非侵入式负载识别

1
较大，难以达到 15mA 的电流限制要求。 方案二：MSP430 作为采集模块的主控，将采集的所有数据实时传输，降低此处单
片机的运算量从而降低功耗。但是由于实时传输会导致数据丢包的风险加大。因此我们 采用了 TI 的 CC2540 蓝牙模块，在保证低功耗的同时，并且利用蓝牙 4.0 的特性，降低 丢包率。综上所述，我们采用方案二。
5
测试仪器：（见表 4-1）
表 4-1 测试仪器清单
序号
仪wenku.baidu.com名称
型号
指标
1
数字万用表 FLUKE17B+
2
双踪示波器
1102E
100MHz
3
单相电参数测 远方 PF9802
试仪
数量 2 1 1
3、测试结果及分析
（1）测试结果(数据)
表 4-2 在市电情况下，测试 7 种不同状态的用电器情况
序号
电压/V
电流/MA
功率因数
特征参数
1
219.56
45
0.235
3
2
218.46
8500
1.00
7
3
220.34
35
0.679
2
4
216.51
103
0.546
4
5
219.66
27
0.543
5
6
217.54
47
0.876
6
7
220.13
5
1.00
1
从表 4-2 所测数据可以看出，器件能很好的根据电流和功率因数将不同序号的用电
通过 MSP430F2618 的 Timer_A 定时器，定时读取 AD 值和定时与 RN8209G 通讯获 取数据，再通过蓝牙把数据包发送至远程显示模块进行数据处理与显示，设计流程如下：
4
开始
系统初始化
参数采集
蓝牙数据传输
图 3-2-1 监测端流程图
四、测试方案与测试结果
1、测试方案
开始
系统初始化
蓝牙数据传输
监测模式
模式选择
学习模式
显示用电器件 状态
对数据进行处 理
获取并保存特 征参数
图 3-2-2 接收端流程图
无线显示端
监测装置
单相用电器
单相电参数测 试仪
万用表
图 4-1 测试框图
2、测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查 无误，硬件电路保证无虚焊。
四、测试方案与测试结果.............................................. 5 1、测试方案.......................................................................................................... 5 2、测试条件与仪器.............................................................................................. 5 3、测试结果及分析.............................................................................................. 6
方案二：采用定制的变比为 150 的电流互感器 KCS121，经过变压器放大后对小电 流检测效果良好，但是测量大电流时不能经过变压器放大，需要分为两路测量。虽然外 围电路搭建比方案一较为麻烦，但是能较好的完成测试要求，所以选择方案二。
3、电参数采集模块的论证与选择
方案一：采用 STM32 做为电参数采集模块的主控，其处理速度快，可以实时处理数 据，降低传输时所需传输的数据量，减少丢包风险，但是其拥有较为明显缺点——功耗
其采样算法流程如下：
初始化时间 t= 1;
设置 u=(u1,u2,⋯,uN)的值，并初始化初始状态 Θ(t)=u
重复以下的过程：
令 t=t+1
2
对每一维：i=1,2,⋯N θ(t)1∼p(θ1∣θ(t−1)2,⋯,θ(t−1)N) θ(t)2∼p(θ2∣θ(t)1,⋯,θ(t−1)N) ⋯ θ(t)N−1∼p(θN−1∣θ(t)1,⋯,θ(t−1)N) θ(t)N∼p(θN∣θ(t)1,⋯,θ(t)N−1) 直到 t=T
图 2-2-1 吉布斯采样仿真结果
三、电路与程序设计
1、电路的设计
（1）RN8209G 测量电路设计
图 3-1-1 RN8209G 测量电路
3
（2）电流互感测量电路设计
图 3-1-2 电流互感测量电路 （3）电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供 5V 与 3.3V 的电压， 使系统正常稳定工作。
五、结论与心得...................................................... 6 六、参考文献........................................................ 6 附录 1：源程序 ......................................................7
器进行特征参数提取与分类。
五、结论与心得
在四天的短暂时间里，完成了单相用电器分析监测装置的设计与整套系统的搭建， 经过各项指标的测试，达到了各项指标，并且大多数指标远超设计要求。
四天虽然短暂，但在这四天里所学到的知识和收获的经验是无法估量的。
六、参考文献
[1] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2015 [2] 孙亮.实用机器学习[D].北京:人民邮电出版社,2011 [3] 姚春年.电路基础[M].北京:人民邮电出版社,2010
方案二：使用一款高性能的电能计量芯片 CS5460 可以测量基本的单相电参数，但 是其适合的电流互感线圈变比为 1000：1，不适合测量小电流。
综合以上两种方案，选择方案一，利用 RN8209G 能较好的满足要求。
2、电流互感信号采集的论证与选择
方案一：采用通用的变比为 1000 的电流互感器 DL-CT1005A，其对大电流测试效果 良好，但是无法检测较小电流。
2、程序的设计
（1）程序功能描述 根据题目要求软件部分主要实现对数据采集与分析与键盘的设置和显示。 1）键盘实现功能：切换工作模式。 2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。 3）数据采集与分析部分：利用 485 总线与 AD 获取数据，并且利用基于 Gibbs 采
