學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端設計

摘要

     針對高校學(xué)生宿舍用電管理的復雜性以及安全用電的管理需求，設計了一種學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端。測試結果表明，智能管理終端可快速識別接入宿舍回路的惡性負載，組合控制邏輯共同對宿舍用電進(jìn)行監控，以滿(mǎn)足學(xué)校后勤管理部門(mén)對學(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；負載識別

0 引言

     隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(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?？茖W(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(mén)面臨的一個(gè)十分重要的課題。綜合調查比較學(xué)校學(xué)生宿舍的用電情況，總結學(xué)校用電管理有以下幾個(gè)需求：

     （1）電力商品化。傳統*的供電方式和從住宿費中平均收取電費的方法不適應現在用電設備日趨增多的需求，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備時(shí)引起火災情況，所以應考慮超負荷及惡性負載識別自動(dòng)斷電的控制措施。

     （3）按需控制。為培養學(xué)生良好的生活習慣，規范學(xué)生的作息，應結合學(xué)校管理需求對學(xué)生宿舍的用電回路實(shí)施定時(shí)控制。

     本文設計一種學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端，以滿(mǎn)足學(xué)校后勤管理部門(mén)對學(xué)生宿舍的用電管理需求。

1 功能設計

      結合計量計費、智能監控及識別、斷送電控制管理的要求，宿舍安全用電智能管理終端設計功能如下：

     （1）累加計量總用電量，遞減計量剩余電量；

     （2）可實(shí)時(shí)檢測電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和功率因數等電力參數；

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

     （4）支持預付費控制、負載識別控制、時(shí)間控制、強制控制等4種邏輯控制功能；

     （5）可查詢(xún)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）設計。整機的硬件系統實(shí)現依據各個(gè)功能模塊而展開(kāi)，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、鐵電數據存儲、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 軟件設計

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(lái)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 負載限制及負載識別算法

     當學(xué)生使用純阻性負載的違規電器（惡性負載）時(shí)，極易導致電器火災等安全事故，對學(xué)生的生命和財產(chǎn)安全造成影響；當學(xué)生使用過(guò)多的常規電器，但累加用電負荷過(guò)高，同樣會(huì )造成安全事故。

     因此，該管理終端從大功率限制和惡性負載識別兩方面需求出發(fā)來(lái)決定負載控制結果，以保證宿舍用電安全。

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

     對于惡性負載的判斷，若也采用總功率判斷的方法，則不能夠被準確識別。測試小功率純阻性惡性負載工作特性時(shí)，可發(fā)現其功率因數很高。但若直接測試宿舍總供電回路功率因數并不會(huì )很高，故本設計終端采取增量判斷法，即實(shí)時(shí)檢測用電回路功率因數增量，作為判斷惡性負載的依據。在宿舍總用電回路總功率為超限的情形下，功率因數增量超過(guò)大設定值，則判斷為惡性負載接入。功率因數增量為

式中：P_N——當前有功功率；

      P_L——上一時(shí)刻有功功率；

ΔP——有功功率增量；

Q_N——當前無(wú)功功率；

Q_L——上次無(wú)功功率；

ΔQ——無(wú)功功率增量。

3.3 邏輯控制方式。

3.3.1 強制控制

     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(méi)有負載、時(shí)間限制等。這種情況下，強制控制功能打開(kāi)，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)，需要對各宿舍回路做統一的斷送電處理，也需通過(guò)強制控制功能實(shí)現。

3.3.2 時(shí)間控制

     高校學(xué)生較多，為統一安排作息，需統一按時(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，應切斷照明用電，但保證插座和空調用電回路正常供電；在周末，08:00~23:00，一般學(xué)生不用上課，大多數時(shí)間均在宿舍，此時(shí)應保證所有相關(guān)回路供電。

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

3.3.3 負載控制

     終端為宿舍用電總回路提供負載控制，可識別惡性負載并迅速作出響應。

3.3.4 預付費控制

     終端配合遠程預付費售電管理系統可實(shí)現先交費后用電的功能。學(xué)生可根據宿舍用電情況自行充值，用以保證宿舍正常用電。當學(xué)生用完充值的電能后，終端會(huì )自行切除宿舍用電。學(xué)生若及時(shí)充值，可及時(shí)恢復供電。

3.3.5 組合控制

     以上4種邏輯控制方式可單獨使用，也可組合使用。終端可根據強制控制、時(shí)間控制、負載控制、預付費控制的組合控制邏輯及優(yōu)先級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 試驗結果

     惡性負載識別測試結果如表1所示。

　 由表1可知，管理終端可快速識別學(xué)生接入宿舍回路的惡性負載，并給出分閘命令。組合控制邏輯如表2所示，可實(shí)現時(shí)間段控制、負載控制、預付費控制等組合邏輯控制，共同對宿舍進(jìn)行用電監控。

5 結語(yǔ)

     該學(xué)生宿舍用電管理終端具備計量、監測、控制功能，能夠降低學(xué)校等管理方面電費收取難度，提高工作效率，實(shí)現優(yōu)化運行，節約電能，并為用戶(hù)的合理管理提供數據依據，是一套切實(shí)可行的用戶(hù)端電能收費管理系統。

文章來(lái)源：《現代建筑電氣》2015年5期。

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表1 惡性負載識別測試結果

表2  組合控制邏輯