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1、精选优质文档-倾情为你奉上上海电力学院硕士研究生学位论文中期检查登记表学号ys姓名崔龙龙导师李东东 教授论文题目家庭智能用电实现及负荷研究所属二级学科电力系统及其自动化所在院（系）电力与自动化工程学院一、课题研究进度，论文工作是否按开题报告的计划进行根据开题报告的工作计划安排，课题研究进度如下：1、2011.11-2012.1 对预开发的智能控制器进行硬件设计，主要包括：各元器件的选型，原理图，PCB图设计，原型机制作，硬件调试。此阶段内，完成了此装置的硬件设计，主要包括：各元器件（计量芯片，单片机，ZigBee通讯模块等）的选型，电路原理图及PCB图的设计，原型作机制，硬件调试。2、2012
2、.1-2012.4 智能控制器的软件设计，主要包括程序流程图的设计，程序的编写及调试，实现该装置的基本功能。此阶段内，实现了该装置的软件设计。软件设计主要包括了设计主程序、中断程序、执行程序等各程序的流程图；运用C语言编写程序、编译调试程序，实现该装置的基本功能。 3、2012.4-2012.5 校验该装置并验证其测量准确度。此阶段内，利用智能控制器和日置3193功率计搭建了一套测量平台，利用上位机采集智能控制器与日置3193在同一时段内的测量数据，比较两者测量数据，校验该装置并确定其测量准确度。 4、20125-2012.7 现场实测数据，获取典型家用负荷的详细用电信息，为家用负荷特征分析准
3、备数据。此阶段内，利用日置8860波形记录仪记录几种典型的家用负荷，如电热器，台式机电能，笔记本电脑，热水器等工作时的电压、电流波形及数据，为家用负荷特征分析准备充足的数据。5、2012.7-2012.9 基于已开发的智能控制器建立一套家庭智能用电模拟系统。6、2012.9-2012.11 分析典型家用电设备负荷特征，参数及工作模式信息。7、2012.11-2012.1 利用Matlab/Simulink工具仿真建立典型负荷的用电模型。8、2012.1-2012.2 整理所作工作，撰写毕业论文。二、已完成的研究内容、阶段性结论、成果及新见解 1、家庭智能用电系统的结构设计本课题设计了家庭智能用
4、电系统的结构框架，并分析了各组成部分所实现的功能。家庭智能用电系统所面向的主要对象是用户侧，它由智能电表、智能互动终端、家庭户内网络（HAN）、智能控制器或智能家电、小型分布式电源、储能设备、电动汽车等组成。结构图如图1所示。图1家庭智能用电系统结构图智能电表主要功能：1）电能计量。有功电能和无功电能双向计量，支持分布式能源用户的接入。2）电能监管。具备阶梯电价，预付费及远程通断电功能。支持需求侧管理，与智能互动终端配合对用电设备及分布式电源进行管理。3）双向通信。接收电网侧的信息发布到互动终端，将采集的家庭耗能数据传给电网侧。智能互动终端主要功能：1）数据获取。通过与各智能插座无线组网获取各
5、用电设备的实时用电信息并发送到智能电表；与智能电表通信获取电网侧实时运行信息。2）对家用分布式能源和电器进行统一监控管理，根据获取的家庭能耗状态进行家庭能效分析管理。家庭户内网络（HAN）主要功能：将智能电能表、智能互动终端和各种可控的用电设备连接起来，组成局域网络，实现各设备的无线组网。智能控制器主要功能：1）计量功能，获取各用电设备的实时用电信息。2）ZigBee无线通讯 ，实现各用电设备与互动终端的组网。3）接收互动终端命令，对用电设备进行调节、控制。2、智能控制器硬件设计在硬件上，智能控制器主要由电源模块、电量测量模块，微处理器模块，通讯模块，LCD显示模块，开关电路，复位电路以及外部
6、接口电路等组成，硬件原理框图如图2所示。图2 智能控制器硬件原理框图电源模块将交流220V转换为直流5V、3.3V，为其他模块提供电源支持。电量测量模块包括电压采集电路、电流采集电路，计量单元。电压采集电路采用分压原理，电力线220V电压信号经过分压电阻和滤波电容，变换为小直流电压信号，作为ADE7763电流通道的输入。电流信号经分流器Shunt也转换为一个小直流电压信号，经滤波电容作为ADE7763的电压通道输入。测量单元由计量芯片ADE7763组成。智能控制器采用Microchip公司的一款16位的单片机PIC24FJ128GB206作为微处理器。PIC24FJ128GB206拥有充足的存
