【正文】 t = ??2/2/2TTTf [U sin(ωt)] cos(nωt)dt， n=2， 3， 4．．． b2n = ??2/2/2TTTiL(t)sin(nωt)dt (44) = ??2/2/2TTT{ k sin(ωt+φ)+ f [U sin(ωt)]} sin(nωt)dt = ??2/2/2TTTf [U sin(ωt)] sin(nωt)dt， n=2， 3， 4．．． 對(duì)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(fù)載后，供電線路上總電流的諧波分量幅值不變。線性負(fù)載的投入僅影響了總電流的基波和直流分量。 當(dāng) S 閉合，假設(shè)投入的負(fù)載是非線性負(fù)載，設(shè)流過(guò) Z1 的電流為 i1 (t)=g[u(t)]=g[U sin(ωt)]， 此時(shí)供電側(cè)的總電流為 iL(t)= i1(t)+ i2(t)= g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)] 對(duì)總電流 iL(t)進(jìn)行傅立葉變換，其高次諧波系數(shù)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 對(duì)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(chǔ)上增加了非線性負(fù)載 Z1 產(chǎn)生的諧波分量。由于學(xué)生公寓的非線性負(fù)載主要為計(jì)算機(jī)、熒光燈、電視機(jī)等，這三類非線性負(fù)載電流脈沖和諧波相位是基本重合的，因此非線性負(fù)載 Z1的投入只會(huì)使供電電流 iL(t)諧波增加，而不會(huì)抵消原有的諧波分量。 根據(jù)以上分析，可以得出結(jié)論：投入線性負(fù)載后，供電線路上總電流的諧波分量不變。線性負(fù)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(fù)載，則會(huì)增加總電流的諧波分量。 本系統(tǒng)采用的負(fù)載識(shí)別方法 由于電路接入非線性負(fù)載 （ 即計(jì)算機(jī)類負(fù)載 ） 后，電流的諧波分量就會(huì)增加 [10][11]，且 3 次諧波幅值較大，因此我們可以通過(guò)檢測(cè) 3 次諧波是否增加來(lái)判斷是否有計(jì)算機(jī)類負(fù)載接入。 通過(guò)電路中功率值的變化和諧波的變化判斷是否有惡性負(fù)載接入，從而實(shí)現(xiàn)斷電。 識(shí)別的原理 阻性負(fù)載尤其是惡性負(fù)載接入電路時(shí)，電路中的功率值發(fā)生臺(tái)階性變化，電路中的諧波值變化很小，功率因數(shù)接近于 1。計(jì)算機(jī)類負(fù)載接入時(shí)，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(shí)，首先判斷電路的功率和電流值是否超過(guò)設(shè)定的閾值，超過(guò)的話系統(tǒng)跳閘，沒(méi)有超過(guò)，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行判斷。如果電路中的 3 次諧波電流增加，證明有計(jì)算機(jī)類負(fù)載接入，系統(tǒng)不做任何動(dòng)作；如果電路中的功率發(fā)生臺(tái)階性變化，功率因數(shù)增加，數(shù)值接近于 1，并且諧波分量變化很小，證明有阻性負(fù)載接入，系統(tǒng)做進(jìn)一步判斷，如果功率值在瞬間達(dá)到平穩(wěn)值，證明是電磁類加熱負(fù)載接入，系統(tǒng)不做任何判斷，如果功率以及電流經(jīng)過(guò)若干周期后達(dá)到平穩(wěn)值，證明有電阻絲加熱類負(fù)載接入，系統(tǒng)跳閘；幾秒后，沒(méi)有惡性負(fù)載的前提下，系統(tǒng)重新供電 。 程序設(shè)計(jì)及流程圖 負(fù)載識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)對(duì)電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)單元中，通過(guò)功率和諧波的變化判斷是否有惡性負(fù)載接入。 如果有惡性負(fù)石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 載接入，系統(tǒng)跳閘，拔除惡性負(fù)載后，系統(tǒng)恢復(fù)供電。程序流程圖如圖 42 所示 。 功率因數(shù)接近 1，諧波變化很小 有阻性負(fù)載接入 功率值短時(shí)達(dá) 到平穩(wěn) 若干周期后功率和電流平穩(wěn) 跳 閘 不動(dòng)作 Y Y N Y N Y 恢復(fù)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(shù) 等于 1 圖 42 程序流程圖 N 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 C 語(yǔ)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(kāi)始判斷阻性負(fù)載 type_ratio=。 // P/Imax 為阻性負(fù)載 if (powerpower_threshold) overload_flag = 1。 //超載 if(k0) puterload_flag=1。 //計(jì)算機(jī)類負(fù)載 pfm = fabsf(powerNum[0]powerNum[1])。 //增量絕對(duì)值 if(pfm60) { if ( k_voletype_ratio ) { if (fac) resistive_flag = 1。 //阻性負(fù)載 } else resistive_flag = 1。 //阻性負(fù)載 } 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 if((overload_flag == 1)amp。amp。(resistive_flag == 0)) //過(guò)載 { write_abnormal(0x5a)。 off_relay()。 void delay(void) } else if((overload_flag == 0)amp。amp。(resistive_flag == 1)) //阻性負(fù)載 if(T50) maligantload_flag=1。 //惡性負(fù)載 { write_abnormal(0xaa)。 off_relay()。 void delay(void) } else if((overload_flag == 1)amp。amp。(resistive_flag == 1)) //過(guò)載 +阻性負(fù)載 { write_abnormal(0x9a)。 off_relay()。 void delay(void) } overload_flag = 0。 resistive_flag = 0。 } } //延時(shí)程序 void delay(void) //延時(shí) 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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 for(n=2441。n0。n)。 } 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表 41 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 負(fù)載類型 功率 /W Δ I 持續(xù)周期 功率因數(shù) 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(tái)式機(jī) 180 8 1 九陽(yáng)豆?jié){機(jī) 880 12 1 電動(dòng)車 87 20 1 電熱水器 3500 50 1 三星充電器 0 1 飲水機(jī) 800 3 1 熒光臺(tái)燈 9 3 1 從以上數(shù)據(jù)可以看出： (1)阻性負(fù)載的功率因數(shù)大于 ，三次諧波幅值很小。 (2)計(jì)算機(jī)類負(fù)載功率因數(shù)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(fù)載功率較大，功率因數(shù)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(zhǎng)。 本章小結(jié) 本章分析了學(xué)生公寓常用負(fù)載的類型，根據(jù)負(fù)載接入電路后的特性研究了惡性負(fù)載識(shí)別的方法，并用 C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn) [12]，初步達(dá)到了惡性負(fù)載識(shí)別的目的。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 第 5 章 CAN 通信設(shè)計(jì) 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?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是 80 年代初德國(guó) Bosch 公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)控儀器間的信息交換而開(kāi)發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議；這是一種多主總線，其使用范圍遍及高速網(wǎng)絡(luò)和低成本多線路網(wǎng)絡(luò)，特別適合工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。目前 CAN 協(xié)議己納入 ISO 標(biāo)準(zhǔn)。 CAN的最高傳輸速率為 1Mbps，最大傳輸距離 10Km，網(wǎng)絡(luò)上的最多節(jié)點(diǎn)數(shù)理論上為 2022個(gè)，實(shí)際可達(dá) ll0 個(gè) [13]。 CAN 以差動(dòng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，其總線有顯性 （ 邏輯 0） 和隱性 （ 邏輯 1） 兩種狀態(tài)。當(dāng)顯性位和隱性位同時(shí)發(fā)送時(shí)，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(shí)，兩條物理總線電壓差大于某域值。 CAN 總線的主要特征 (1)實(shí)現(xiàn)了全分布式多機(jī)系統(tǒng)，無(wú)主從機(jī)之分，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向其它節(jié)點(diǎn)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(jí)仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送消息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響繼續(xù)發(fā)送，有 效避免了總線沖突。據(jù)此 ,可以將各節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，以滿足不同的實(shí)時(shí)性要求。 (3)CAN 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求， 通過(guò)發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀和對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程幀以相同的表示符 D 命名。 (4)CAN 總線報(bào)文傳輸不含目標(biāo)地址，以全局廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)標(biāo)識(shí)符過(guò)濾報(bào)文，決定是否接收，其優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)在線上下網(wǎng)和多點(diǎn)接收。 (5)CAN 總線采用監(jiān)視總線，循環(huán)冗余校驗(yàn)、位填充和報(bào)文格式檢查等措施，保證了極低的信息出錯(cuò)率。 (6)CAN 節(jié)點(diǎn)有能力識(shí)別永久性故障和短暫擾動(dòng)，且故障節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系。 (7)CAN 中有損報(bào)文由檢出 錯(cuò)誤的任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，這樣的報(bào)文將失效，并自石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 動(dòng)進(jìn)行重新發(fā)送。 (8)CAN 總線用戶接口簡(jiǎn)單，編程方便，配置靈活，很容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)。 CAN 通信 數(shù)據(jù)幀格式 數(shù)據(jù)幀格式 幀頭 （ F0H F0H） 幀尾 （ DFH DFH） 確認(rèn)幀：幀頭 +命令 +幀尾，連接確認(rèn)命令 =00； 上位機(jī)發(fā)送的校時(shí)時(shí)間、作息時(shí)間都為 BCD 格式 。 下傳負(fù)載判斷表 下傳格式：幀頭 （ F0H F0H） + 12H + 負(fù)載的特征值 + 幀尾 （ DFH DFH） 注意：負(fù)載的特征值主要包括負(fù)載的功率 ， 負(fù)載在標(biāo)準(zhǔn) 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(shù)據(jù)查詢類 (1)查詢作息時(shí)間 下傳格式：幀頭 （ F0H F0H） + 30H + 校驗(yàn)和 + 幀尾 （ DFH DFH） 返回格式：幀頭 （ F0H F0H） + 30H + 時(shí)分 /時(shí)分 + 校驗(yàn)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(yàn)和 + 幀尾 （ DFH DFH） 返回格式：幀頭 （ F0H F0H） + 31H + 功 率 + 校驗(yàn)和 + 幀尾 （ DFH DFH） (3)查詢控制模式 下傳格式：幀頭 （ F0H F0H） + 32H + 校驗(yàn)和 + 幀尾 （ DFH DFH） 返回格式：幀頭 （ F0H F0H） + 32H + 00/01/02 + 校驗(yàn)和 + 幀尾 （ DFH DFH） CAN 接口通信軟件設(shè)計(jì) CAN 接口通信軟件分為 3 部分： CAN 初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收 。 CAN 初始化主要是設(shè) CAN 的通信參數(shù) 。 需要初始化的 CAN 控制寄存器有：模式寄存器、時(shí)分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線定時(shí)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(fù)位狀態(tài)下才可寫(xiě) 訪問(wèn)。發(fā)送數(shù)據(jù)程序石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中待發(fā)送的數(shù)據(jù)取出，組成信息幀，并 將主機(jī)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(jī)的發(fā)送請(qǐng)求后，發(fā)送程序啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。軟件系統(tǒng)采用 C51 高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)。 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出 品的 5l 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，因?yàn)镃 語(yǔ)言很好的結(jié)構(gòu)性和模塊化，更容易閱讀和維護(hù)。 C51 優(yōu)化的 C 語(yǔ)言交叉編譯器Keil C51 交叉編譯器是一個(gè)基于 ANSIC 標(biāo)準(zhǔn)的針對(duì) 8051 系列 MCU 的 C 編譯器 /生成的可執(zhí)行代碼快速緊湊在運(yùn)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(yǔ)言編寫(xiě)可以使執(zhí)行效率更高，運(yùn)行可靠性更強(qiáng)。 CAN 總線智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分， CAN 節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)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(hào)狀 態(tài)為 2 種：隱位與顯位。