學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端設(shè)計(jì)

徐華1  周正波2   畢博3   宗壽松3  楊立海3

（1. 清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司  北京  100084）

（2. 四川省建筑科學(xué)研究院  四川成都  610084）

（3.安科瑞電氣股份有限公司  上海 嘉定  201801)

摘要：針對(duì)高校學(xué)生宿舍用電管理的復(fù)雜性以及安全用電的管理需求，設(shè)計(jì)了一種學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端。測(cè)試結(jié)果表明，智能管理終端可快速識(shí)別接入宿舍回路的惡性負(fù)載，組合控制邏輯共同對(duì)宿舍用電進(jìn)行監(jiān)控，以滿足學(xué)校后勤管理部門對(duì)學(xué)生宿舍的用電管理需求。

關(guān)鍵詞：宿舍用電；智能管理；邏輯控制；負(fù)載識(shí)別

0 引言

    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及學(xué)生公寓的普及，學(xué)生宿舍的用電情況發(fā)生了巨大變化。科學(xué)、合理地管理學(xué)生宿舍的用電，成為學(xué)校后勤管理部門面臨的一個(gè)十分重要的課題。綜合調(diào)查比較學(xué)校學(xué)生宿舍的用電情況，總結(jié)學(xué)校用電管理有以下幾個(gè)需求：

    （1）電力商品化。傳統(tǒng)*的供電方式和從住宿費(fèi)中平均收取電費(fèi)的方法不適應(yīng)現(xiàn)在用電設(shè)備日趨增多的需求，采取按需購電的方式實(shí)行電力商品化是勢(shì)在必行的管理手段。

    （2）用電安全。為避免學(xué)生在使用非安全用電設(shè)備時(shí)引起火災(zāi)情況，所以應(yīng)考慮超負(fù)荷及惡性負(fù)載識(shí)別自動(dòng)斷電的控制措施。

    （3）按需控制。為培養(yǎng)學(xué)生良好的生活習(xí)慣，規(guī)范學(xué)生的作息，應(yīng)結(jié)合學(xué)校管理需求對(duì)學(xué)生宿舍的用電回路實(shí)施定時(shí)控制。

    本文設(shè)計(jì)一種學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端，以滿足學(xué)校后勤管理部門對(duì)學(xué)生宿舍的用電管理需求。

1 功能設(shè)計(jì)

    結(jié)合計(jì)量計(jì)費(fèi)、智能監(jiān)控及識(shí)別、斷送電控制管理的要求，宿舍安全用電智能管理終端設(shè)計(jì)功能如下：

    （1）累加計(jì)量總用電量，遞減計(jì)量剩余電量；

    （2）可實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等電力參數(shù)；

    （3）支持對(duì)3個(gè)輸出回路（如照明、插座、空調(diào)）作獨(dú)立控制；

    （4）支持預(yù)付費(fèi)控制、負(fù)載識(shí)別控制、時(shí)間控制、強(qiáng)制控制等4種邏輯控制功能；

    （5）可查詢各種日志記錄。

2 硬件組成

    宿舍安全用電智能管理終端采用功能的微控制單元（Micro Control Unit，MCU）設(shè)計(jì)。整機(jī)的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)依據(jù)各個(gè)功能模塊而展開，包含微處理器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)電壓采樣、電流互感器電流采樣、三路磁保持繼電器控制輸出、鐵電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示、按鍵輸入、有功電能脈沖指示輸出等。硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件組成

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

    主程序作時(shí)間片及事件的觸發(fā)條件來管理各個(gè)不同的功能模塊。主程序軟件流程如圖2所示。

圖2 主程序軟件流程

3.2 負(fù)載限制及負(fù)載識(shí)別算法

    當(dāng)學(xué)生使用純阻性負(fù)載的違規(guī)電器（惡性負(fù)載）時(shí)，易導(dǎo)致電器火災(zāi)等安全事故，對(duì)學(xué)生的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成影響；當(dāng)學(xué)生使用過多的常規(guī)電器，但累加用電負(fù)荷過高，同樣會(huì)造成安全事故。

