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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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表1 恶性负载识别测试结果
表2 组合控制逻辑
分项计量电能表 鲍静君
目前分项计量电能表的安装普遍采用传统壁挂式的安装方式，存在体积大，安装不方便的缺点。而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，易于实现终端照明电能计量，便于照明系统加装电度表的改造。
下面以安科瑞电气股份有限公司的DTSF1352系列电能表为例，照明箱**电能表的功能及应用。
产品概述
DTSF1352系列导轨式安装电能表是安科瑞电气股份有限公司电气集多年的电表设计经验，所推出的新一代微型智能电能表，它用于380V/220V终端照明系统，采用标准DIN35mm导轨式安装，结构模数化设计，宽度与微型断路器匹配，可方便安装于照明箱内。
DTSF1352系列电表采用LCD显示，测量电能及其它电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，并具有电能脉冲输出功能。可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
DTSF1352系列电能表具有体积小巧、精度高、可靠性好、安装方便等优点，性能指标符合国标GB/T 17215、GB/T 17883和电力行业标准DL/T614对电能表的各项技术要求，适用于**和大型公建中对电能的分项计量，也可用于企事业单位作电能管理考核。
应用场合
DTSF1352由于其微型化的结构，可方便其与微型断路器一起使用，安装于终端照明箱内。为低压照明终端的电能计量提供了有效的解决方案。可广泛应用于楼宇、商场、会展中心、学校、机场、港口及工厂等。
性能特点
ACREL公司集多年电表设计之经验，采用的芯片及技术设计而成了DTSF1352系列导轨式安装电能表。产品设计充分考虑了结构微型化、成本效能化、智能性和可靠性，有以下特点：
计量总有功电能，反向计入总电能
可选分时复费率电能计量功能
支持RS485通讯接口，通讯规约可选(MODBUS-RTU或DL/T645规约)，带电能脉冲输出
电流一次接入，二次接入均可，电压信号供电，不需要辅助电源
体积小巧，宽度为18mm的倍数，与微型断路器配合，带铅封防窃电
DIN35mm标准导轨安装方式，轻松置入各类照明箱和照明柜
7位宽温型LCD显示，轮显
功能简介
电能计量
计量正、反向有功电能，并具有功率方向指示功能
电能量按总、尖、峰、平、谷分别累计、存储
电表内存储3个月的冻结数据
电能量数据冻结转存日缺省设置为每月末24时(月末冻结)
断电后，所有存储数据不丢失，并能保持10年以上
时钟及时段费率
具有**日历、时间，闰年自动切换功能，时钟误差在0.5s/天以内
DDSF1352可编程设置峰、平、谷3种费率，日时段可设8个时段，时段较小间隔为1分钟
DTSF1352可编程设置尖、峰、平、谷4种费率，日时段可设8个时段，时段较小间隔为1分钟
显示
7位宽温型LCD显示。
可实现数据轮显，轮显时间为4s。
电能脉冲和当前费率时段用LED指示
编程功能
电表地址设置
时间日期设置
费率时段设置
电量底数清零设置
输出
有功电能脉冲输出，用于校表、采集电能量
无源光电隔离型输出端口，脉冲宽度：80ms±20ms
抄表功能
通过RS485通信，上位机可实现自动抄表功能
技术规格参数
测量精度
准确度等级：有功1.0级
时钟准确度：日误差≤0.5s/d
电流输入
起动电流：直接接入 0.004Ib;经CT接入 0.002In
电流规格：1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A
电流线路功耗：≤1VA
电压输入
额定电压：220V，3×220/380V
工作电压：正常工作电压范围：0.9~1.1Un;极限工作电压范围：0.7~1.2Un
电压线路功耗 ≤2W，5VA
额定频率 50Hz
脉冲输出
输出方式：集电极开路的光耦脉冲，1路脉冲输出
脉冲宽度：80ms±20ms
通讯网络
1路RS485通讯接口，Modbus-RTU通讯协议(其他可定制)
通信速率 9600bps(默认)、4800bps、2400bps、1200bps可选
平均无故障工作时间
连续工作时间≥50000h
适用环境
正常工作温度：-10℃~+45℃
极限工作温度：-20℃~+55℃
存储温度：-40℃~+70℃
相对湿度：5%~95%不结露，无腐蚀性气体
海拔：≤2500m
导轨式安装电能表外形尺寸及安装方式(单位mm )
DDS1352外形尺寸为18×91×64mm，1模数
DDSF1352外形尺寸为76×89×74mm，4模数
DTSF1352外形尺寸为126×89×74mm，7模数
DTSD1352外形尺寸为126×89×74mm，7模数
DDS1352/ DDSF1352/DTSF1352/ DTSD1352计量仪表均采用标准35mm导轨式安装
选 型
安科瑞电气股份有限公司电气导轨式安装电能表DTSF1352-FC计量总有功电能、分时复费率电能，反向计入总电能，有功电能脉冲输出、时钟脉冲输出，RS485通讯接口、Modbus协议，外形尺寸126×89×74mm、7模数，标准35mm导轨式安装
范 例
型 号：DDSF1352-FC
应用场合：单相系统
接入方式：直接接入
额定电压：AC 220V
电流规格：5(20)A
测量参数：总电能、分时复费率电能，电流，电压
附加功能：RS485通信，MODBUS协议
型 号：DTSD1352-FC
应用场合：三相系统
接入方式：二次接入
额定电压：AC 3*220V/380V
电流规格：1.5(6)A
测量参数：测量分相电压、分相电流、分相及总的有功功率、无功功率和视在功率、分相及总的功率因数、电网频率、有功、无功功率较大需量统计、计量总的正反向有功和无功电能(4象限电能)、分时复费率电能
附加功能：RS485通信，MODBUS协议
