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

    隨著社會經濟的發展及學生公寓的普及，學生宿舍的用電情況發生了巨大變化。科學、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*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。為培養學生良好的生活習慣，規范學生的作息，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等電力參數；

    （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。整機的硬件系統實現依據各個功能模塊而展開，包含微處理器、電阻分壓網絡電壓采樣、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

    主程序作時間片及事件的觸發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安全造成影響；當學生使用過多的常規電器，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zui大設定值，則判斷為惡性負載接入。功率因數增量為

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一的斷送電處理，也需通過強制控制功能實現。

3.3.2 時間控制

    高校學生較多，為統一安排作息，需統一按時通/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；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可實現先交費后用電的功能。學生可根據宿舍用電情況自行，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控。

5 結語

    該學生宿舍用電管理終端具備計量、監測、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，實現優化運行，節約電能，并為用戶的合理管理提供數據依據，是一套切實可行的用戶端電能收費管理系統。

文章來源：《現代建筑電氣》2015年5期。

參考文獻：

1. 文濤.安全用電管理系統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.智能安全用電節能計量管理系統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.金華職業技術學院后勤智能用電管理系統的設計與實現[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[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