样的机器学习方法进行处理。 （2）程序设计思路
二、系统理论分析与计算.............................................. 2 1、电流互感模块设计.......................................................................................... 2 2、基于 Gibbs 采样的机器学习 ..........................................................................2
目录
一、系统方案........................................................ 1 1、单相电参数检测的论证与选择...................................................................... 1 2、电流互感信号采集的论证与选择.................................................................. 1 3、电参数采集模块的论证与选择...................................................................... 1
单相用电器分析检测装置（K 题） 【本科组】
一、系统方案
本系统主要由单相电参数检测模块、电流互感模块、电参数采集模块、便携终端显 示模块。
STM32（无线显 示终端）
电流互感电路
RN8209G测量电 路
MSP430（分析检 测装置）
图 1-1 系统框图
单相用电器
1、单相电参数检测的论证与选择
方案一：采用 RN8209G 能够测量基本的单相电的电压电流以及功率因数等基本参 数，并且精度达到 1 级。电流测量宽度较宽，对小电流的检测效果良好。
2017 年全国大学生电子设计竞赛
单相用电器分析监测装置（K 题）
2017 年 8 月 12 日
摘要
本文介绍了利用 RN8209G、KCS121、TI-CC2640 等芯片与器件作为采集电 路，基于 TI 的 MSP430、STM32 的单相用电器分析检测装置。该系统利用电能 测量芯片与电流互感采样电路配合，通过测量系统的电压、电流、功率因素与电 流波形等数据，并利用基于有功功率与负荷的波形特征分析的识别方法进行特征 参数提取与负载识别。并且该系统利用了基于 Gibbs 采样的机器学习算法，实现 了在学习模式下对陌生负载的特征参数提取与识别。符合基本的设计规范。实测 结果表明，本系统实现了题目要求的全部指标。 关键词：MSP430；特征参数提取；Gibbs 采样
三、电路与程序设计.................................................. 3 1、电路的设计...................................................................................................... 3 （1）RN8209G 测量电路设计 ....................................................................3 （2）电流互感测量电路设计...................................................................... 4 （3）电源...................................................................................................... 4 2、程序的设计...................................................................................................... 4 （1）程序功能描述...................................................................................... 4 （2）程序设计思路...................................................................................... 4
经过匝数比为 24：220 的变压器放大
VOUT
=
1.9 220 24
= 17.1mv
其峰值为：
VOUT = 17.1 2 = 23.94mv
满足 12 位 ADC 的测量范围。 当经过最大电流时，采样电阻输出电压为：
VOUT =
I R = 150
10 56 150
= 3.733V
因此大电流时，不需要经过变压器对电压进行放大。
6
附录 1：源程序
#include "led.h" #include "delay.h" #include "key.h" #include "sys.h" #include "lcd.h" #include "usart.h" #include "rs485.h" #include "timer.h"
二、系统理论分析与计算
1、电流互感模块设计
根据题目需求，要求最小的用电器件电流为 5ma.因此采用匝变比为 150 的电流互感
线圈。通过合理的外部电路处理，就可以实现题目要求。
当流经最小电流 5ma，电流互感在采样电阻为 56 欧时输出电压为：
VOUT =
I R = 150
5 56 = 1.9mv 150
假设对信号进行放大的门限值设置为 3V，因此，进行放大时，线路上最大电流为：
I MAX
= VMAX 150 R
=
3 150 56
= 0.88A
因此，需要根据电流大小对采样电路进行分别处理。
2、基于 Gibbs 采样的机器学习
Gibbs 采样是 Metropolis-Hastings 采样算法的特殊形式，即找到一个已知的分布，使 得接受率α=1。这样，每次的采样都会被接受，可以提高 MCMC 的收敛速度。