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学生宿舍安全用电智能管理终端设计
摘要：针对高校学生宿舍用电管理的复杂性以及安全用电的管理需求，设计了一种学生宿舍安全用电智能管理终端。测试结果表明，智能管理终端可快速识别接入宿舍回路的恶性负载，组合控制逻辑共同对宿舍用电进行监控，以满足学校后勤管理部门对学生宿舍的用电管理需求。
关键词：宿舍用电；智能管理；逻辑控制；负载识别
0 引言
随着社会经济的发展及学生公寓的普及，学生宿舍的用电情况发生了巨大变化。科学、合理地管理学生宿舍的用电，成为学校后勤管理部门面临的一个十分重要的课题。综合调查比较学校学生宿舍的用电情况，总结学校用电管理有以下几个需求：
（1）电力商品化。传统****的供电方式和从住宿费中平均收取电费的方法不适应现在用电设备日趋增多的需求，采取按需购电的方式实行电力商品化是势在必行的管理手段。
（2）用电安全。为避免学生在使用非安全用电设备时引起火灾情况，所以应考虑**负荷及恶性负载识别自动断电的控制措施。
（3）按需控制。为培养学生良好的生活习惯，规范学生的作息，应结合学校管理需求对学生宿舍的用电回路实施定时控制。
本文设计一种学生宿舍安全用电智能管理终端，以满足学校后勤管理部门对学生宿舍的用电管理需求。
1 功能设计
结合计量计费、智能监控及识别、断送电控制管理的要求，宿舍安全用电智能管理终端设计功能如下：
（1）累加计量总用电量，递减计量剩余电量；
（2）可实时检测电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等电力参数；
（3）支持对3个输出回路（如照明、插座、空调）作独立控制；
（4）支持预付费控制、负载识别控制、时间控制、强制控制等4种逻辑控制功能；
（5）可查询各种日志记录。
2 硬件组成
宿舍安全用电智能管理终端采用**功能的微控制单元（Micro Control Unit，MCU）设计。整机的硬件系统实现依据各个功能模块而展开，包含微处理器、电阻分压网络电压采样、电流互感器电流采样、三路磁保持继电器控制输出、铁电数据存储、液晶显示、按键输入、有功电能脉冲指示输出等。硬件组成如图1所示。
图1 硬件组成
3 软件设计
3.1 主程序流程
主程序作时间片及事件的触发条件来管理各个不同的功能模块。主程序软件流程如图2所示。
图2 主程序软件流程
3.2 负载限制及负载识别算法
当学生使用纯阻性负载的违规电器（恶性负载）时，较易导致电器火灾等安全事故，对学生的生命和财产安全造成影响；当学生使用过多的常规电器，但累加用电负荷过高，同样会造成安全事故。
因此，该管理终端从最大功率限制和恶性负载识别两方面需求出发来决定负载控制结果，以保证宿舍用电安全。
最大功率限制的方法比较简单，若所有负载功率和**过总功率较大值，则判断为功率**限，必须切断宿舍供电回路。
对于恶性负载的判断，若也采用总功率判断的方法，则不能够被准确识别。测试小功率纯阻性恶性负载工作特性时，可发现其功率因数很高。但若直接测试宿舍总供电回路功率因数并不会很高，故本设计终端采取增量判断法，即实时检测用电回路功率因数增量，作为判断恶性负载的依据。在宿舍总用电回路总功率为**限的情形下，功率因数增量**过较大设定值，则判断为恶性负载接入。功率因数增量为
式中：PN——当前有功功率；
PL——上一时刻有功功率；
ΔP——有功功率增量；
QN——当前无功功率；
QL——上次无功功率；
ΔQ——无功功率增量。
3.3 逻辑控制方式。
3.3.1 强制控制
高校宿舍中有部分宿舍会安排给相关管理人员和留学生住宿。这些宿舍往往是不切断电供电且没有负载、时间限制等。这种情况下，强制控制功能打开，则其他的控制功能将不起作用。另外，高校在有大型活动安排时，需要对各宿舍回路做统一的断送电处理，也需通过强制控制功能实现。
3.3.2 时间控制
高校学生较多，为统一安排作息，需统一按时通/断电，例如06:00~08:00为学生早晨起床洗漱时间，应保持照明和插座回路处于通电状态；08:00~11:00为学生上课时间，学生一般不在宿舍，切断所有回路；23:00~06:00为学生休息时间，应切断照明用电，但保证插座和空调用电回路正常供电；在周末，08:00~23:00，一般学生*，大多数时间均在宿舍，此时应保证所有相关回路供电。
终端为照明、插座、空调回路均提供独立的两套控制时段表，方便学校管理部门根据实际情况在不同的时刻控制不同的回路通/断电，满足定时控制管理的要求。
3.3.3 负载控制
终端为宿舍用电总回路提供负载控制，可识别恶性负载并*作出响应。
3.3.4 预付费控制
终端配合远程预付费售电管理系统可实现先交费后用电的功能。学生可根据宿舍用电情况自行充值，用以保证宿舍正常用电。当学生用完充值的电能后，终端会自行切除宿舍用电。学生若及时充值，可及时恢复供电。
3.3.5 组合控制
以上4种逻辑控制方式可单独使用，也可组合使用。终端可根据强制控制、时间控制、负载控制、预付费控制的组合控制逻辑及**级共同决定供电输出回路的通或断。