7、储空间，并具有强大的外设可用作与外部器件的接口，如SPI，UART。根据智能控制器的硬件结构，在protel软件中设计完成电路原理图，PCB图，然后进行电路制板，元器件焊接，硬件上实现原型机的制作。智能控制器装置实物图如图3所示:图3 智能控制器实物图3、智能控制器软件设计及功能实现智能控制器的软件设计主要由主程序，中断程序和执行程序组成。主程序运行过程如下： 智能控制器上电，微处理器对SPI，UART，定时器，IO口，ADE7763，LCD等进行初始化操作。 设置并使能串口和定时器中断。 通过SPI通信，周期性地从计量芯片ADE7763中读取数据并计算各电量实际值，调用显示子函数将各电量信息
8、显示在LCD屏上。 等待UART端口接收数据和消息帧，多个字符数据组成一个消息帧，如果一条消息接收完成执行下一步，否则，返回到。 对接收的消息帧进行校验，如校验正确则执行相应命令，并产生响应信息返回到互动终端；否则返回到，依次循环执行。中断程序包含串口接收中断和定时器中断子程序。串口接收中断用于将接收到的字符数据缓存到接收寄存器中，定时器中断用于判断一条消息帧接收完毕。执行程序主要是实现以下功能：读取电量信息、电器工作状态，控制继电器通断，产生遵循ModBus-Rtu数据帧格式的响应信息并发送。各程序流程图如图4所示。 图4 各程序流程图为了测试该装置测量数据的准确性，利用日置3193功率计（
9、可达0.2%的高精度计量）搭建了一套测量平台，通过上位机采集智能控制器与日置3193功率计在同一时间测量的负荷数据并进行比较，得到测试数据如表1所示。表1 实验数据电流/A测量装置电压U(V)电流I(A)有功功率P(W)02A智能控制器225.581.438324.15日置3193225.391.435323.43相对误差0.08%0.20%0.22%24A智能控制器224.352.806629.75日置3193223.932.796626.05相对误差0.26%0.36%0.59%46A智能控制器223.464.437988.45日置3193222.754.421984.68相对误差0.32
10、%0.36%0.38%68A智能控制器220.807.1401573.70日置3193220.017.1111563.83相对误差0.36%0.41%0.63%810A智能控制器219.508.7171911.10日置3193218.458.6931898.98相对误差0.48%0.28%0.64%此外，建立了一套演示示例来模拟家庭智能用电并测验智能控制器的功能，如图5示。演示示例由一个智能控制器、一台饮水机、一台模拟互动终端的PC和一个与PC连接的ZigBee通讯模块组成。在PC上安装组态软件ForceControl6.1，利用该软件设计了一套人机交互界面，可方便地监测饮水机等用电设备的实时
11、用电信息、工作状态。经测验，智能控制器可实时采集饮水机的用电信息、运行状态并可控制其通断。图5 演示示例5、获取表征负荷特征的指标，记录并采集部分典型家用负荷的电压、电流波形数据，并分析部分用电设备的负荷特征。任何人都具有一定的特征，与其相似的是，每一种用电设备在运行过程中也会表现出独特的用电特性，即负荷特征，负荷特征描述用电设备运行时所表现出的电气行为。家用电器的负荷特征可分为三类：稳态特征，暂态特征以及运行模式特征。稳态特征，是用电设备在稳定运行状态下所表现出的电气特性，是负荷的主要特征。暂态特征，是用电负荷在暂态过程中，如启动，关闭瞬间所表现出的电气特征。运行模式特征，是指长期运行的负荷
12、在其特有运行模式下表现出的不断变化的电气特征。在本研究中，获取了表征负荷特征的几个主要指标：1）电流波形，时域电流波形作为一个重要的负荷特征指标，为描述负荷特征提供了比较完整的信息，可反映出用电设备的电气特性。2）有功和无功（PQ）；P、Q是反映负荷特征最常用的测量参数。3）谐波，不同电器设备由于其结构的不同，产生的谐波存在一定的区别，研究负荷特征谐波可作为的一个重要参数。4）瞬时导纳波形，瞬时导纳波形符合作为负荷特征指标的要求，是区分不同负荷的一个重要参数。5）瞬时功率波形，瞬时功率可较好的区分不同负荷。6）开关暂态波形；开关暂态波形可为识别单独的负荷提供重要的信息。利用日置8860记录仪搭
13、建测量平台，采集了几种典型家用负荷，如电热器，电脑，电磁炉，微波炉的电压、电流等数据并记录了其波形。几种用电设备的电流、电压波形特征如图6所示：图6 典型家用负荷电流、电压波形根据数字信号处理理论，基于Matlab函数FFT对各负荷的离散电流数据进行离散傅立叶变换（DFT），从而分析各负荷运行时的谐波情况，得到各负荷的幅频谱图如图7所示。图7 典型家用负荷谐波幅频谱图由图6，7可知，不同用电设备在其运行时电流波形呈现出明显的不同。电热器主要由电阻元件组成，属于阻性负荷，因此其电流电压具有线性关系，电流接近为标准50HZ正弦信号。然而，在家庭用电设备中，大部分电器都属于非线性负荷，其电流波形也不
