節(jié)約用電和安全用電，不但是電器使用者們一直關心的話題，而且是終端用電管理部門重點關注的，對于如何方便眾多用戶安全使用的同時實現(xiàn)安全方便的管理，也一直是相關部門科研工作者們努力的方向。

目前已設計出各種各樣的電路來完成這樣的任務，主要的有功率識別法和相位識別法等，但它們都因為電路自身的原因存在缺陷，前者只能對總用電功率進行識別和控制，后者只能識別阻性負載。還有一些提出利用面積比較、BP神經(jīng)網(wǎng)絡、諧波分離等方法來識別負載，這些方法，電路復雜，信號處理算法復雜。還有的對現(xiàn)有電能表電路進行改進后利用微控制器進行控制，這種方法造成電路體積較大，系統(tǒng)復雜，成本高，智能化設計程度低。

基于此，項目組在進行充分調(diào)研和實驗的基礎上，應用戶要求設計了一款新型自適應智能用電控制終端，基于新型高集成度SOC芯片，設計了系統(tǒng)電路和軟件算法，實現(xiàn)對電

器類型的識別、功率檢測和用電控制。實踐應用證明其實用性強，可靠性高。

1 自適應智能用電控制終端系統(tǒng)設計

用電控制的中心任務是對終端用電器通、斷電控制，依據(jù)是該電器是否是在規(guī)定的時間和地點被允許使用的。我們?nèi)粘Ｉ钪休^常用的電器比如電腦、電扇、充電器、照明燈等，這些是可以在規(guī)定的時間段內(nèi)使用的，而不常用的容易引起事故的大功率電器如熱得快、電爐、大功率電吹風等，這些往往是不允許被使用的，小功率易出現(xiàn)事故的如電熱毯、小功率電吹風等，這些是限時使用的。因此新型智能用電控制終端必須解決違規(guī)電器的自動識別和自動控制問題。

本設計采用上海鉅泉光電科技股份有限公司最新研發(fā)推出的最新型低功耗高性能的單相多功能計量SOC芯片ATT7037AU，通過對用電設備的電流和電壓采樣，利用EMU模塊的數(shù)字信號處理功能實時計算出瞬時有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計算等計量功能，根據(jù)這些參數(shù)的變化可以判斷出負載的變化，利用程序算法可以成功解決以往的限電技術不能識別負載，或者負載識別智能性和準確性不高的問題。

以ATT7037AU為核心的智能用電控制終端主要由SOC最小系統(tǒng)電路、電流及電壓采樣電路、紅外接口電路、顯示電路、溫度傳感電路、電源電壓檢測電路、繼電器控制電路、485通訊接口電路、電源電路等組成。其中，ATT7037AU芯片通過外圍電路既能完成用電信息的采集、運算又能夠?qū)崿F(xiàn)和外部交互控制、顯示和通信。智能用電控制終端整體結(jié)構框圖如圖1所示。

2 自適應智能用電控制終端硬件設計

自適應智能用電控制終端的設計重點在于獲取當前用電器的用電信息，提取出有用的負載特征，從而準確地識別用電器的類型，最終做出是否通斷電的動作。另一個重要任務就是精確計量已消費使用的電量，并據(jù)此進行一系列通斷電操作。此外，必要的通訊功能是實現(xiàn)人機友好交互的重要手段，使操作管理更加智能化。

獲取用電信息的手段有很多，比如對電壓電流采樣后再進行AD轉(zhuǎn)換，或者使用模擬電路進行積分，這會導致運算速度很慢，系統(tǒng)精度降低。本設計采用上海鉅泉光電科技股份有限公司最新推出的ATT7037AU芯片，克服了傳統(tǒng)電路相位誤差大、易飽和，抗干擾能力弱，速度慢，穩(wěn)定性差的缺點，實現(xiàn)功率電能信息采集、運算和控制的一體化，結(jié)構簡單，集成度高。