组合控制逻辑如图 3所示。
图3 组合控制逻辑
4 试验结果
恶性负载识别测试结果如表1所示。
由表1可知，管理终端可快速识别学生接入宿舍回路的恶性负载，并给出分闸命令。组合控制逻辑如表2所示，可实现时间段控制、负载控制、预付费控制等组合逻辑控制，共同对宿舍进行用电监控。
5 结语
该学生宿舍用电管理终端具备计量、监测、控制功能，能够降低学校等管理方面电费收取难度，提高工作效率，实现优化运行，有效节约电能，并为用户的合理管理提供数据依据，是一套切实可行的用户端电能收费管理系统。
文章来源：《现代建筑电气》2015年5期。
参考文献：
文涛.安全用电管理系统在学生公寓中的应用[J].电子测试,2013,06(11):64-65
罗辉,乔丽莉,仲冬华.智能安全用电节能计量管理系统在高校能源管理中的应用[J].智能建筑与城市信.2012(5):68-71
来晓俊.金华职业技术学院后勤智能用电管理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学,2010
胡鑫凤,周璐,孙一文.基于51单片机的大学生宿舍用电管理系统[J].电子制作,2013(11):36-38
表1 恶性负载识别测试结果
表2 组合控制逻辑
基于DDSF1352/DTSF1352电表的低压终端电能管理 安科瑞鲍静君
摘 要：鉴于公共建筑电能消耗主要集中在低压终端的现状，为了实现对终端用户用能的量化管理，在公共建筑低压配电系统中加装电能计量装置，实现电能计量管理十分必要。本文介绍一种采用现场总线的数字式复费率电能表，以及利用该表组成的电能管理系统，实现电能管理的实际案例。
关键词：DDSF1352/DTSF1352电表;电能管理系统;工程案例
0 引言
由***签署的*人民共和国**令531号《公共机构节能条例》已经2008年7月23日**18次常务会议通过，自2008年10月1日起施行。《条例》十四条明确指出：公共机构应当实行能源消费计量制度，区分用能种类、用能系统实行能源消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况实行监测，及时发现、纠正用能浪费现象。建质〔2006〕277号文《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇 电气分册》提出电气回路要加装电能计量装置，而江苏、上海也分别推出苏建科〔2007〕217号文《江苏省公共建筑用能计量设计规定》和沪建交〔2008〕828号文《关于进一步加强本市民用建筑设备节能设计技术管理的通知》，进一步明确提出对主要用电设施分项计量，对办公楼、商场、宿舍等应计量到经济核算单元;对医疗病房、宾馆客房、学校教室应按楼层或功能分区计量等等，并纳入审图和竣工验收标准之中。
目前终端电能计量表计的安装普遍采用传统壁挂式的安装方式，存在体积大，安装不方便等缺点。而DDSF1352/DTSF1352导轨式安装电表采用模数化设计，具有体积小、易安装、易组网等优点，易于实现终端配电电能计量。便于配电系统加装电度表的改造。
1 DDSF1352/DTSF1352电表简介
1.1产品特点
DDSF1352/DTSF1352单、三相电子式复费率电表，采用DIN35mm轨道安装，结构模数化设计，宽度与微型断路器匹配，分别是4和7个模数，可方便安装于照明箱内(见图1)。一次接入较大电流20(80)A，80A以上需外接CT，变比较大可扩至6000/5A。电表带RS485通讯接口，支持MODBUS-RTU协议或DL/T645规约。接线端子上的透明翻盖与外壳可铅封，达到防窃电的目的。该表除用于企事业内部电能计量考核管理外，经供电部门测试校验合格后，还可作为贸易结算表使用。该产品符合GB/T 17215-2002《1级和2级静止式交流有功电能表》，GB/T 15284-2002《多费率电能表特殊要求》等标准要求。
图1 电表外形及安装方式
1.2 设计原理
1.2.1 单相DDSF1352电表设计原理
DDSF1352单相复费率电能表采用ADI公司较新技术ADE7169F16片上系统的单芯片设计完成。ADE7169集成了高精度计量单元模块和8052的MCU及其外围模块，计量模块计量精度高、能测量各相电流、电压有效值、各相及总的有功功率、无功功率、电网频率等运行参数，过载倍数大。片上8052的MCU带有16K FLASH和512B RAM和多种外设模块，支持低功耗温度补偿的片上RTC模块、LCD驱动模块、电源管理模块、SPI/I2C接口模块和UART通讯模块等，用一片ADE7169就能实现单相复费率多功能电能表设计。具体设计框图如图2。
图2 单相DDSF1352电表原理框图
1.2.2 三相DTSF1352电表设计原理
DTSF1352 三相电子复费率电能表采用计量芯片ATT7030A和飞思卡尔公司的8位单片机M68HC908LJ12实现。其原理为：线路上实时电压、电流经高精度互感器耦合，采样电路分别采样后，送到电量计量**芯片ATT7030A(A/D转换器转化成数字信号，通过片内**DSP运算后输出电能脉冲)，通过脉冲送到MCU中，并根据预先设定的时段完成分时有功、无功电量计量和较大需量计算，分别作出相应处理，并存贮到EEPROM中;同时实现显示和输出、RS485串行数据传输。具体设计框图如图3。
