電器節(jié)能控制算法的研究

[摘要] 通常情況下，用戶對工作或生活場所的各個電器的使用是有規(guī)律的，為了減少系統(tǒng)時間參數(shù)設(shè)置的復(fù)雜性，可以通過預(yù)測的電器的工作方式來代替用戶的自行時間參數(shù)設(shè)置，達(dá)到節(jié)能的控制的目的，同時通過電器的超前控制又為人們提供了更為理想便捷的使用方式。本文介紹了用于節(jié)能控制的時間序列預(yù)測算法的基本思想，設(shè)計(jì)了一種基于時間序列的預(yù)測算法。同時給出了時間序列預(yù)測的流程圖和仿真分析。

[關(guān)鍵詞] 預(yù)測算法 時間參數(shù)設(shè)置 節(jié)能 便捷

根據(jù)國家發(fā)改委公布的消息，2007年我國單位GDP能耗下降情況繼續(xù)趨好，同比下降3%左右。 2008年，我國節(jié)能形勢仍然嚴(yán)峻，國家將采取強(qiáng)化節(jié)能目標(biāo)責(zé)任制、繼續(xù)著力淘汰落后生產(chǎn)能力、抓好重點(diǎn)企業(yè)節(jié)能和重點(diǎn)工程建設(shè)等措施繼續(xù)推進(jìn)節(jié)能工作。電器節(jié)能是節(jié)能工作的重要組成部分。

一、問題的提出

節(jié)能控制領(lǐng)域的研究在我國目前處于起步階段。目前我國電器節(jié)能的研發(fā)趨勢之一就是降低產(chǎn)品的制造和使用成本，設(shè)計(jì)節(jié)能的工作或生活場所控制系統(tǒng)是現(xiàn)代節(jié)能領(lǐng)域的重要研究方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工作或生活場所的用電器在無人、待機(jī)的狀態(tài)下長期浪費(fèi)的電能占的能耗平均多達(dá)總能耗的30%以上。為了有效的解決這個問題，就需要設(shè)計(jì)一套集中控制管理工作或生活場所能量與電器配備相應(yīng)的節(jié)能控制算法的分布式控制系統(tǒng)。

二、時間序列的基本思想與基于時間序列理論的電器使用時間預(yù)測

1.時間序列理論

由式(2-2)和式(2-7)可以看出，時間序列都是由一部分規(guī)律性的和一部分不相關(guān)的組成。

2.基于時間序列理論的電器使用時間預(yù)測

傳統(tǒng)的時間序列分析主要是應(yīng)用在電力系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測，其原理就是利用過去的和現(xiàn)在的電力網(wǎng)的負(fù)荷來預(yù)測將來的電力網(wǎng)的負(fù)荷，通過預(yù)測進(jìn)行電網(wǎng)的輸電調(diào)度，保證滿足電網(wǎng)上的各個用電部門能夠正常的工作。除此外，還可以通過長期的負(fù)荷預(yù)測，決定電網(wǎng)的建設(shè)和水電、火電的規(guī)劃。同時，用戶對工作或生活中常用的電器的使用也是有一定的規(guī)律，可以通過對過去的使用情況進(jìn)行處理從而預(yù)測將來的用戶的使用規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的無人的自動控制，這樣既可以提高用戶對自己常用電器的使用質(zhì)量，使生活工作更加舒適又可以起到節(jié)約能源的作用。

時間序列預(yù)測的特點(diǎn)是一個連續(xù)時間序列往往存在規(guī)律性和偶然性，偶然性存在的情況下，仍然能夠比較好的預(yù)測到將來的觀測值。電網(wǎng)的負(fù)荷化就是這樣的，它是由用電部門的穩(wěn)定地用電規(guī)律和偶性的隨機(jī)用電尖峰。而用電器的使用規(guī)律也是這樣的，一方面用戶在某個電的使用上是有規(guī)律的，另一方面用戶也會因?yàn)榕既坏耐话l(fā)事件改變自己以往使用規(guī)律，即隨機(jī)事件的發(fā)生。

因此采用時間序列法來預(yù)測用戶對電器的使用規(guī)律是可行的。本研究就是采用這種時間序列的方法進(jìn)行電器使用時刻的預(yù)測。

3.二階自回歸模型預(yù)測過程介紹

4.二階自回歸模型預(yù)測的軟件流程圖設(shè)計(jì)

