一種基于功率的負載開關檢測裝置及方法與流程

本發明涉及電量計量領域，并且更具體地，涉及一種基于功率的負載開關檢測裝置。

背景技術：

能源需求是人類社會生存和發展的基礎，是經濟發展的命脈，是影響國家制定策略的重要因素，因此我們必須通過發展一些技術手段來節約和充分利用能源。在日常的能源消耗上，電能是主要的消耗形式，與此同時，電能的消耗比例也在逐年提升，接近一半的能源消耗都是來源于電能的消耗。為了不斷滿足人類對電能的消耗，使能源得到高效合理化的利用,那么家用電器的管理便變得及其重要。

目前，我們住宅內的用戶智能用電網絡還沒有形成，電表僅是得到用戶端總的干線電流、電壓信息。為了了解家用電器的詳細的電量使用情況，需要對電器設備進行負載檢測。對于電力負載的開關檢測的方法有很多，主要有波形匹配、電流強度法、功率法、GOF算法等。各種方法均能夠在一定程度上實現用電負載事件的識別，但由于特征性質單一，識別手段單一，普遍存在泛化能力不夠及不能完全準確識別的問題，使我們無法準確的捕捉到負載開關事件的發生時刻點。具體存在的缺陷通常來說表現在以下兩個方面:

(1)現有的電力信號的干擾嚴重，噪聲多，導致難以精確檢測出用電信號的變化，從而不能準確判斷出負載開關事件的發生點；

(2)負載檢測會常常出現多次檢測開關及漏檢的情況，甚至是檢測不到開關事件的情況，導致檢測準確率不高。

技術實現要素：

本發明的技術方案提供了一種基于功率的負載開關檢測裝置及方法，以解決無法準確檢測負載開關情況的問題。

為了解決上述問題，根據本發明的一個方面，提供了一種基于功率的負載開關檢測裝置，所述裝置包括：電流傳感器、電壓傳感器、A/D轉換模塊、ARM嵌入式核心處理模塊和存儲模塊，

所述電流傳感器，用于對家庭用電中的電流模擬信號進行檢測，并將所述電流模擬信號傳輸至A/D轉換模塊；

所述電壓傳感器，用于對家庭用電中的電壓信號進行檢測，并將所述電壓信號傳輸至A/D轉換模塊；

所述A/D轉換模塊，用于將所述電流模擬信號和電壓模擬信號分別轉換為電流數字信號和電壓數字信號，并將所述電流數字信號和電壓數字信號傳輸至ARM嵌入式核心處理模塊；

所述ARM嵌入式核心處理模塊，用于對所述電流數字信號和電壓數字信號進行處理，得到相鄰兩個周期的功率強度的變化值，并將所述功率強度的變化值和預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件；提取所述電流數字信號和電壓數字信號的信號特征數據；以及

所述存儲模塊，用于存儲所述電流數字信號、電壓數字信號和信號特征數據。

優選地，其中所述電流傳感器串聯在用戶家庭用電的火線上。

優選地，其中所述電壓傳感器并聯在用戶家庭用電的總線上。

優選地，其中所述ARM嵌入式核心處理模塊，對所述電流數字信號和電壓數字信號進行處理，得到相鄰兩個周期的功率強度的變化值，并將所述功率強度的變化值和預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件包括：

根據所述電流數字信號和電壓數字信號計算得到每個采集點的功率值；

將所述采集點分為至少兩個周期，分別將每個周期的采集點的功率值與所對應周期的平均功率值相減并取絕對值后求和，再除以每個周期總的采集點個數，得到每個周期的功率強度值；

分別計算每個周期的功率強度值與前一個周期的功率強度值的差值，得到相鄰周期功率強度的變化值；以及

將所述相鄰周期功率強度的變化值分別與預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件，其中所述預設閾值包括：預設開啟閾值和預設關閉閾值，當所述相鄰周期功率強度的變化值大于預設開啟閾值時，表示存在負載的開啟事件，當所述相鄰周期功率強度的變化值小于預設開啟閾值時，表示存在負載的關閉事件。