图3 三相DTSF1352电表原理框图
2 应用案例
2.1 一次方案
以某理工大学学生宿舍楼为例。该楼有4层，每层有24间宿舍，配有公共卫生间、洗衣房、公共浴室，电气一次方案见图4。总配电箱进线回路安装有屏装式ACR230ELH多功能电力仪表，计量宿舍总电量。包括三相有功电度、无功电度、功率、功率因数、电流、电压、频率以及分相电量等共34项电参量。电流、电压2～31次分次谐波分量，电流、电压不平衡度，电流、电压正、负零序分量检测和分析。每个楼层、应急照明、风机、预留电气干线分别由7台DTSF1352电表负责计量三相有功电度，电表可与CM1断路器对应并列导轨式安装，也可集中安装在箱内上方。每一楼层的宿舍房间、公共卫生间、洗衣房、走廊电能由27台单相电表DDSF1352负责计量，公共浴室由1台三相DTSF1352计量。
图4 宿舍楼电气一次方案
2.2 系统组网
配电系统一次方案图列出了总配电箱及宿舍一层照明箱配电箱的支路数及各支路电能表的型号。为满足智能化监测及远程自动抄表需要，该电能管理系统采用RS485总线，将安装于总配电箱AL1总进线的1台ACR230ELH多功能电力仪表、安装于WL1～WL7及各楼层公共浴室的11台DTSF1352三相导轨式电度表及安装于宿舍楼各楼层的108台DDSF1352单相导轨式电度表(27×4层宿舍楼)进行集中组网，监控中心配置监控计算机、打印机、通讯服务器及必要的辅助设备，安装电能管理系统EMS软件完成对各台电能表的远程采集和数据的集中处理。电 能管理系统图见图5。
图5 系统组网方案
2.3 电能管理系统功能
2.3.1 远程电参量测量。
完成了对总进线ACR230ELH多功能电力仪表实时电参量采集，包括三相电流、电压、功率、功率因数、有功电度、无功电度、频率等，显示于电能管理主画面;实现了对11只DTSF1352三相电度表和108只DDSF1352单相电度表的远程自动抄表功能;实现自动统计各宿舍日、月用电及分摊电能计算功能;通过该系统与现场仪表的结合使用体现出电能的总进线、支路及各较终用户的分层、分类、分户计量管理。见图4。ACR230ELH对宿舍楼电流谐波、不平衡度等电能质量进行诊断，系统保存历史记录，对下一步电能质量改善方案提供决策依据。
2.3.2 运行状态监测。
管理员可设定系统的采集频率，如每15分种采集一次，并设定各回路的用电负荷值(如宿舍负荷设定为6～10A)，系统可根据设定对采集值进行处理，并对过负荷回路进行声光报警，提示管理员该回路出现异常的状态信息。系统还可对各回路通讯异常进行自检测，以便维护人员能够及时进行排错与维修。
2.3.3 趋势分析。
对采集的电参量进行分类识别并将必要参量存储至数据库中，对所有电参量的数据存储可达两年，对电能参量的数据存储可达三年以上，并可根据用户需求及硬件配置更改存储时间。系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的运行负荷状况。系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，并通过调用显示各种曲线画面，方便工程人员对监测的配电系统进行质量分析。如：总进线的电流趋势、功率趋势及谐波趋势分析;分支回路的月用电趋势、棒图/折线图分析等,还可与去年/前年同期数据相比，生成计量数据库。
2.3.4 报表打印。
系统可根据用户需求设计出符合其需要的各种类型报表。如：实时报表、历史报表、事件故障及告警记录报表、操作记录报表等。可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表。根据复费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，查询打印的起点、间隔等参数可自行设置，自动生成收费报表以便内部收费管理。
2.4 工程造价
根据一次方案及系统结构，该宿舍楼电能管理系统材料名称、型号、数量、报价见表1。不含人力成本投资大约为11.45万元。
表1
3 结束语
2009年1月，DDSF1352/DTSF1352单、三相电表通过国家电能表质量监督检验中心(江苏)委托检验，各项指标均合格。除某理工大学外，产品还在长沙某卷烟厂、运城某中心医院、上海某警务区9156工程等项目中得到应用，取得了较好的社会效益。
文章来源于:《上海节能》2009年4期。
【参考文献】
[1] *人民共和国**令531号《公共机构节能条例》
[2] 任致程，周中.电力电测数字仪表原理与应用指南[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3] 沪建交〔2008〕828号 上海市建设和交通**关于进一步加强本市民用建筑设备节能设计技术管理的通知.
[4] 苏建科〔2007〕217号 江苏省公共建筑用能计量设计规定(暂行).