【正文】 = ??2/2/2TTTf [U sin(ωt)] sin(nωt)dt， n=2， 3， 4．．． 對比式 (41)~式 (44)可以看出， a2n = a1n， b2n = b1n， n=2， 3， 4．．．，即諧波分量不變。故可以得出：投入線性負載后，供電線路上總電流的諧波分量幅值不變。線性負載的投入僅影響了總電流的基波和直流分量。 當 S 閉合，假設投入的負載是非線性負載，設流過 Z1 的電流為 i1 (t)=g[u(t)]=g[U sin(ωt)]， 此時供電側的總電流為 iL(t)= i1(t)+ i2(t)= g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)] 對總電流 iL(t)進行傅立葉變換，其高次諧波 系數為 a3n = ??2/2/2TTTiL(t)cos(nωt)dt (45) = ??2/2/2TTT{ g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)]} cos(nωt)dt = ??2/2/2TTTg[U sin(ωt)] cos(nωt)dt + ??2/2/2TTTf [U sin(ωt)] cos(nωt)dt， n=2， 3， 4．．． b3n = ??2/2/2TTTiL(t)sin(nωt)dt (46) = ??2/2/2TTT{ g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)]} sin(nωt)dt = ??2/2/2TTTg[U sin(ωt)] sin(nωt)dt + ??2/2/2TTTf [U sin(ωt)] sin(nωt)dt， n=2， 3， 4．．． 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 14 對比式 (41)與式 (42)，式 (45)與式 (46)可以看出 ， a3n≠ a1n ， b3n≠ b1n ， n=2，3， 4．．． ，即諧波分量不等，而是在 a1n ， b1n， n=2， 3， 4．．．的基礎上增加了非線性負載 Z1 產生的諧波分量。由于學生公寓的非線性負載主要為計算機、熒光燈、電視機等，這三類非線性負載電流脈沖和諧波相位是基本重合的，因此非線性負載 Z1的投入只會使供電電流 iL(t)諧波增加，而不會抵消原 有的諧波分量。 根據以上分析，可以得出結論：投入線性負載后，供電線路上總電流的諧波分量不變。線性負載的投入僅影響了總電流的基波和直流分量。而投入非線性負載，則會增加總電流的諧波分量。 本系統(tǒng)采用的負載識別方法 由于電路接入非線性負載 （ 即計算機類負載 ） 后，電流的諧波分量就會增加 [10][11]，且 3 次諧波幅值較大，因此我們可以通過檢測 3 次諧波是否增加來判斷是否有計算機類負載接入。 通過電路中功率值的變化和諧波的變化判斷是否有惡性負載接入，從而實現斷電。 識別的原理 阻性負載尤其是惡性負載接 入電路時，電路中的功率值發(fā)生臺階性變化，電路中的諧波值變化很小，功率因數接近于 1。計算機類負載接入時，電路中的 3 次諧波值變化很大。 研究方法 電路的穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化時，首先判斷電路的功率和電流值是否超過設定的閾值，超過的話系統(tǒng)跳閘，沒有超過，系統(tǒng)繼續(xù)進行判斷。如果電路中的 3 次諧波電流增加，證明有計算機類負載接入，系統(tǒng)不做任何動作；如果電路中的功率發(fā)生臺階性變化，功率因數增加，數值接近于 1，并且諧波分量變化很小，證明有阻性負載接入，系統(tǒng)做進一步判斷，如果功率值在瞬間達到平穩(wěn)值，證明是電磁類加熱負載接入 ，系統(tǒng)不做任何判斷，如果功率以及電流經過若干周期后達到平穩(wěn)值，證明有電阻絲加熱類負載接入，系統(tǒng)跳閘；幾秒后，沒有惡性負載的前提下，系統(tǒng)重新供電。 程序設計及流程圖 負載識別功能的實現是通過對電壓電流進行實時采樣，經 A/D 轉換后輸入單片機內部存儲單元中，通過功率和諧波的變化判斷是否有惡性負載接入。 如果有惡性負石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 15 載接入，系統(tǒng)跳閘，拔除惡性負載后，系統(tǒng)恢復供電。程序流程圖如圖 42 所示 。 功率因數接近 1，諧波變化很小 有阻性負載接入 功率值短時達 到平穩(wěn) 若干周 期后功率和電流平穩(wěn) 跳 閘 不動作 Y Y N Y N Y 恢復供電 N Y N Y 功率和電流超限 3 次諧波電流增加 N 電壓電流采樣 功率因數 等于 1 圖 42 程序流程圖 N 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 16 C 語言程序 void overload() { if(relay_state == 1) { float pfm=0。 