從上述推導(dǎo)過程可以得到二階自回歸模型預(yù)測的流程，即先利用歷史觀測數(shù)據(jù)通過式(4-5)計(jì)算出，然后再利用Y-W方程的導(dǎo)出式(4-4)計(jì)算出，這樣便可以構(gòu)建出二階自回歸的預(yù)測模型，最后便是利用這個二階模型來計(jì)算下一個數(shù)據(jù)的預(yù)測值。其預(yù)測控制流程圖見下圖所示：

5.時間序列預(yù)測的仿真分析

為了證實(shí)時間序列預(yù)測算法的可用性，本研究還進(jìn)行了仿真分析。本研究采用的仿真軟件為MATLAB仿真軟件，由于MATLAB軟件中的SIMULINK提供了常用的仿真塊，因此只需要進(jìn)行簡單的參數(shù)設(shè)定便可以進(jìn)行仿真分析。具體的階次和數(shù)據(jù)長度如下圖。

三、節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)

1.節(jié)點(diǎn)控制器的控制策略

(1)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分離，即將采集到的時間點(diǎn)數(shù)據(jù)分類存儲處理。由于大多數(shù)的電器使用者的使用規(guī)律大體可以分為兩類:工作日和休息日。一般來說，使用者在工作日和休息日的作息習(xí)慣是不同的，所以分成兩類可以更好的進(jìn)行用戶使用習(xí)慣的辨識。

(2)要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即分離一些偶然性太大、基本沒有規(guī)律性的純隨機(jī)數(shù)據(jù)。這些事件的發(fā)生往往會影響用戶當(dāng)天的使用習(xí)慣。同時還要實(shí)現(xiàn)無人的節(jié)點(diǎn)控制。通過檢測可以了解到用戶有時已經(jīng)離開了，但許多電器都還處于使用狀態(tài)，這樣就需要通過一段時間的等待，確定用戶不是偶然的外出，就可以通過自動的節(jié)點(diǎn)控制程序關(guān)閉大部分可以關(guān)閉的電器，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

(3)還要尊重用戶的當(dāng)前修改，當(dāng)用戶的習(xí)慣改變或臨時的偶然操作時，要以手動的操作為主，并重新進(jìn)行改變數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一次的預(yù)測。

(4)就是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)控制器的各個功能。由于工作或生活場所控制節(jié)點(diǎn)的功能比較復(fù)雜，由采樣、頂測控制、繼電器開關(guān)控制、電力線傳輸控制等級分組成，所以需要協(xié)調(diào)好這幾部分的功能。本論文采用中斷控制的方式，即控制器平時處于等待狀態(tài)，當(dāng)需要它進(jìn)行預(yù)測控制時，調(diào)用預(yù)測控制的子程序，當(dāng)需要進(jìn)行電力線通信時，調(diào)用通信子程序。

2.節(jié)點(diǎn)控制器的軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)如前面所述的控制策略，需要設(shè)計(jì)以下幾部分程序:

(1)主程序的設(shè)計(jì)

(2)采樣子程序的設(shè)計(jì)

(3)時間序列預(yù)測子程序設(shè)計(jì)

(4)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行子程序設(shè)計(jì)

(5)間接執(zhí)行子程序設(shè)計(jì)

①主程序設(shè)計(jì)

主程序是整個軟件執(zhí)行系統(tǒng)的主干，除了為各個功能模塊的有效執(zhí)行創(chuàng)造外部環(huán)境外，還要進(jìn)行一些相應(yīng)的設(shè)置和一些硬件的初始化工作。

本論文的主程序的流程圖如圖3所示。

②采樣子程序設(shè)計(jì)

采集電器的開關(guān)時刻的方式為中斷的方式，當(dāng)檢測到開關(guān)的變化后，讀取此時的時間值，并進(jìn)行初步的處理判斷，如不是偶然動作，則可以存入歷史數(shù)據(jù)中，作為預(yù)測的根據(jù)。其工作流程如圖4所示。

③預(yù)測子程序設(shè)計(jì)

預(yù)測子程序采用時間序列的預(yù)測方法，由于每一次預(yù)測計(jì)算都是希望利用盡可能多的歷史數(shù)據(jù)而且希望每一次的數(shù)據(jù)都是新的信息，所以在每一次進(jìn)行預(yù)測計(jì)算前，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)的替換，即用新的數(shù)據(jù)代替舊的數(shù)據(jù)。并且需要用預(yù)測的時間保存，作為繼電器動作的時間。其具體的外圍計(jì)算流程如圖5所示。