優選地，其中所述裝置還包括：低通濾波器、WIFI通信模塊和服務器，

所述低通濾波器，用于在將所述電流模擬信號和電壓模擬信號傳輸至A/D轉換模塊前，對所述電流模擬信號和電壓模擬信號進行低通濾波處理；

所述WIFI通信模塊，用于ARM嵌入式核心處理模塊和服務器的數據與指令的傳輸；以及

所述服務器，用于接收所述信號特征數據，并根據所述信號特征數據對負載類別進行識別。

根據本發明的另一個方面，提供了一種基于功率的負載開關檢測方法，所述方法包括：

采集家庭用電中的電流模擬信號和電壓模擬信號；

將所述電流模擬信號和電壓模擬信號分別轉換為電流數字信號和電壓數字信號；以及

對所述電流數字信號和電壓數字信號進行處理，得到相鄰兩個周期的功率強度的變化值，并將所述功率強度的變化值和預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件。

優選地，其中在所述將所述電流模擬信號和電壓模擬信號分別轉換為電流數字信號和電壓數字信號前，對所述電流模擬信號和電壓模擬信號進行低通濾波處理。

優選地，其中所述對所述電流數字信號和電壓數字信號進行處理，得到相鄰兩個周期的功率強度的變化值，并將所述功率強度的變化值和預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件的方法包括：

根據所述電流數字信號和電壓數字信號計算得到每個采集點的功率值；

將所述采集點分為至少兩個周期，分別將每個周期的采集點的功率值與所對應周期的平均功率值相減并取絕對值后求和，再除以每個周期總的采集點個數，得到每個周期的功率強度值；

分別計算每個周期的功率強度值與前一個周期的功率強度值的差值，得到相鄰周期功率強度的變化值；以及

將所述相鄰周期功率強度的變化值分別與預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件，其中所述預設閾值包括：預設開啟閾值和預設關閉閾值，當所述相鄰周期功率強度的變化值大于預設開啟閾值時，表示存在負載的開啟事件，當所述相鄰周期功率強度的變化值小于預設開啟閾值時，表示存在負載的關閉事件。

優選地，其中所述方法還包括：

提取所述電流數字信號和電壓數字信號的信號特征數據；

將所述電流數字信號、電壓數字信號和信號特征數據進行存儲；以及

根據所述信號特征數據對負載類別進行識別。

本發明的有益效果在于：

本發明設計的負載開關事件檢測裝置，包含了電流傳感器、電壓傳感器、A/D轉換模塊、ARM嵌入式核心處理模塊和存儲模塊，實現用電負載開關事件的有效檢測，通過得到精確的電流和電壓信號，保證其波形完整性，為負載開關事件檢測的準確性提供了保障。同時，本發明對負載開關事件的監測方法進行了優化，使用功率的強度的變化值與預設閾值作比較，有效解決了普遍出現的小功耗事件的少判、漏判等問題，提高了對負載開關事件判斷的準確率。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發明的示例性實施方式：

圖1為根據本發明實施方式的開關檢測裝置100的結構示意圖；

圖2為根據本發明實施方式的開關檢測方法200的流程圖；以及

圖3為根據本發明實施方式的判斷負載開關事件的方法300的流程圖。

具體實施方式

現在參考附圖介紹本發明的示例性實施方式，然而，本發明可以用許多不同的形式來實施，并且不局限于此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發明，并且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本發明的范圍。對于表示在附圖中的示例性實施方式中的術語并不是對本發明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。

除非另有說明，此處使用的術語(包括科技術語)對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過于正式的意義。