float I3。 float I1。 float k。 float power_threshold。 float type_threshold。 float powerNum。 float type_ratio。 float power。 float k_vole。 float fac。 float T。 k=I3/I1。 power_threshold=800。 //總功率閾值 type_threshold=200。 //200W 以上開始判斷阻性負載 type_ratio=。 // P/Imax 為阻性負載 if (powerpower_threshold) overload_flag = 1。 //超載 if(k0) puterload_flag=1。 //計算機類負載 pfm = fabsf(powerNum[0]powerNum[1])。 //增量絕對值 if(pfm60) { if ( k_voletype_ratio ) { if (fac) resistive_flag = 1。 //阻性負載 } else resistive_flag = 1。 //阻性負載 } 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 17 if((overload_flag == 1)amp。amp。(resistive_flag == 0)) //過載 { write_abnormal(0x5a)。 off_relay()。 void delay(void) } else if((overload_flag == 0)amp。amp。(resistive_flag == 1)) //阻性負載 if(T50) maligantload_flag=1。 //惡性負載 { write_abnormal(0xaa)。 off_relay()。 void delay(void) } else if((overload_flag == 1)amp。amp。(resistive_flag == 1)) //過載 +阻性負載 { write_abnormal(0x9a)。 off_relay()。 void delay(void) } overload_flag = 0。 resistive_flag = 0。 } } //延時程序 void delay(void) //延時 30s { unsigned char a,b,c,n。 for(c=254。c0。c) for(b=232。b0。b) for(a=253。a0。a)。 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 18 for(n=2441。n0。n)。 } 實驗數據 表 41 實驗數據 負載類型 功率 /W Δ I 持續(xù)周期 功率因數 基波幅值 三次諧波幅值 五次諧波幅值 電爐子 1000 50 1 電飯鍋 1500 3 1 聯(lián)想鋒行 163 8 1 臺式機 180 8 1 九陽豆?jié){機 880 12 1 電動車 87 20 1 電熱水器 3500 50 1 三星充電器 0 1 飲水機 800 3 1 熒光臺燈 9 3 1 從以上數據可以看出： (1)阻性負載的功率因數大于 ，三次諧波幅值很小。 (2)計算機類負載功率因數約為 ，三次諧波幅值較大，接入電路后電流變化持續(xù)周期較短。 (3)惡性負載功率較大，功率因數接近 1，三次諧波幅值很小，接入電路后電流變化持續(xù)周期較長。 本章小結 本章分析了學生公寓常用負載的類型，根據負載接入電路后的特性研究了惡性負載識別的方法，并用 C 語言編程實現 [12]，初步達到了惡性負載識別的目的。 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 19 第 5 章 CAN 通信設計 CAN 總線概述 CAN(Controller Area Network)總線是一種能有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，是 80 年代初德國 Bosch 公司為解決現代汽車中眾多測控儀器間的信息交換而開發(fā)的一種數據通信協(xié)議；這是一種多主總線，其使用范圍遍及高速網絡和低成本多線路網絡，特別適合工業(yè)自動化領域。目前 CAN 協(xié)議己納入 ISO 標準。 CAN的最高傳輸速率為 1Mbps，最大傳輸距離 10Km，網絡上的最多節(jié)點數理論上為 2021個，實際可達 ll0 個 [13]。 CAN 以差動方式進行數據的傳送，其總線有顯性 （ 邏輯 0） 和隱性 （ 邏輯 1） 兩種狀態(tài)。當顯性位和隱性位同時發(fā)送時，總線呈 顯性狀態(tài)。在隱性狀態(tài)，兩條物理總線被固定于平均電壓，電平差近似為 0，而顯性狀態(tài)時，兩條物理總線電壓差大于某域值。 CAN 總線的主要特征 (1)實現了全分布式多機系統(tǒng)，無主從機之分，網絡上任何節(jié)點均可在任意時刻主動地向其它節(jié)點發(fā)送信息，是一種典型的半雙工通信方式 [14]。 (2)采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術，當兩個以上節(jié)點同時向網絡上發(fā)送消息時，優(yōu)先級低的節(jié)點 主動停止發(fā)送數據，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響繼續(xù)發(fā)送，有 效避免了總線沖突。據此 ,可以將各節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實時性要求。 (3)CAN 可以實現遠程數據請求， 通過發(fā)送一個遠程幀，需要數據的節(jié)點可以請求另一個節(jié)點發(fā)送相應的數據幀，該數據幀和對應的遠程幀以相同的表示符 D 命名。 (4)CAN 總線報文傳輸不含目標地址，以全局廣播為基礎，各接收站根據標識符過濾報文，決定是否接收，其優(yōu)點在于可實現在線上下網和多點接收。 (5)CAN 總線采用監(jiān)視總線，循環(huán)冗余校驗、位填充和報文格式檢查等措施，保證了極低 的信息出錯率。 (6)CAN 節(jié)點有能力識別永久性故障和短暫擾動，且故障節(jié)點在錯誤嚴重時會自動切斷與總線的聯(lián)系。 (7)CAN 中有損報文由檢出錯誤的任何節(jié)點進行標定，這樣的報文將失效，并自石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 20 動進行重新發(fā)送。 (8)CAN 總線用戶接口簡單，編程方便，配置靈活，很容易構成用戶系統(tǒng)。 CAN 通信 數據幀格式 數據幀格式 幀頭 （ F0H F0H） 幀尾 （ DFH DFH） 確認幀：幀頭 +命令 +幀尾，連接確認命令 =00； 上位機發(fā)送的校時時間、作息時間都為 BCD 格式 。 下傳負載判斷表 下傳 格式：幀頭 （ F0H F0H） + 12H + 負載的特征值 + 幀尾 （ DFH DFH） 注意：負載的特征值主要包括負載的功率 ， 負載在標準 220V 電壓下的基波電 以及 7 次諧波電流等。 返回格式： 幀頭 （ F0H F0H） + 12H + 幀尾 （ DFH DFH） 數據查詢類 (1)查詢作息時間 下傳格式：幀頭 （ F0H F0H） + 30H + 校驗和 + 幀尾 （ DFH DFH） 返回格式：幀頭 （ F0H F0H） + 30H + 時分 /時分 + 校驗和 + 幀尾 （ DFH DFH） (2)查詢最大功率 （ 2 字節(jié) ） 下傳格式：幀頭 （ F0H F0H） + 31H + 校驗和 + 幀尾 （ DFH DFH） 返回格式：幀頭 （ F0H F0H） + 31H + 功率 + 校驗和 + 幀尾 （ DFH DFH） (3)查詢控制模式 下傳格式：幀頭 （ F0H F0H） + 32H + 校驗和 + 幀尾 （ DFH DFH） 返回格式：幀頭 （ F0H F0H） + 32H + 00/01/02 + 校驗和 + 幀尾 （ DFH DFH） CAN 接口通信軟件設計 CAN 接口通信軟件分為 3 部分： CAN 初始化、數據發(fā)送、數據接收 。 CAN 初始化主要是 設 CAN 的通信參數 。 需要初始化的 CAN 控制寄存器有：模式寄存器、時分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線定時寄存器、輸出控制寄存器等 。 值得注意的是：這些寄存器只能在 CAN 控制器處于復位狀態(tài)下才可寫 訪問。發(fā)送數據程序石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 21 把數據存儲區(qū)中待發(fā)送的數據取出，組成信息幀，并 將主機的 D 地址 填入幀頭，然后將信息幀發(fā)送到 CAN 控制器的發(fā)送緩沖區(qū) 。 在接收到主機的發(fā)送請求后，發(fā)送程序啟動發(fā)送命令 。 信息從 CAN 控制器發(fā)送到總線是由 CAN 控制器自動完成的。信息從 CAN 總線到 CAN 控制器的接收緩沖區(qū)也是由 CAN 控制器自動完成的。接 收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取信息，井將其存儲在數據存儲區(qū)。軟件系統(tǒng)采用 C51 高級語言編寫。 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 5l 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，因為C 語言很好的結構性和模塊化，更容易閱讀和維護。 C51 優(yōu)化的 C 語言交叉編譯器Keil C51 交叉編譯器是一個基于 ANSIC 標準的針對 8051 系列 MCU 的 C 編譯器 /生成的可執(zhí)行代碼快速緊湊在運行速率和速度上可以和匯編程序得到的代碼相媲美。