當(dāng)總線上出現(xiàn)隱位與顯位發(fā)送的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，總線上的最終結(jié)果是顯位。這種二值特性對(duì) CAN 總線的可靠性與其他特性有很大貢獻(xiàn)。 CAN 總線信號(hào)的二值且 “單穩(wěn)態(tài) ”的特性為它的數(shù)據(jù)鏈路層創(chuàng)造了條件，即 CAN 總線上可以容許多主發(fā)送、競(jìng)爭(zhēng)占線的方式 ， 這極大簡(jiǎn)化了消息的調(diào)度。為使總線上的節(jié)點(diǎn)均有機(jī)會(huì)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(diǎn)消息發(fā)送的等待時(shí)間較長(zhǎng)。有些總線采用 “令牌方式 ”，但令牌的丟失和重復(fù)需要特別的處理機(jī)制。 信號(hào)電平的高低有兩層影響：一是閑置時(shí)有干擾被誤認(rèn)為是傳送 的啟動(dòng)信號(hào)；二是傳送邏輯信號(hào)時(shí)因干擾而產(chǎn)生誤碼。 CAN 只有 2 種狀態(tài)：當(dāng)總線電壓差小于 時(shí)，接收為隱位 （ 即邏輯 “1”） ；大于 時(shí)，為顯位 （ 即邏輯 “0”） 。 ～ 為變化的過(guò)渡區(qū)。總線隱位電壓差的正常值為 0V，因此可能引起誤啟動(dòng)的最小干擾為；顯位電壓差的正常值為 ，合格的網(wǎng)絡(luò)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(wù)是把采集到的數(shù)據(jù)采用串行通信的方式。一幀一幀的傳送 給上位機(jī)。數(shù)據(jù)很多包括作息時(shí)間、宿舍用電量、房號(hào)、控制參數(shù)、異常記錄等等。從上位機(jī)往石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)格式是，查詢最大功率 （ 2 字節(jié) ） 。下傳格式為：幀頭 +31+校驗(yàn)和 +幀尾。返回格式：幀頭 +31+功率 +校驗(yàn)和 +幀尾。查詢異常記錄。 （ 01過(guò)載； 02停電；03未注冊(cè)電器 ） 。下傳格式：幀頭 +35+校驗(yàn)和 +幀尾。返回格式：幀頭 +35+記錄 1+記錄 2 + ? +校驗(yàn)和 +幀尾 （ 異常記錄共 30 個(gè)，不足 30 個(gè)時(shí)用 00 填充 ） 。傳負(fù)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(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)幀的格式為：幀頭： F0F0，幀尾 ： 8080， 確認(rèn)幀：幀頭 +命令 +幀尾，連接確認(rèn)命令 =00；由上位機(jī)呼叫 （ 連續(xù) 5個(gè) FF） 開(kāi)始，下位機(jī)只要收到 3 個(gè)連續(xù)的 FF 后就發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，在一個(gè)周期采集結(jié)束后即轉(zhuǎn)入通信模式。上位機(jī)發(fā)出呼叫后等候下位機(jī)的確認(rèn)，等候時(shí)間為 35ms。 軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行或輸入信號(hào)受干擾后去偽求真的一種輔助方法。由于軟件設(shè)計(jì)靈活，節(jié)省硬件資源，所以軟件抗干擾技術(shù)越來(lái)越引起人們的重視。在測(cè)控系續(xù)中，只要認(rèn)真分析系統(tǒng)所處環(huán)境的干擾來(lái)源以及傳播途徑，采用硬 件、軟件相結(jié)合的抗干擾措施，就能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。 軟件抗干擾技術(shù)所研究的主要內(nèi)容，其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號(hào)上噪聲的影響，如數(shù)字濾波器技術(shù)：其二是由于干擾而使運(yùn)行程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或陷入死循環(huán)時(shí)，采取使程序納入正軌的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、“看門(mén)狗”技術(shù)。這些方法可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。常用的軟件抗干擾措施為： （ 1） 數(shù)字濾波方法 ； （ 2） 輸入口信號(hào)重復(fù)檢測(cè)方法 ； （ 3）輸出端口數(shù)據(jù)刷新方法 ； （ 4） 軟件攔截技術(shù) （ 指令冗余、軟件陷阱 ） ； （ 5） 看門(mén)狗 技術(shù)等。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 第 6 章 結(jié)論與展望 結(jié)論 隨著生活質(zhì)量、電器科技水平的不斷提高，家庭常用電器越來(lái)越多，用電量越來(lái)越大，用電安全問(wèn)題的解決更加迫切。 惡性用電識(shí)別器，又稱智能負(fù)載識(shí)別裝置，它能夠?qū)Ψ块g內(nèi)電器的用電性質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，識(shí)別出負(fù)載的是否屬于危險(xiǎn)用電設(shè)備，如果屬于正