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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：
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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():-
表1 恶性负载识别测试结果
表2 组合控制逻辑
双向计量多功能表 安科瑞鲍静君
双向计量多功能表是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的。它能测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压，有功、无功功率，电度、谐波等。由于该电力仪表还具备完善的通信联网功能，所以我们称之为网络电力仪表。它非常适合于实时电力监控系统。
该表具有很高的性能价格比，可以直接取代常规电力变送器及测量仪表。作为一种的智能化、数字化的前端采集元件，该系列网络仪表已广泛应用于各种控制系统、SCADA系统和能源管理系统中。
双向计量多功能表国外品牌有美国电气控制QP系列、法国施耐德PM系列，品牌有安科瑞电气股份有限公司ACR系列、江苏斯菲尔PD系列、珠海派诺PMAC等。
下面以安科瑞电气股份有限公司ACR220E产品为例,介绍双向计量多功能表的功能及技术参数。
双向计量多功能表
LED显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F);四象限电能计量;2DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议。
适用环境
工作温度：-10℃~+45℃
储存温度：-25℃~+70℃
相对湿度：≤95%不结露
海拔高度：≤2500m
电磁兼容
静电抗干扰实验 Ⅲ级(IEC61000-4-2)
辐射抗干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-3)
电快速瞬变脉冲群干扰试验 Ⅳ级(IEC61000-4-4)
浪涌抗干扰试验 Ⅳ级(IEC61000-4-5)
射频传导干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-6)
电磁场抗干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-8)
功能
可直接从电流、电压互感器接入信号;
可任意设定PT/CT变比;
仪表显示可滚动设置;
I/O开关量，继电器报警输出，4~20mA模拟量等功能模块化设计;
多块仪表可设置不同地址;
可通讯接入SCADA、PLC系统中;可与业界多种软件通讯(Intouch, Fix, Citec，组态网等);
LED或蓝屏背光LCD显示，可视度高;
方便安装，接线简单，工程量小;
仪表采用**失电保护电路，在失电情况下，数据保存不丢失，恢复电源后，仪表继续运行;
四象限电能计量，分时计费，较大需量纪录及12个月电能统计。
应用领域
能源管理系统
变电站自动化
配电网自动化
小区电力监控
工业自动化
智能建筑
智能型配电盘、开关柜
技术参数
网络
三相三线、三相四线
精度等级
电流、电压：0.2级，
功率、有功电能：0.5级，
频率：0.05Hz，
无功电能：1级
输入电流
额定值：AC1A、5A
过负荷： 1.2倍持续，瞬时10倍/10秒
功耗：<0.2VA
阻抗：<0.1Ω
输入电压
额定值：AC100V、400V
过负荷： 1.2倍持续，瞬时2倍/1秒
功耗：<0.2VA
阻抗：>200kΩ
工作电源
工作范围 AC85-270V
频率 50±5Hz，60±5Hz
功耗 <1W
工频耐压
2kV/1min交流有效值
开关量输入
2、4或8路路干接点输入，内置+5V电源
开关量输出
输出方式：2或4路继电器常开触点输出
触点容量：AC 250V/3A、DC 30V/3A
脉冲输出
输出方式:集电极开路的光耦脉冲，2路输出
脉冲常数: 10000、40000、160000 imp/kWh
通讯
RS485接口
MODBUS-RTU协议
波特率38400、19200、9600、4800可设定
外形及安装尺寸(mm)
ACR220E的面框尺寸为96mm*96mm,开孔尺寸为88mm*88mm, 安装深度为85mm。安装方式为嵌入式，固定方式为挤压式。LED显示。
**及着作权
ACR220E**：网络电力仪表(一)--外观**号200430035121.7 ;一种通用型电测仪表衬框外壳--实用新型**号200720066352.2
ACR220E着作权登记号：沪 DGY-2007-1338《安科瑞ACRXXE综合测控软件V1.0》
范例
型 号：ACR220E
辅助电源：AC/DC220V
输入信号：380V 600A/5A 2DI/2DO
电 网：三相四线
通 讯：RS485/Modbus-RTU