采用 C 語言編寫可以使執(zhí)行效率更高，運行可靠性更強。 CAN 總線智能節(jié)點的軟件設計主要包括三大 部分， CAN 節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。 CAN 總線的抗干擾能力 CAN總線硬件抗干擾分析及措施 CAN 總線的信號狀態(tài)為 2 種：隱位與顯位。當總線上出現隱位與顯位發(fā)送的競爭時，總線上的最終結果是顯位。這種二值特性對 CAN 總線的可靠性與其他特性有很大貢獻。 CAN 總線信號的二值且 “單穩(wěn)態(tài) ”的特性為它的數據鏈路層創(chuàng)造了條件，即 CAN 總線上可以容許多主發(fā)送、競爭占線的方式 ， 這極大簡化了消息的調度。為使總線上的節(jié)點均有機會發(fā)送，有些總線采用 “主從方式 ”，這種方法使總線的利用率較低，且從節(jié)點消息 發(fā)送的等待時間較長。有些總線采用 “令牌方式 ”，但令牌的丟失和重復需要特別的處理機制。 信號電平的高低有兩層影響：一是閑置時有干擾被誤認為是傳送的啟動信號；二是傳送邏輯信號時因干擾而產生誤碼。 CAN 只有 2 種狀態(tài)：當總線電壓差小于 時，接收為隱位 （ 即邏輯 “1”） ；大于 時，為顯位 （ 即邏輯 “0”） 。 ～ 為變化的過渡區(qū)?？偩€隱位電壓差的正常值為 0V，因此可能引起誤啟動的最小干擾為；顯位電壓差的正常值為 ，合格的網絡顯位電壓差的最小值為 ，引起誤碼的最小干擾為 。 CAN 總線的共模電壓為 2V~+7V。 CAN總線軟件抗干擾分析及措施 CAN 的任務是把采集到的數據采用串行通信的方式。一幀一幀的傳送給上位機。數據很多包括作息時間、宿舍用電量、房號、控制參數、異常記錄等等。從上位機往石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 22 下位機傳送的數據格式是，查詢最大功率 （ 2 字節(jié) ） 。下傳格式為：幀頭 +31+校驗和 +幀尾。返回格式：幀頭 +31+功率 +校驗和 +幀尾。查詢異常記錄。 （ 01過載； 02停電；03未注冊電器 ） 。下傳格式：幀頭 +35+校驗和 +幀尾。返回格式：幀頭 +35+記錄 1+記錄 2 + ? +校驗和 +幀尾 （ 異常記錄共 30 個，不足 30 個時用 00 填充 ） 。傳負載判斷表 ,下傳格式：幀頭 +12+幀尾；返回格式：幀頭 +12+幀尾。 編程的包括：通信連接的建立和數據的傳輸。數據幀的格式為：幀頭： F0F0，幀尾 ： 8080， 確認幀：幀頭 +命令 +幀尾，連接確認命令 =00；由上位機呼叫 （ 連續(xù) 5個 FF） 開始，下位機只要收到 3 個連續(xù)的 FF 后就發(fā)送一個確認幀，在一個周期采集結束后即轉入通信模式。上位機發(fā)出呼叫后等候下位機的確認，等候時間為 35ms。 軟件抗干擾技術是當系統(tǒng)受到干擾后使系統(tǒng)恢復正常運行或輸入信號受干擾后去偽求真的一種輔助方 法。由于軟件設計靈活，節(jié)省硬件資源，所以軟件抗干擾技術越來越引起人們的重視。在測控系續(xù)中，只要認真分析系統(tǒng)所處環(huán)境的干擾來源以及傳播途徑，采用硬件、軟件相結合的抗干擾措施，就能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行。 軟件抗干擾技術所研究的主要內容，其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲的影響，如數字濾波器技術：其二是由于干擾而使運行程序發(fā)生混亂，導致程序亂飛或陷入死循環(huán)時，采取使程序納入正軌的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術。這些方法可以用軟件實現，也可以采用軟件硬件相結合的方法實現。常用的軟件抗 干擾措施為： （ 1） 數字濾波方法 ； （ 2） 輸入口信號重復檢測方法 ； （ 3）輸出端口數據刷新方法 ； （ 4） 軟件攔截技術 （ 指令冗余、軟件陷阱 ） ； （ 5） 看門狗技術等。 石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 23 第 6 章 結論與展望 結論 隨著生活質量、電器科技水平的不斷提高，家庭常用電器越來越多，用電量越來越大，用電安全問題的解決更加迫切。 惡性用電識別器，又稱智能負載識別裝置，它能夠對房間內電器的用電性質進行自動監(jiān)控，識別出負載的是否屬于危險用電設備，如果屬于正常儀表性負載，如電腦、電燈、電扇等，則正常供電；如果接入的是有危險性的大功率阻性電熱負載， 如熱得快、電爐、取暖器、電飯褒、吹風機等，將自動切斷電路中斷其使用，拔除惡性負載后自動恢復供電，從而起到降低學生宿舍安全隱患的作用。 負載識別器可以有效的節(jié)約能源，節(jié)省用電開支，降低用電設備不安全隱患的發(fā)生，已在廣大中小學、大中專高等院校的