1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

课题名称：恶意负载识别控制器设计

文 献 综 述
研究背景：
随着电力行业测量与管理的自动化、智能化和网络化的逐步推进，对精度高且带分析功能的多功能电能计量表的需求日益强烈。这种多功能电表是建立在电力电子技术、现代电路技术、数字信号处理技术等基础上集计量和初步分析功能于一体的仪表，它一方面需要完成各种基本的电参数的实时测量，另一方面在此基础上增加电能状况的初步分析功能，最后通过相应的传输信道与服务器进行数据交换和操作交互。针对宿舍用电管理及用电安全存在的种种问题，设计一个已单片机为核心能自动识别恶意电器并能限制其使用的又具有计量功能的电表，一方面能有效防范学生在宿舍使用禁用电器，减少安全隐患并节约用电，另一方面又具有用电管理计量等功能。
国内现状：
经多方面的调查，在各大院校的学生宿舍以及国有企事业单位的职工集体宿舍中,普遍存在着私拉乱接用电设备、超负荷用电、使用违禁电器的现象。给单位的供电系统带来了很大负担,使用电热棒、电饭煲、热得快、烫发器等带来了许多火灾隐患，给集体宿舍或学生公寓的用电管理带来了诸多不便。相关方面经常要花费很大的人力、物力、精力去检查宿舍是否使用了大功率用电器，但收效甚微。在这方面技术不是很完善的时候，为了解决这些问题，国内采用了限电设备，直接限制功率，用电器总功率达到某一值，瞬间断电，这种限电系统有缺陷，会对超过功率却未使用大功率恶性负载进行误判。后来又出现了通过检测阻性负载，对超过功率并且是阻性负载的线路进行断电。这样可以在一定程度上限制此类事故的发生，但可以用分流装置进行系统分流增容。目前国内研制开发了全自动电能计量系统,实现学生公寓的用电管理智能化 [3]并且开发了很多新的技术，其中小波分析可以实现用电负载类型识别,是负载识别的新技术。小波分析法具有多分辨率分析的特点,在时频两域都具有表征信号局部特征的能力,是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法[2]。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。目前有采用电能计量芯片（如ade7755、adc cs5460等等）来设计自动限电控制器，通过对异常用电产生的有功功率精确监测，实现了电源头自动识别、宿舍违章恶性负载的使用和实时检测线路漏电的智能控制。而本项研究采用的是adc cs5460芯片测量电压电流。
cs5460主要特点和优点：
1.符合iec521/1036、jis工业标准
2.能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值和电流有效值；能完成电能/脉冲转换
3.电能测量精度：0.1% 。 4.具有相位补偿和系统校准功能 5.功率消耗lt;12mw。 6.电源配置：va = 5v,va-=0v;vd = 3v～ 5v或va =2.5v,va-=-2.5v;vd = 3v
研究目的和功能特点：
本方案的设计就是专门为了防止恶性负载的使用，避免宿舍火灾的发生，让宿舍用电更加安全，管理更加方便。减少恶意负载识别控制器的成本，便于推广实施。
负载识别器不是简单的根据功率来识别接入电路中用电器的。它是通过对接入电路中各种用电器的电流波形信号的不同来识别的[4]，智能限电控制器是把用电器分为两类：一类是允许使用的用电器（如日光灯、电脑、电视机、充电器、电风扇等）；二是禁止使用的用电器（如热得快、电炉、电饭锅、电水壶等）。当在电路中接入了禁止使用的用电器后，立即自动停止供电，在撤除禁止使用的用电器后，立即自动恢复供电。
本次设计系统分为两个部分，由总台监控机、各个宿舍识别系统组成。总台监控机（pc机）作为上位主机，用于监控、存储数据等；宿舍识别系统分布在每个学生宿舍，主要由单片机和测量元件cs5460芯片实现；监控机与各个宿舍的识别系统通过modbus通信协议连接。其中adc cs5460[1]芯片采集[5]用电器电流和电压数据波形[10]，再通过单片机程序[2]对电闸和报警设施进行控制。
本设计优点：
1.允许使用的用电器的总功率在一定范围内是不受限制的，禁止使用的用电器限制。不是根据功率来识别限制的，是真正的”智能自动识别”。2.cs5460芯片体积小，方便安装。3.cs5460功率消耗小。4.cs5460测量精确度较高。5.通过modbus能够实现统一监控。
系统结构图：