    因此，該管理終端從zui大功率限制和惡性負(fù)載識(shí)別兩方面需求出發(fā)來決定負(fù)載控制結(jié)果，以保證宿舍用電安全。

    zui大功率限制的方法比較簡(jiǎn)單，若所有負(fù)載功率和超過總功率zui大值，則判斷為功率超限，切斷宿舍供電回路。

    對(duì)于惡性負(fù)載的判斷，若也采用總功率判斷的方法，則不能夠被準(zhǔn)確識(shí)別。測(cè)試小功率純阻性惡性負(fù)載工作特性時(shí)，可發(fā)現(xiàn)其功率因數(shù)很高。但若直接測(cè)試宿舍總供電回路功率因數(shù)并不會(huì)很高，故本設(shè)計(jì)終端采取增量判斷法，即實(shí)時(shí)檢測(cè)用電回路功率因數(shù)增量，作為判斷惡性負(fù)載的依據(jù)。在宿舍總用電回路總功率為超限的情形下，功率因數(shù)增量超過zui大設(shè)定值，則判斷為惡性負(fù)載接入。功率因數(shù)增量為

式中：PN——當(dāng)前有功功率；

      PL——上一時(shí)刻有功功率；

ΔP——有功功率增量；

QN——當(dāng)前無功功率；

QL——上次無功功率；

ΔQ——無功功率增量。

3.3 邏輯控制方式。

3.3.1 強(qiáng)制控制

    高校宿舍中有部分宿舍會(huì)安排給相關(guān)管理人員和留學(xué)生住宿。這些宿舍往往是不切斷電供電且沒有負(fù)載、時(shí)間限制等。這種情況下，強(qiáng)制控制功能打開，則其他的控制功能將不起作用。另外，高校在有大型活動(dòng)安排時(shí)，需要對(duì)各宿舍回路做統(tǒng)一的斷送電處理，也需通過強(qiáng)制控制功能實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 時(shí)間控制

    高校學(xué)生較多，為統(tǒng)一安排作息，需統(tǒng)一按時(shí)通/斷電，例如06:00~08:00為學(xué)生早晨起床洗漱時(shí)間，應(yīng)保持照明和插座回路處于通電狀態(tài)；08:00~11:00為學(xué)生上課時(shí)間，學(xué)生一般不在宿舍，切斷所有回路；23:00~06:00為學(xué)生休息時(shí)間，應(yīng)切斷照明用電，但保證插座和空調(diào)用電回路正常供電；在周末，08:00~23:00，一般學(xué)生不用上課，大多數(shù)時(shí)間均在宿舍，此時(shí)應(yīng)保證所有相關(guān)回路供電。

    終端為照明、插座、空調(diào)回路均提供獨(dú)立的兩套控制時(shí)段表，方便學(xué)校管理部門根據(jù)實(shí)際情況在不同的時(shí)刻控制不同的回路通/斷電，滿足定時(shí)控制管理的要求。

3.3.3 負(fù)載控制

    終端為宿舍用電總回路提供負(fù)載控制，可識(shí)別惡性負(fù)載并迅速作出響應(yīng)。

3.3.4 預(yù)付費(fèi)控制

    終端配合遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)售電管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)先交費(fèi)后用電的功能。學(xué)生可根據(jù)宿舍用電情況自行，用以保證宿舍正常用電。當(dāng)學(xué)生用完的電能后，終端會(huì)自行切除宿舍用電。學(xué)生若及時(shí)，可及時(shí)恢復(fù)供電。

3.3.5 組合控制

    以上4種邏輯控制方式可單獨(dú)使用，也可組合使用。終端可根據(jù)強(qiáng)制控制、時(shí)間控制、負(fù)載控制、預(yù)付費(fèi)控制的組合控制邏輯及優(yōu)先級(jí)共同決定供電輸出回路的通或斷。

組合控制邏輯如圖 3所示。

圖3 組合控制邏輯

4 試驗(yàn)結(jié)果

惡性負(fù)載識(shí)別測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    由表1可知，管理終端可快速識(shí)別學(xué)生接入宿舍回路的惡性負(fù)載，并給出分閘命令。組合控制邏輯如表2所示，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間段控制、負(fù)載控制、預(yù)付費(fèi)控制等組合邏輯控制，共同對(duì)宿舍進(jìn)行用電監(jiān)控。

5 結(jié)語

    該學(xué)生宿舍用電管理終端具備計(jì)量、監(jiān)測(cè)、控制功能，能夠降低學(xué)校等管理方面電費(fèi)收取難度，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，節(jié)約電能，并為用戶的合理管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)，是一套切實(shí)可行的用戶端電能收費(fèi)管理系統(tǒng)。

文章來源：《現(xiàn)代建筑電氣》2015年5期。

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表1 惡性負(fù)載識(shí)別測(cè)試結(jié)果

表2  組合控制邏輯