圖1為根據本發明實施方式的開關檢測裝置100的結構示意圖。如圖1所示，所述開關檢測裝置100通過連接在用戶家庭用電上的電流傳感器和電壓傳感器，利用電流傳感器和電壓傳感器對家庭用電中的電信號進行采集，得到所用電器在開關狀態和穩定工作狀態時的電流模擬信號和電壓模擬信號，并將此電流模擬信號和電壓模擬信號進行低通濾波，降低噪聲造成的干擾，然后通過A/D轉換，將所述電壓模擬信號和電流模擬信號分別轉化成電壓數字信號電流數字信號，再將所述電流模擬信號和電壓模擬信號傳輸給ARMS3C2440A嵌入式處理模塊，實現對電流和電壓信號的顯示、數據存儲、提取電流和電壓進行處理，分別計算每個周期的功率強度值與前一個周期的功率強度值的差值，得到相鄰周期功率強度的變化值，并將所述相鄰周期功率強度的變化值分別與預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件，所述裝置100包括：電流傳感器101、電壓傳感器102、A/D轉換模塊103、ARM嵌入式核心處理模塊104和存儲模塊105。優選地，所述電流傳感器101，用于對家庭用電中的電流模擬信號進行檢測，并將所述電流模擬信號傳輸至A/D轉換模塊。優選地，其中所述電流傳感器101串聯在用戶家庭用電的火線上。在本發明的實施方式中，采用ACS756電流傳感器將電流傳感器串聯在家庭用電的火線中，能夠檢測到家庭用電中的電流的模擬信號，以滿足后續工作中對電流信號的處理、存儲和控制等要求。所有能達到相同效果的電流傳感器均可以作為本發明中電流傳感器使用，并不僅限于本發明的實施方式中使用的ACS756電流傳感器。

優選地，所述電壓傳感器102，用于對家庭用電中的電壓信號進行檢測，并將所述電壓信號傳輸至A/D轉換模塊。優選地，其中所述電壓傳感器并聯在用戶家庭用電的總線上。在本發明的實施方式中，采用型號為HV-25P/400的電壓傳感器，并將所述電壓傳感器并聯在家庭用電的總線路中，能夠檢測到家庭用電中的電壓的模擬信號，滿足后續工作的需求。所有能達到相同效果的電壓傳感器均可以作為本發明中電壓傳感器使用，并不僅限于本發明的實施方式中使用的HV-25P/400電壓傳感器。

優選地，所述A/D轉換模塊103，用于將所述電流模擬信號和電壓模擬信號分別轉換為電流數字信號和電壓數字信號，并將所述電流數字信號和電壓數字信號傳輸至ARM嵌入式核心處理模塊104。在本發明的實施方式中，采用ADS1256作為A/D轉換器，所述轉換器為24位，能夠提高電壓模擬信號和電流模擬信號的轉換精度，保證了轉換后的數字信號的精確和波形的完整，為ARM嵌入式核心處理模塊提供24位的高精度數字信號。所有能達到相同效果的A/D轉換器均可以作為本發明中A/D轉換器使用，并不僅限于本發明的實施方式中使用的ADS1256A/D轉換器。

優選地，所述ARM嵌入式核心處理模塊104，用于對所述電流數字信號和電壓數字信號進行處理，得到相鄰兩個周期的功率強度的變化值，并將所述功率強度的變化值和預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件；提取所述電流數字信號和電壓數字信號的信號特征數據。優選地，其中所述ARM嵌入式核心處理模塊104，對所述電流數字信號和電壓數字信號進行處理，得到相鄰兩個周期的功率強度的變化值，并將所述功率強度的變化值和預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件包括：

根據所述電流數字信號和電壓數字信號計算得到每個采集點的功率值；

將所述采集點分為至少兩個周期，分別將每個周期的采集點的功率值與所對應周期的平均功率值相減并取絕對值后求和，再除以每個周期總的采集點個數，得到每個周期的功率強度值；

分別計算每個周期的功率強度值與前一個周期的功率強度值的差值，得到相鄰周期功率強度的變化值；以及

將所述相鄰周期功率強度的變化值分別與預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件，其中所述預設閾值包括：預設開啟閾值和預設關閉閾值，當所述相鄰周期功率強度的變化值大于預設開啟閾值時，表示存在負載的開啟事件，當所述相鄰周期功率強度的變化值小于預設開啟閾值時，表示存在負載的關閉事件。