14、是50HZ正弦信号。台式机和笔记本电脑用途上虽然相同，但由于其内部电子元件组成的不同，其电气特征呈现很大的差异。台式机电流波形中含有较大的三次谐波，而笔记本电脑电流波形包含非常大的直流分量以及较丰富的低频谐波。两者也具有一定的共同点，即都会产生少量的五次、七次、九次谐波。由于微波炉内部组成包括整流部分、磁控管等微波发生部分，其运行电流中含有一部分谐波分量，其中以三次谐波较多。瞬时功率也描述家庭用电设备负荷特征的一个重要指标，利用各负荷的电压、电流数据，得到几种负荷瞬时功率波形如图8所示。台式机、笔记本电脑的瞬时功率波形是比较奇异的非正弦信号，可以根据瞬时功率波形更好的区分电热器与电磁炉，同时可
15、以看出微波炉的谐波成分较为明显。在进一步的研究中，将会对更多种类的家用负荷在多种运行模式下的电气特征数据进行采集分析，并基于它们的负荷特征进行分类。图8 瞬时功率波形有功、无功参数是描述负荷特征常用的测量数据。在PQ图中，具有类似负荷特征的用电设备聚集在一个小区域内，如主要由电子元件组成的设备会聚集在一个小区域内，大功率用电设备会聚集在另一区域内，负荷特征相差较大的设备相距较远， PQ特征也可作为对用电设备进行分类的一个指标。几种典型用电设备的PQ如图9所示。图9 几种典型家用负荷PQ特征VI曲线也是描述负荷特征的重要指标，VI曲线很好地反映了用电设备的电气特征，相关研究中，利用VI曲线将家用
16、负荷进行分类也有良好的效果。不同电气特性的用电设备VI曲线有明显差异，如阻性负荷VI曲线为直线，阻感性或阻容性负荷VI曲线为环形，并且环形的面积可反映相角偏移的大小，谐波成分较多的负荷的VI曲线则会出现交叉等特点。几种典型家用负荷的VI曲线如图10所示。图10 几种典型负荷VI曲线三、尚需研究的主要问题及研究方案1.家庭智能用电模拟系统的实现。研究方案：基于已开发的智能控制器搭建这一模拟系统，智能控制器安装于各用电设备与电源中间，利用智能控制器本身的ZigBee无线通讯功能实现各用电设备的组网，实时采集各用电设备的用电信息（如一天各时段及每天的用电量等）并上报到互动终端。为制定双向互动智能用电
17、运行控制策略提供数据支持。2.典型家用电器的负荷特征分析。研究方案：现场采集典型家用电器在稳态、暂态以及不同工作模式下的运行数据（如电压，电流，有功，无功等），并对采集的数据进行分析，获取多种典型家用电器在更多模式下的负荷特征，建立典型家庭用电设备的负荷特征数据库，并根据负荷特征对家庭典型用电设备进行分类。3.典型家用负荷用电模型的建立。研究方案：分析典型家用负荷内部的电路及元件组成，结合负荷的电子学结构，利用Matlab/Simulink仿真工具建立典型负荷的模型。四、后期工作安排及论文按时完成的可能性 1、2012.7.1-2012.9.1建立一套家庭智能用电模拟系统，实时采集家庭内各用电
18、设备的详细用电信息（一天各时段及每天的用电量等），为制定双向互动智能用电运行控制策略及家庭能效分析提供数据支撑。2、2012.9.1-2012.11.1 现场采集更多典型家用电器在稳态、暂态以及不同工作模式下的运行数据（如电压，电流，有功，无功等），处理分析所采集的数据，基于多种指标参数反映出典型家用电器的负荷特征，并根据负荷特征对家庭用电设备进行分类及识别。3、2012.11.1-2012.1.1分析典型家用负荷，如荧光灯，电冰箱，洗衣机，电热器的内部电路及元件组成，结合其电子学结构，建立典型家用负荷的用电模型。4、2012.1.1-2012.2.15 整理所做工作，撰写大论文。五、检查小组评议意见论文题目研究生论文中期工作评价评价指标指标分值研究生得分备注课题研究进度, ，论文工作是否按开题报告的计划进行30阶段性结论、成果及新见解30尚需研究的主要问题及研究方案20后期工作安排及论文按时完成的可能性20总得分公开发表学术论文情况（在所属的情况栏前打“”）在中文核心及以上刊物已发表或已录用在一般刊物或国际(内)会议论文集上已发表或已录用尚未发表或被录用检查组意见（存在的主要问题、修改意见及建议）组长签字： 年 月 日六、一级学科硕士点意见一级学科硕士点负责人签字： 年 月 日七、研究生处意见 年 月 日专心-专注-专业