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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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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SOC技术的多功能导轨式三相电能表设计与应用 安科瑞鲍静君
摘要： 针对导轨式三相电能表的实用性及开发难度较大等问题，设计了一种利用SOC技术的实现方法，分别从硬件与软件角度介绍了DTSD1352的设计及应用。
关键字：SOC；导轨式；三相电能表
0.引言
据统计，我国公共建筑单位面积的年平均耗电量数值巨大，约占全国城镇总耗电量的22%。在公共建筑节能方面，分项计量是现阶段有效可行的方法。分项计量系统中电表作为终端元件，在功能、性能、安装方式上都有较严格的要求。目前我国供电部门用于收费的电能表为壁挂式安装方式，此安装方式占用空间较大，不易安装，更不适用于本来空间就狭小的改造项目。而且大型公共建筑分项电能计量属于内部计量管理，不宜使用收费电表，而应采用电力仪表。导轨式安装在体积、结构上都优于传统的壁挂式和嵌入式仪表，其特殊的安装方式既可以安装在终端照明箱中又可以安装在大型开关柜、动力柜中而不用重新开孔。
1.设计依据
电能表作为计量型仪表，与经济、民生息息相关。因此，其相关标准在众多工业标准当中是较为严格的。电能表主要参考的标准为：
GB/T17215.322-2008 《交流电测量设备特殊要求 22部分：静止式有功电能表（0.2S级和0.5S级）》
GB/T17215.211-2006 《交流电测量设备 通用要求、试验和试验条件 11部分:测量部分》
DL/T614-2007 《多功能电能表》
以上标准针对电能表在设计、生产及应用中的性能、功能都规定了详细的技术参数。其中较为重要的性能指标有：
1）、工频耐压。所有的电流线路和电压线路以及参比电压**过40V的辅助线路连接在一起为一点，另一点为地，试验电压4kV加于该两点间，不应发生飞弧、火花放电或击穿现象。
2）、快速瞬变脉冲群试验。在电压和电流线路加4kV脉冲群，仪表准确度应在相应标准规定的极限内。
3）、静电放电抗扰度试验。接触放电8kV，空气放电15kV，仪表不能有死机或精度不准显现。
4）、浪涌抗扰度试验。在电压线路通以参比电压，电流端开路，在电压和电流线路上施加4kV，正负极各5次，仪表不应损坏不能工作。
以上几点指标在各自的试验规格中都是较的残酷级别。对于传统的壁挂式电能表，体积较大，内部有足够的设计空间来应对标准中的各种要求。而导轨式三相多功能电能表因为体积较小，模具决定了内部可用空间不大。因此，导轨式三相电能表在设计上要难于传统的壁挂式电能表。本文以DTSD1352三相多功能电能表为例讲解一种基于SOC技术的方案。
2.硬件可靠性设计
2.1 芯片选择
DTSD1352采用的主芯片是美信公司的71M6543，此芯片包含了一个8051的微处理器内核和一个可实现计量功能的32位DSP数字引擎（CE），同时包括了电能表所必须的一些外设，如LCD驱动、可补偿的RTC、UART等。芯片具有良好的电磁兼容性，完全符合电能表的性能标准。由于此芯片的集成度较高，为产品内部结构留下了宝贵的空间。
2.2 总体方案
总体方案框图如图1所示。总体设计中主要围绕71M6543，外围电路主要包括：开关电源、电压电流采样电路、按键、液晶显示、数据存储、RS485通信模块、脉冲输出。原始信号经电阻分压及电流互感器信号衰减输入到CE，CE顺序处理从模拟输入引脚采集的电压信号，计算有功能量（Wh）和无功能量（VARh），以及四象限表计的A2h和V2h。然后MPU存取这些测量值，进一步处理并通过MPU的外围器件输出，输出方式如：LCD显示、RS485通信等。除了测量功能外，实时时钟（RTC）功能允许71M6543不外挂任何实时时钟芯片就可以实现多费率分时计量。同时配合外挂的铁电，可以实现对12个月的历史数据的保存功能。
2.3 采样电路
71M6543的管脚IADC0至IADC7用作电流传感器输入。这8路电流传感器输入可配置为8路单端输入，或配对构成4路差分输入。为获得较佳性能，DTSD1352在设计中将电流传感器输入配置为差分输入（即：IADC0-IADC1、IADC2-IADC3、IADC4-IADC5、IADC6-IADC7）。71M6543提供了分流器接入和电流互感器接入两种接入方式，处于电气安全的考虑，DTSD1352方案中使用的是互感器方案。具体电路原理图如图2所示：
3.软件模块化设计
DTSD1352采用模块化软件设计，模块设计包括：计量运算、校准模块、人机交互模块、通信模块、复费率计算模块、需量计算模块、事件记录模块等。整体流程图如图4所示：
流程图中的任务调度模块其实是由多个中断以及定时器按一定的**级组合而成的。其支配着整个程序，驱动程序正常无误的工作。对于周期性任务，如计量、复费率运算等，由定时器定时分配任务执行顺序。而对于一些非周期性任务，如通信、人机交互等，则由中断触发执行。各模块大多相互独立，代码维护简单。
4.DTSD1352测试数据
表1为DTSD1352在各温度环境测试中的数据，这些数据表明DTSD1352有功电能精度等级可以满足0.5S级要求，并满足高低温性能。
表1
5.DTSD1352在实际中的应用
图5为DTSD1352在某写字楼中的系统图和接线图。右图为电气系统图，DTSD1352作为系统中的终端元件对包括照明、空调或插座等终端负载进行电能计量及电气运行参数测量。左图为单个DTSD1352的外部接线图，电网中的A、B、C三相分别接入表的UA、UB、UC（端子号1、3、5）端子。电流经互感器后接到相应的电流接口。DTSD1352还有直接接入，低于80A的电流可直接进表，接线方式与互感器接入相似，由于篇幅问题，这里就不再赘述。
5.结束语
导轨式安装多功能电能表可在分项计量项目中发挥较大作用，可有效减少施工难度及成本。DTSD1352性能指标符合国标GB/T17215和电力行业标准DL/T614-2007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。
文章来源于：《电气时代》2012年11期。
参考文献
[1]《电力电测字仪表原理与应用指南》.任致程,周中.中国电力出版社
[2]《交流采样的设计与实现》.陈学珍.数采与监测