優選地，所述存儲模塊105，用于存儲所述電流數字信號、電壓數字信號和信號特征數據。

優選地，其中所述裝置還包括：低通濾波器106、WIFI通信模塊107和服務器108，在嵌入式處理模塊中，對所得到的電流和電壓的數字信號進行了處理，得到負載在每個周期內的功率變化值和信號特征數據，并通過WIFI通信模塊將這些特征上傳到服務器端，實現電器類型的識別與分類。

優選地，所述低通濾波器106，用于在將所述電流模擬信號和電壓模擬信號傳輸至A/D轉換模塊前，對所述電流模擬信號和電壓模擬信號進行低通濾波處理；

優選地，所述WIFI通信模塊107，用于ARM嵌入式核心處理模塊和服務器的數據與指令的傳輸。WiFi通信模塊負責嵌入式核心處理模塊與服務器端的數據與指令的傳輸，將嵌入式核心處理模塊上傳到服務器端，同時可以接受服務端下達的各種指令。WiFi通信模塊107使用的無線通信技術可以為Zigbee技術、WiFi技術或藍牙技術等達到相同效果的其他無線傳輸技術。

優選地，所述服務器108，用于接收所述信號特征數據，并根據所述信號特征數據對負載類別進行識別。服務器接收ARM嵌入式核心處理模塊傳輸過來的信號特征數據，進行進一步的分類識別處理，實現電器類型的判斷和用電狀態監測。

圖2為根據本發明實施方式的開關檢測方法200的流程圖。如圖2所示所述開關檢測方法200從步驟201處開始，在步驟201采集家庭用電中的電流模擬信號和電壓模擬信號。

優選地，在步驟202將所述電流模擬信號和電壓模擬信號分別轉換為電流數字信號和電壓數字信號。優選地，其中在所述將所述電流模擬信號和電壓模擬信號分別轉換為電流數字信號和電壓數字信號前，對所述電流模擬信號和電壓模擬信號進行低通濾波處理。

優選地，在步驟203對所述電流數字信號和電壓數字信號進行處理，得到相鄰兩個周期的功率強度的變化值，并將所述功率強度的變化值和預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件。圖3為根據本發明實施方式的判斷負載開關事件的方法300的流程圖。如圖3所示，所述判斷負載開關事件的方法300從步驟301處開始，在步驟301根據所述電流數字信號和電壓數字信號計算得到每個采集點的功率值。通過P＝UI公式計算功率，得到每個采集點對應的功率值。

優選地，在步驟302將所述采集點分為至少兩個周期，分別將每個周期的采集點的功率值與所對應周期的平均功率值相減并取絕對值后求和，再除以每個周期總的采集點個數，得到每個周期的功率強度值。在本發明的實施方式中，每個周期的采集點個數為74個。

優選地，在步驟303分別計算每個周期的功率強度值與前一個周期的功率強度值的差值，得到相鄰周期功率強度的變化值。

優選地，在步驟304將所述相鄰周期功率強度的變化值分別與預設閾值進行比較，判斷負載的開關事件，其中所述預設閾值包括：預設開啟閾值和預設關閉閾值，當所述相鄰周期功率強度的變化值大于預設開啟閾值時，表示存在負載的開啟事件，當所述相鄰周期功率強度的變化值小于預設開啟閾值時，表示存在負載的關閉事件。在本發明的實施方式中，在計算得到負載功率強度的突變點時，將此時的功率強度突變的數據點標記為負載開關事件的發生點，然后重新讀取新的采集點的功率數據繼續進行判斷，直至每個周期的功率數據點全部被檢測完畢，最終判斷出負載開關事件。

優選地，其中所述方法還包括：提取所述電流數字信號和電壓數字信號的信號特征數據；將所述電流數字信號、電壓數字信號和信號特征數據進行存儲；以及根據所述信號特征數據對負載類別進行識別。

已經通過參考少量實施方式描述了本發明。然而，本領域技術人員所公知的，正如附帶的專利權利要求所限定的，除了本發明以上公開的其他的實施例等同地落在本發明的范圍內。

通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考“一個/所述/該[裝置、組件等]”都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這里公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。