2.1 電能SOC芯片ATT7037AU

ATT7037AU芯片片內(nèi)集成單相計量(3路ADC)、CPU51內(nèi)核處理器、LCD驅(qū)動、電源管理，時鐘管理，RTC模塊及每秒補償機制，溫度/電池電壓測量模塊，PLL，JTAG調(diào)試等功能。芯片能夠通過片內(nèi)ADC采樣提供三路ADC的原始采樣數(shù)據(jù)和同步波形采樣數(shù)據(jù)，內(nèi)部DSP電路能實時計算出有功、無功和視在功率、電壓有效值、電流有效值等，電能計量誤差小于0.1%，電壓，電流有效值測量誤差小于0.5%。通過SFR寄存器和中斷的方式，可以對數(shù)字信號處理部分進行校表參數(shù)配置和計量參數(shù)讀取;計量的結(jié)果還通過PF/QF/SF引腳輸出，也即校表脈沖輸出，可以直接接到標準表進行誤差對比。

系統(tǒng)核心電路包括芯片電源連接電路，晶振電路，JTAG調(diào)試電路，信號采樣端口，雙串口輸出電路，功能按鍵，以及工作指示燈等。

2.2 電壓電流數(shù)據(jù)采樣電路

本控制終端的數(shù)據(jù)來源主要是用電器上的電壓和電流信號，ATT7037AU通過V1P、V1N采樣電流，通過V3P、V3N采樣電壓，通過片內(nèi)的完全獨立的模擬增益放大器(PGA)，可以完成對外部的電壓和電流輸入差分信號的幅度放大，放大后的信號再送給ADC進行采樣和處理，在極小信號輸入時能夠保證測量的線性度。

電流如圖2所示，F(xiàn)LQ為孟桐分流器，其具有線性度好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點;L—IN接火線，作為系統(tǒng)參考地電壓;1K電阻與33nF電容并聯(lián)到地，共同組成低通濾波器，阻止電網(wǎng)中的高頻信號進入芯片內(nèi)部，用來減少對芯片內(nèi)部DSP處理模塊電路的干擾，錳銅電阻兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定的微弱電壓通過VIP、V1N進入芯片內(nèi)部。

電壓采樣電路圖3所示，經(jīng)過串聯(lián)電路電阻分壓后的小信號電壓通過電阻和電容網(wǎng)絡中的V3P、V3N通道進入芯片內(nèi)部。

2.3 電源電路

在普通的智能控電器中，因為系統(tǒng)簡單，控制功率小于2 000 W，因此大多所使用小功率交流繼電器控制，整個系統(tǒng)功耗較低，因此使用了阻容降壓電路來提供系統(tǒng)電源，但是由于繼電器是通電保持性器件，工作過程就會消耗能量，另外大功率的繼電器阻容降壓電源提供的功率不夠。這里選用磁保持型繼電器，12 V的開關電源模塊，同時滿足大功率電流通斷和節(jié)能需要。

2.4 磁保持繼電器驅(qū)動電路

智能用電管理終端的重要任務是通斷電控制，前面一經(jīng)選用了交流60 A的磁保持繼電器BST-902，該繼電器通過給控制引腳施加不同的電平信號來接通或者斷開開關，因此其驅(qū)動電路需要在兩個端口能夠提供高低電平，具體驅(qū)動電路如圖4所示。

2.5 其他電路

作為一個管理終端，需要對用電信息進行存儲，雖然ATT7037AU芯片內(nèi)部自帶存儲，但是因為它是先整頁擦除，然后寫的操作，并且擦寫次數(shù)比較有限，因此比較適合存儲非頻繁操作的數(shù)據(jù)，如控制器地址，控制器計量校正參數(shù)等的存儲，對于電參數(shù)的計量數(shù)值這里選用了AT24C02作為存儲器。

另外，管理終端還要完成485通信和無線抄表的功能，并同時能夠通過顯示屏顯示用戶信息、電參數(shù)信息、電器類型、通斷電信息、警告信息等主要信息，還可以顯示時間、溫度、備份電池電壓等。

485通信電路，支持簡單協(xié)議的485通信操作，如電量的讀取，系統(tǒng)參數(shù)的設置，數(shù)據(jù)處理指令等，紅外收發(fā)電路提高數(shù)據(jù)讀取及控制的效率和安全性。

3 自適應智能用電控制終端軟件設計

自適應控制終端要能夠獨立完成對用電終端電器的用電控制，必須要能根據(jù)當前以及歷史用電信息識別用電器的類型，根據(jù)用電器的類型和電量信息判斷是否允許使用，進