参考文献
[1]牛云鹏.基于专业芯片cs5460的矿用电量变送器[j].工矿自动化,2007,(05)：10-13
[2]李水冰,徐雁,叶妙元,王宇.cs5460在单相电能校验仪中的应用[j].船电技术,2004,(03)：123-125
[3]谷春苗.全自动电能计量管理系统设计[j].长春工程学院学报(自然科学版),2007,(02)：64-67
[4]张殿明.智能多功能数字钟的设计[j].可编程控制器与工厂自动化,2005,(04) ：21-23
[5]项福禄,秦红娟,胡春阳.基于单相功率/电能芯片cs5460的发电机转子阻抗测试仪[j]. 东北电力技术,2004,(09)：131-132
[6]段鸿杰.Δ-Σadc cs5460在压实度检测仪中的应用[j].微计算机信息, 2009,(14) ：21-23
[7]洪涛,刘丽桑,彭侠夫.基于usb接口的电能量测试系统[j].工业控制计算机,2007,(11):78-79
[8]温如春,吴银凤.预付费多费率智能电度表设计[j].微计算机信息,2006,(19)：89-91
[9]高正中,姚福强,李长春.基于profibus-dp现场总线的电能表设计[j].煤矿机械,2004,(08) :45-47
[10]唐彦儒,方伟林.基于nrf2401的高压交流信号数据采集系统的设计[j]. 中国科技信息 ,2007(11):85-88
[11]纪玲玲.路灯控制系统控制方法研究[j].广西物理,2009,(3):65-67 [12]黄卫，孙跃，苏玉刚.非接触电能传输系统的负载识别算法研究[p].重庆大学自动化学院，重庆（400000）
[13]周玲.浅谈学生公寓用电智能化管理［j］.淮南师范学院学报，2007，9（5）：147－148．
[14]周立功．arm 嵌入式系统基础教程［m］.北京:北京航空航天大学出版社,2006．
［15］庞新富,汪毓铎．用电设备阻抗性质识别及其电参量测量与测试［j］．辽宁工学院学报,2004,24（2）：13－17．
［16］徐健,周杏鹏.嵌入式系统基于rtl8019as 的以太网接入设计［j］.电测与仪表,2006,48（48）:63－65.
[17] antoniak,c. e.(1974). mixtures of dirichlet processes with applications to bayesian nonparametric problems. annals of statistics 2,1152#8211;1174.
[18]ferguson,t.s.(1973).a bayesian analysis of some nonparametric problems. annals of statistics 1,209#8211;230.
[19]gilks,w.r.and p. wild(1992).adaptive rejection sampling for gibbs sampling. applied statistics41, 337#8211;348.
[20]realtek inc.rtl8019as datasheet rev.2.1,2004［ eb/ol］.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
1.本课题需要解决的问题：
(1) 对单片机的硬件和外围电路的设计
(2) 利用单片机作为微处理器和cs5460作为测量芯片进行硬件设计
(3) 用keil软件编制程序并进行调试
2.本课题拟采用的研究手段
1、搜集，阅读并理解与设计相关的文献资料。
掌握工业中常用的直流电机的工作原理、控制方法及pwm调压调速的原理。
2、单片机和测量电压电流的芯片选型。
可采用atmel公司推出的s51系列单片机，查阅相关资料，掌握51系列单片机的相关知识。选用cs5460作为测量芯片，查阅cs5460芯片测量的原理，进行硬件的设计。
3、单片机的硬件和外围电路的设计。
通过查阅大量资料和cs5460芯片原理和单片单片机结构原理，使用protues软件画出完整的系统图和电路原理图。
4、系统软件的设计。
根据控制需求，绘出流程图。根据程序流程图用汇编语言，使用keil软件设计、编制各子程序 模块，并最终完成软件系统的编写。
5、程序的嵌入与调试。
进行仿真、调试，固化样机联调，软硬件结合起来调试，找错、修改软硬件，进行 软硬件测试。
拟解决关键问题以及拟采取的研究方法、技术路线：
(1)电能计量。采用cs5460高精度电能计量芯片,计量精度优于2级。
(2)功率控制。用户可以根据需要设定功率限值,控制用电总负荷。
(3)定时自动停送电。方便用户使用,实现无人值守。
(4)加热负载识别。为防止使用加热型负载带来火灾隐患。
(5)电脑联网管理。用一台电脑就可管理多台控电柜,实现智能管理
基本思路： 通过对电压电流的测量，从电压电流的积即功率便可得出所插器件是否为大功率负载，再经过测量电压电流的相位便可知道是否为阻性负载。大功率的阻性发热器件我们就称之为恶性负载，通过检测我们就知道是否有恶性负载插入，然后通过报警方式提醒使用者拔出，在有限时间内，使用者仍未拔出，系统就会采取断电操作，这时便需要人工复位才可恢复通电。 创新点： 目前用于寝室检测恶性负载的器件很少，只有简单的超过限制总功率时自动断电器件，这种断电方式会因某些人的违规使用器件而影响到大多数学生的用电，不够人性化，而本设计更显智能化。采用cs5460模块而不是载波模块，体积小，便于各个宿舍安装推广，而且采用cs5460芯片有利于避开用单片机判断相位的超前滞后，因为所采用的16位单片机一个工作周期较长，cs5460芯片缩短了工作时间，提高了效率。采用了modbus通讯模块，具有以下几个优点：（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。（2）modbus可以支持多种电气接口，如rs-232、rs-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。（3）modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。
可行性分析:
（1）本课题所用的理论技术，包括波形匹配、特征提取、故障诊断方法等，均已发展非常成熟，并已有很多成功的应用实例，可学习、借鉴的知识非常多。
（2）已经具有大量现场采集的历史数据，且对高频电源的机理和过程知识有一定的了解，为接下来的理论验证工作打下了坚实的基础。
（3）matlab/simulink软件工具在现代仿真系统中广泛应用，并且取得很大的成功。
（4）有一定的技术和设备支持。