④節(jié)點(diǎn)執(zhí)行子程序設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)執(zhí)行子程序是指沒有通過通信等的間接控制，而是作為控制系統(tǒng)中的一個孤立的節(jié)點(diǎn)自行進(jìn)行的控制。這種情況下有兩種情況:(1)用戶的手動操作；(2)節(jié)點(diǎn)的自動操作。因此具體的程序流程也應(yīng)該是這兩種方式，但由于應(yīng)該以手動控制為主，因此這里的操作存在一個優(yōu)先級的問題，即以手動的操作為主，自動的操作作為手動操作的備用策略。其具體的程序流程如圖6所示。

⑤間接執(zhí)行子程序設(shè)計(jì)

作為間接執(zhí)行子程序一般分兩種:一種是通過電力線的通信，由工作或生活場所內(nèi)的一個節(jié)點(diǎn)向另一個節(jié)點(diǎn)發(fā)出的執(zhí)行命令；另一種是通過電一話遠(yuǎn)程的監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)的較復(fù)雜的執(zhí)行命令，即先通過遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊將控制命令傳入工作或生活場所的控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，再將控制命令下達(dá)到具體的一個節(jié)點(diǎn)控制器來執(zhí)行，例如用戶在回家前打算提前打開空調(diào)，這樣當(dāng)用戶回到家里時，家里的溫度己經(jīng)是比較舒適的了。由于本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控不是本論文的重點(diǎn)，在此僅介紹一個節(jié)點(diǎn)通過電力線對另一個節(jié)點(diǎn)的控制，其程序流程圖如圖8所示。

四、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.控制芯片AT89C51

本論文的控制芯片采用ATMEL的AT89C51型號的微處理器，如圖4-1是AT89C51的管腳圖。AT89C51是一個低功耗、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個4KB的FLASH可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器(NURAM)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容。片內(nèi)的FLASH存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此AT89C51是一種功能強(qiáng)、靈活性高，且價(jià)格合理的單片機(jī)，這也是本設(shè)計(jì)采用這種型號的單片機(jī)的主要原因。

2.雙音頻編碼芯片MT8880介紹

本論文采用的編碼芯片為雙音頻編碼器MT8880，它的管腳分布如圖4-2-1所示。MT8880是一個包含呼叫過程濾波器的單片雙音多頻(DTMF)收發(fā)器，它采用了MITEL公司的ISO2-CMOS技術(shù)，具有功耗低，可靠性高的特點(diǎn)。雙音多頻(DTMF}接收部分以MT8870單片雙音多頻((DTMF)接收器為基礎(chǔ)加以發(fā)展； 發(fā)射部分使用了開關(guān)電容數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，保證了所傳遞的雙音多頻(DTMF)信號具有低失真、高精確度的特點(diǎn)。內(nèi)部計(jì)數(shù)器提供音頻波群傳送方式，從而使音頻串能夠在高精度時序內(nèi)傳送。

MT8880與單片機(jī)的連接如圖4-2-2所示。89C51單片機(jī)的I/O接口Pl.0-P1.3直接連接到MT8880的DO-D3接口。同時由于需要選擇MT8880的工作模式，和設(shè)置其內(nèi)部寄存器的狀態(tài)，因此需要對RS0， R/W接口進(jìn)行設(shè)置。另外，由于采用中斷的方式進(jìn)行通信，所以需要將中斷信號的輸出口IRQ連接到單片機(jī)的接口。

綜上所述，本文通過硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件的流程設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了工作或生活場所控制器的降低成本、簡化操作、節(jié)能控制等功能。

參考文獻(xiàn):

[1]任蘋李界家原寶龍邱昭泉:淡智能住宅家庭智能化系統(tǒng).樓宇設(shè)備，2003， 2

[2]黃向陽：智能化住宅的室內(nèi)電氣設(shè)計(jì).大眾科技，2005， 3

[3]杜正強(qiáng)馮紹兵朱學(xué)莉:家庭設(shè)施控制裝置的硬件設(shè)計(jì).工程設(shè)計(jì)CAD與智能建筑，2002， 8