學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端設(shè)計

徐華1 周正波2 畢博3 宗壽松3 楊立海3

（1. 清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司 北京 100084）

（2. 四川省建筑科學(xué)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(xué)生宿舍用電管理的復(fù)雜性以及安全用電的管理需求，設(shè)計了一種學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端。測試結(jié)果表明，智能管理終端可快速識別接入宿舍回路的惡性負(fù)載，組合控制邏輯共同對宿舍用電進(jìn)行監(jiān)控，以滿足學(xué)校后勤管理部門對學(xué)生宿舍的用電管理需求。

    0 引言

    隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及學(xué)生公寓的普及，學(xué)生宿舍的用電情況發(fā)生了巨大變化。科學(xué)、合理地管理學(xué)生宿舍的用電，成為學(xué)校后勤管理部門面臨的一個十分重要的課題。綜合調(diào)查比較學(xué)校學(xué)生宿舍的用電情況，總結(jié)學(xué)校用電管理有以下幾個需求：

    （1）電力商品化。傳統(tǒng)限時限量的供電方式和從住宿費中平均收取電費的方法不適應(yīng)現(xiàn)在用電設(shè)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(xué)生在使用非安全用電設(shè)備時引起火災(zāi)情況，所以應(yīng)考慮超負(fù)荷及惡性負(fù)載識別自動斷電的控制措施。

    （3）按需控制。為培養(yǎng)學(xué)生良好的生活習(xí)慣，規(guī)范學(xué)生的作息，應(yīng)結(jié)合學(xué)校管理需求對學(xué)生宿舍的用電回路實施定時控制。

    本文設(shè)計一種學(xué)生宿舍安全用電智能管理終端，以滿足學(xué)校后勤管理部門對學(xué)生宿舍的用電管理需求。

    1 功能設(shè)計

    結(jié)合計量計費、智能監(jiān)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(shè)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(shù)等電力參數(shù)；

    （3）支持對3個輸出回路（如照明、插座、空調(diào)）作獨立控制；

    （4）支持預(yù)付費控制、負(fù)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專用功能的微控制單元（Micro Control Unit，MCU）設(shè)計。整機的硬件系統(tǒng)實現(xiàn)依據(jù)各個功能模塊而展開，包含微處理器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(shè)計

    3.1 主程序流程

    主程序作時間片及事件的觸發(fā)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(fù)載限制及負(fù)載識別算法

    當(dāng)學(xué)生使用純阻性負(fù)載的違規(guī)電器（惡性負(fù)載）時，極易導(dǎo)致電器火災(zāi)等安全事故，對學(xué)生的生命和財產(chǎn)安全造成影響；當(dāng)學(xué)生使用過多的常規(guī)電器，但累加用電負(fù)荷過高，同樣會造成安全事故。

    因此，該管理終端從最大功率限制和惡性負(fù)載識別兩方面需求出發(fā)來決定負(fù)載控制結(jié)果，以保證宿舍用電安全。

    最大功率限制的方法比較簡單，若所有負(fù)載功率和超過總功率最大值，則判斷為功率超限，必須切斷宿舍供電回路。

    對于惡性負(fù)載的判斷，若也采用總功率判斷的方法，則不能夠被準(zhǔn)確識別。測試小功率純阻性惡性負(fù)載工作特性時，可發(fā)現(xiàn)其功率因數(shù)很高。但若直接測試宿舍總供電回路功率因數(shù)并不會很高，故本設(shè)計終端采取增量判斷法，即實時檢測用電回路功率因數(shù)增量，作為判斷惡性負(fù)載的依據(jù)。在宿舍總用電回路總功率為超限的情形下，功率因數(shù)增量超過最大設(shè)定值，則判斷為惡性負(fù)載接入。功率因數(shù)增量為

    式中：PN——當(dāng)前有功功率；

    PL——上一時刻有功功率；

    ΔP——有功功率增量；

    QN——當(dāng)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(guān)管理人員和留學(xué)生住宿。這些宿舍往往是不切斷電供電且沒有負(fù)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(tǒng)一的斷送電處理，也需通過強制控制功能實現(xiàn)。