，并将平滑直流电压U4(t)传输至事件检测模块。
(4)事件检测模块工作原理
事件检测模块装置有如下关系：
Figure BDA0002889073990000032
式中uo(t)为事件检测模块输出电压，C2为运算放大器正向输入侧电容，R4为运算放大器向正输入侧电阻，R5为前馈电阻。
事件检测模块用于检测RC滤波电路输出的直流电压U4(t)是否发生变化并根据变化的情况分别输出相应的电压信号uo(t)。
(5)基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路的工作原理。
联立式(1)-(6)求解得非侵入式负荷识别事件触发电路有如下关系：
Figure BDA0002889073990000033
由于电阻R4是一个大阻值的电阻，故进一步得到如下关系：
Figure BDA0002889073990000034
从式(8)来看，当电阻类负载投入(切出)时，该电路可以有效的将突变的电流信号平滑为缓慢上升(下降)的电流信号；非电阻类负载投入(切出)时，该电路也不会对输入的电流信号造成其他影响，该电路可以有效的对负荷的投切进行判断识别。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是实施例提供的一种非侵入式负荷识别事件触发电路的结构示意图；
图2是实施例提供的一种非侵入式负荷识别事件触发电路的输入和输出示意图；
图中：1、第一整流二极管；2、第二整流二极管；3、第三整流二极管；4、第四整流二极管；5、变压器初级侧线圈；6、变压器次级侧线圈；7、变压器铁芯；8、整流模块；9、RC滤波电路；10、事件检测模块。
具体实施方式
本发明提出一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，其实施例如图1和图2所示，它包括变压器初级线圈5、变压器次级线圈6、变压器铁芯7、负载电阻R1构成的变比系数为N的变压器；第一整流二极管1、第二整流二极管2、第三整流二极管3、第四整流二极管4、滤波电容C1、稳压电阻R2构成的整流模块8；电容C2、电阻R3构成的RC滤波电路9；电容C3、电阻R4、R5、R6、运算放大器A构成的事件检测模块10；其中变压器的输入端连接负载电阻R1，输出端连接整流模块8输入端，整流模块8的输出端连接RC滤波电路9的输入端，RC滤波电路9的输出端连接事件检测模块10输入端，事件检测模块10的输出端为非侵入式负荷识别事件触发电路的输出端，事件检测模块10的输出端连接微处理器。
总输入输出关系如下：
Figure BDA0002889073990000041
电阻R1将入户侧随时间变化的总交流电流i(t)转换为随时间变化的总交流电压u1(t)，经过变压器变为随时间变化的交流电压u2(t)并输入整流模块，整流模块将随时间变化的交流电压u2(t)转换为随时间变化的直流电压U3(t)经过滤波稳压后输入RC滤波电路，RC滤波电路将得到的电压U3(t)滤波后转换为平滑的随时间变化的直流电压U4(t)并输入事件检测模块，事件检测模块接收随时间变化的直流电压U4(t)并检测直流电压随时间的变化的程度并输出相应的电压信号uo(t)，若电压U4(t)随时间增大，uo(t)输出正向尖峰波；若电压U4(t)随时间减少，uo(t)输出反向尖峰波；事件检测模块连接微处理器，微处理器通过对输出电压uo(t)进行处理得到事件检测的结果。
本实例具体设计参数为：本发明为一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，其输入电流i(t)有效值为：
Figure BDA0002889073990000051
输入电阻R1为100Ω，变压变比N为100；整流模块中第一整流二极管1、第二整流二极管2、第三整流二极管3和第四整流二极管4均采用型号为SS34的肖特二极管，电容C1为2mF，电阻R2为20Ω；RC滤波电路中电阻R3为1kΩ，电容C2为3uF；事件检测模块中电容C3为1mF，电阻R4为2kΩ，电阻R5为100Ω，电阻R6为100Ω，输出uo为：-1.697～1.697V。
对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参考方法部分说明即可。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。应当指出的是，凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，包括变压器初级线圈(5)、变压器次级线圈(6)、变压器铁芯(7)、负载电阻R1构成的变比系数为N的变压器；第一整流二极管(1)、第二整流二极管(2)、第三整流二极管(3)、第四整流二极管(4)、滤波电容C1、稳压电阻R2构成的整流模块(8)；电容C2、电阻R3构成的RC滤波电路(9)；电容C3、电阻R4、R5、R6、运算放大器A构成的事件检测模块(10)；其中变压器的输入端连接负载电阻R1，输出端连接整流模块(8)输入端，整流模块(8)的输出端连接RC滤波电路(9)的输入端，RC滤波电路(9)的输出端连接事件检测模块(10)输入端，事件检测模块(10)的输出端为非侵入式负荷识别事件触发电路的输出端，事件检测模块(10)的输出端连接微处理器。
2.如权利要求1所述的一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，其特征在于整流模块(8)为AC/DC全桥整流电路，用于将负载交流电转换为直流电。
3.如权利要求1所述的一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，其特征在于通过RC滤波电路(9)可以将直流电中包含的高次谐波滤除且可将直流电突变过程平滑为缓慢变化的过程。
4.如权利要求1所述的一种基于整流电路和微分运算电路相结合的非侵入式负荷识别事件触发电路，其特征在于事件检测模块(10)为微分运算电路，用于检测直流电的变化过程并输出相应的电压信号。
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