而進行相應的開關控制，以達到對用電端的電能計量、節(jié)能和安全的目的。

3.1 自適應識別原理介紹

自適應控制終端的自適應是有限自適應，即對標準的已知用電器的自適應以及對特定非通用設備的自適應。通過對已有電器的功率特性進行采樣建立樣本數(shù)據(jù)模型庫，從而實現(xiàn)在正常工作的工程中依據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型對電器進行識別，進而達到控制的目的。功率特性主要包括有功功率的范圍和其隨時間變化的趨勢。

3.2 軟件樣本數(shù)據(jù)庫的建立

生活中常見的電器主要分為：阻性、感性、非線性、還有混合型設備。對于阻性設備電器，屬于線性設備，但是惡性負載(大功率阻性負載)多，如熱得快、電水壺等，所以是最危險的用電設備，需要重點關注，但其模型比較簡單，因為其工作過程中電壓、電流相位一致，設備功率比較穩(wěn)定。對于感性設備，如電風扇等，功率穩(wěn)定而適中，模型庫也較簡單。對于非線性設備，有穩(wěn)定工作的設備如電腦等，其特點是工作波形不規(guī)則。對于混合型設備，如空調(diào)，其工作狀態(tài)有多個，而且狀態(tài)多變，狀態(tài)功率不等，功率變化多樣，也是關注的重點和識別的難點。因此，依據(jù)各類電器的特性，可以將數(shù)據(jù)庫中的電器分為功率穩(wěn)定和功率不穩(wěn)定兩類。

3.3 電器工作數(shù)據(jù)模型的建立

這里以功率多變的空調(diào)為例，說明數(shù)據(jù)模型建立的過程。將智能管理終端的紅藍兩根220 V引線通過插頭接入插座，將紅綠兩線接到某型壁掛空調(diào)的電源線端，建立工作電路，終端即上電工作，按下自適應采集控制按鍵，終端通過485總線將實時采集到的功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C記錄，并繪制波形，啟動空調(diào)為制熱模式，空調(diào)工作整個過程的有功功率一時間有效曲線如圖5所示，其中縱軸單位為W，橫軸為S。可以看出空調(diào)啟動后，首先維持了約16 s的1 W功率，然后功率開始上升，到第21 s穩(wěn)定下來，一直到第31 s都保持在679.9 W，之后開始上升，到第71 s時功率達到最大值1917 W，在第71至481 s區(qū)間，功率基本穩(wěn)定在1 800 W左右，波動在±150 W以內(nèi)，從第482 s開始從明顯下降，到516 s降至964 W，然后功率開始在964 w至1 164 w之間按照先增后減的過程呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性震蕩，周期為約170 s，震蕩持續(xù)12個周期，之后關閉空調(diào)，空調(diào)功率很快下降到0W。

圖5所示過程體現(xiàn)了空調(diào)制熱的一般過程，可以看出其中有4個關鍵點，在這些點的兩邊都產(chǎn)生了較大的功率變化，因此依據(jù)這些關鍵點在它們之間取最大、最小值的加權平均，可以建立的數(shù)學模型如圖6所示，其中細曲線為原始數(shù)據(jù)，較粗的折線為模型數(shù)據(jù)。其中最關鍵特征是3個關鍵數(shù)據(jù)797 W、1786 W和1 032 W，以及圍繞這3個功率點的小范圍波動。

3.4 自適應識別程序設計

依據(jù)上述分析，可以設計對應的識別算法程序。識別軟件核心程序流程如圖7所示?？梢钥闯隼么蠊β守撦d是否穩(wěn)定，是否在特征功率附近波動這兩個特性，通過一系列的比較、歸納能夠?qū)⑽覀儽容^關心的惡性負載和空調(diào)從眾多負載中篩選出來，分別進行相應的控制，達到自適應識別控制的目的。

對于功率穩(wěn)定的其他電器模型，只是一些列關鍵有功特征功率不同，算法及流程相同，不再贅述。

4 結(jié)束語

本文基于一款SOC芯片設計了一種新型的用電管理終端，根據(jù)用電負載的不同特性，提取其關鍵特征，給出了一種識別算法流程。與同類產(chǎn)品相比，結(jié)構簡潔，操作簡單，可以有效識別出特定負載和惡性負載，成功解決了以往無法區(qū)分負載特性的問題，從而實現(xiàn)對相應的用電設備進行放行或者關斷等操作。該終端體積小，智能化程度高，實際運行效果證明其具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，滿足了用戶需求。