基于智能插座的电器状态监测系统的设计研究

基于智能插座的电器状态监测系统的设计研究

张益，林克儒，王海川，徐文超 , 郑晓周

温州方圆检验认证有限公司 浙江温州 325000

摘要：如今，人们对生活品质的要求越来越高，使得智能家居和智能用电成为了电器的主要发展方向，大量智能插座被应用在生产生活之中。基于此，本文对电器状态监测进行了概述，并以基于PLC的多功能智能插座为基础，论述了基于智能插座的电器状态监测系统设计方法，希望能为相关工作人员带来参考。

关键词：智能插座；智能家居；智能用电；状态监测

前言：智能插座不仅可以保证电器正常用电，更能充当断电控制设备和电器监测系统的角色。因此，在实践工作中相关工作人员需要先对智能插座加以设计，以提升其功能多样性和全面性，以便于保障用电安全。当然，在使用智能插座中，还需要以此为基础开展电器状态监测算法研究，进而为设计出具有实用性的电器状态监测系统奠定基础。

1电器状态监测概述

在人们的生产生活之中，充斥着各种类型的电器，为提高人们的工作质量和生活品质提供了极大帮助。随着智能电网的建设和智能用电要求的提升，深入感知用户的用电信息至关重要。在此环节，就需要对电器的状态进行监测，这样不仅能保障科学、安全用电，更能对用户的生活习惯和行为方式进行预测。电器状态监测以电力负荷监测技术为依托，在其应用环节最为重要的理论依据就是模式识别。在电器状态监测系统运行环节，将依次开展电器电流、电压、功率波形监测和样本采集；识别特征定义和分类识别模型建立；实时监测电器参数；计算特征参数和判断电器工作状态等步骤。目前，电器状态监测有两种类型，分别是侵入式电器状态监测和非侵入式电器状态监测，二者的数据采集方式和算法解析步骤方面存在差异，但是理论体系和系统的框架结构相同^[1]。通常，电器状态监测系统都包括以电能计量芯片、传感器、通信模块构成的硬件层，可用于采集数据；以驱动和协议构成的网关层；以数据储存和数据处理功能模块为主的，具有提取特征和识别状态作用的服务器层；以智能家居、智能电网为代表的应用层。在实践工作中，电器状态监测的应用将发挥提高家庭能效管理成效、增强电器故障预防和诊断水平、优化人员定位和行为识别效果和完善电器状态监测云平台的作用。

2电器状态监测系统设计方案

目前，侵入式电器状态监测应用相对普及，所以本文也以侵入式电器状态监测为主要研究方向。在设计基于智能插座的电器状态监测系统时，笔者选用了基于PLC的多功能智能插座。由于市场中的大部分智能插座并不具备保护功能，也没有预防安全事故的能力，所以无法充当电器状态监测设备。但是，为了能有效开展基于智能插座的电器状态监测系统设计工作，我们先对PLC多功能智能插座进行了设计，使其拥有中央处理器、PLC电力载波通信、电能计量、数据储存、蜂鸣警报和过流保护等软硬件配置，以保证这种插座可以作为将系统监测设备来使用。

2.1监测系统概况

基于智能插座的电器状态监测系统就是以智能插座作为电器监测设备，并且在其中嵌入系统的监测算法，开展电器实时监测的系统。在对该系统进行设计时，需要重点关注智能插座的性能、成本和嵌入算法的有效性。在基于PLC多功能智能插座的电器状态监测系统设计工作中，相关工作人员为了缩短特征提取时间，减轻算法计算量和保障系统实时性，将引入基于暂态特征的侵入式电器状态监测算法。

2.2监测算法

2.2.1电器暂态特征

稳态和投切瞬时特征都属于电器的暂态特征，前者是电器工作状态稳定后，交流电周期内的电气波形特性，而后者则是电器开闭瞬间的特征脉冲。对于电器状态监测工作而言，提取电气暂态特征有助于提高算法的实用性。

2.2.2电器状态识别

（1）互相关系数

为了能有效识别电气状态，设计人员应该引入互相关系数这一概念。若以n为采样点数，以x(n)来表示标准数据库的样本信号，以y(n)表示采样信号，互相关系数可以用 来表达，由此可获得归一化相关系数，其表达式为 。在表达式中，相关系数的取值处于-1~1之间，且数值与1越接近，则信号间的相关性越强。

2. 提取电器暂态特征

在基于智能插座的电器状态监测系统之中，电器供电电源的连通和切断将会对电器的开关状态进行直接控制，而且基于测量统计家用电器开启时的暂态特征，当电器开启时电流有效值将会大于0，所以我们在监测电器状态时就默认电流有效值大于0时，电器处于开启状态^[2]。在实践中，需要监测电器开启后的暂态特征向量，并以x(n)={x_i,x₂……,x_n}来表示。通常来说，在进行电器暂态特征提取时，相关工作人员应该在其开启后的5s内提取相关数据，即以电器电流有效值大于0后，5s内的有效值为电器特征向量。

2. 建立数据库

电器的特征数据库当中，必然包含多种电器，而为了有效规避偶然性问题，就需要将提取不同电器的特征向量。在此环节，若以m表示数据库中的电器种类，并提取各种电气的r组特征向量，则可以用公式

来表达基于电器A_m的特征空间。此时，可以将n当做特征向量的元素个数，暂态电流有效值的采样数据点数。基于此，我们可以借由如下表达式来表示电器特征数据库（D）：

A₁₁(n) A₁₂(n) A₁₃(n) … A_1r(n)

A₂₁(n) A₂₂(n) A₂₃(n) … A_2r(n)

A₃₁(n) A₃₂(n) A₃₃(n) … A_3r(n)

… … … … …

A_m1(n) A_m2(n) A_m3(n) … A_mr(n)

2. 状态识别

若以X来表示待识别电器，那么我们可以将该电器的特征向量提取值设定为x(n)，然后可基于提取值与各组电器r组特征向量的相关性分析，来求得互相关系数。此时，可以r组结算结果均值为相关性分析结果。那么，就可用公式 来表示电器Am的互相关系数。在公式当中，仍然需要确保 。

在实践中，为了能有效识别电器状态，相关工作人员还应该基于电器特征向量和特征数据库开展相关性分析，进而对互相关系数向量的元素绝对值进行比较，而后以最大值为待识别电器的所属种类。也就是说，max| |=| |，i [1，m]，则X=i。

结论：总而言之，电器状态监测是一种被广泛应用在家庭能效管理、电器故障检修、人员行为识别和电器状态评估等多方面的先进技术，将会为智能电器管理质量和效率的提升提供极大帮助。在基于智能插座的电器状态监测系统设计环节，相关工作人员需要分析电器暂态特征，并且做好数据库建设、特征提取和状态识别工作。

参考文献：

[1]李永,李芙玲.具有物联网功能的安全智能插座设计[J].华北科技学院学报,2019,16(02):50-54.

[2]张子明.基于移动通信网络的智能家电控制系统设计及实现[J].通讯世界,2017(11):78-79.