學生宿舍安全用電智能管理終端設計

徐華1  周正波2   畢博3   宗壽松3  楊立海3

（1. 清華大學建筑設計研究院有限公司  北京  100084）

（2. 四川省建筑科學研究院  四川成都  610084）

（3.安科瑞電氣股份有限公司  上海 嘉定  201801)

摘要：針對高校學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行監(jiān)控，以滿足學校后勤管理部門對學生宿舍的用電管理需求。

關鍵詞：宿舍用電；智能管理；邏輯控制；負載識別

0 引言

    隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及學生公寓的普及，學生宿舍的用電情況發(fā)生了巨大變化?？茖W、合理地管理學生宿舍的用電，成為學校后勤管理部門面臨的一個十分重要的課題。綜合調查比較學校學生宿舍的用電情況，總結學校用電管理有以下幾個需求：

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

    （2）用電安全。為避免學生在使用非安全用電設備時引起火災情況，所以應考慮超負荷及惡性負載識別自動斷電的控制措施。

    （3）按需控制。為培養(yǎng)學生良好的生活習慣，規(guī)范學生的作息，應結合學校管理需求對學生宿舍的用電回路實施定時控制。

    本文設計一種學生宿舍安全用電智能管理終端，以滿足學校后勤管理部門對學生宿舍的用電管理需求。

1 功能設計

    結合計量計費、智能監(jiān)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）可實時檢測電壓、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3個輸出回路（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、時間控制、強制控制等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）設計。整機的硬件系統(tǒng)實現(xiàn)依據(jù)各個功能模塊而展開，包含微處理器、電阻分壓網(wǎng)絡電壓采樣、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、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

    主程序作時間片及事件的觸發(fā)條件來管理各個不同的功能模塊。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

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

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

    zui大功率限制的方法比較簡單，若所有負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，可發(fā)現(xiàn)其功率因數(shù)很高。但若直接測試宿舍總供電回路功率因數(shù)并不會很高，故本設計終端采取增量判斷法，即實時檢測用電回路功率因數(shù)增量，作為判斷惡性負載的依據(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大設定值，則判斷為惡性負載接入。功率因數(shù)增量為

式中：PN——當前有功功率；

      PL——上一時刻有功功率；

ΔP——有功功率增量；

QN——當前無功功率；

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 強制控制

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

3.3.2 時間控制

    高校學生較多，為統(tǒng)一安排作息，需統(tǒng)一按時通/斷電，例如06:00~08:00為學生早晨起床洗漱時間，應保持照明和插座回路處于通電狀態(tài)；08:00~11:00為學生上課時間，學生一般不在宿舍，切斷所有回路；23:00~06:00為學生休息時間，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，08:00~23:00，一般學生不用上課，大多數(shù)時間均在宿舍，此時應保證所有相關回路供電。

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

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(tǒng)可實現(xiàn)先交費后用電的功能。學生可根據(jù)宿舍用電情況自行，用以保證宿舍正常用電。當學生用完的電能后，終端會自行切除宿舍用電。學生若及時，可及時恢復供電。

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(jù)強制控制、時間控制、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，可實現(xiàn)時間段控制、負載控制、預付費控制等組合邏輯控制，共同對宿舍進行用電監(jiān)控。

5 結語

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

文章來源：《現(xiàn)代建筑電氣》2015年5期。

參考文獻：

1. 文濤.安全用電管理系統(tǒng)在學生公寓中的應用[J].電子測試,2013,06(11):64-65
2. 羅輝,喬麗莉,仲冬華.智能安全用電節(jié)能計量管理系統(tǒng)在高校能源管理中的應用[J].智能建筑與城市信.2012(5):68-71
3. 來曉俊.金華職業(yè)技術學院后勤智能用電管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學,2010
4. 胡鑫鳳,周璐,孫一文.基于51單片機的大學生宿舍用電管理系統(tǒng)[J].電子制作,2013(11):36-38

表1 惡性負載識別測試結果

表2  組合控制邏輯