基于單片機(jī)的高校供電管理系統(tǒng)研究

王雪

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150081）

基于單片機(jī)的高校供電管理系統(tǒng)研究

王雪

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150081）

針對高校學(xué)生公寓數(shù)量逐年增加，用電需求急劇增長，學(xué)生公寓的用電設(shè)備種類愈加多樣，因此高校學(xué)生公寓的用電安全受到了廣泛重視。本文采用以MSP單片機(jī)為核心，以ESP電能計(jì)量模塊為終端，設(shè)計(jì)并完成了高校供電管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載類型并智能供斷電，保證用電安全，提高供電效率。

電能管理；負(fù)載識(shí)別；智能供電

隨著高等教育的普遍化和高校擴(kuò)招，近年來高校人數(shù)不斷增加，學(xué)生公寓數(shù)量大幅擴(kuò)張，導(dǎo)致高校用電需求急劇增強(qiáng)。高校供電的特點(diǎn)是用電需求集中，人口密度大，用電不規(guī)范，存在較大的安全隱患。從全國的范圍來看，2010年之前建造的學(xué)生公寓，很多具有類似的建筑構(gòu)造和電氣設(shè)計(jì)，通常采用簡單的定時(shí)供斷電和功率控制系統(tǒng)，經(jīng)常會(huì)有偷電、漏電、違規(guī)用電的現(xiàn)象發(fā)生，在加重了學(xué)校經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的同時(shí)，也浪費(fèi)了寶貴的電能資源。

針對以上存在的問題，本文提出了一種高校供電管理系統(tǒng)，可以提供智能供電管理解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載類型判斷，并實(shí)現(xiàn)智能供斷電功能，保證用電安全的同時(shí)，提高電能利用效率。

1　電能計(jì)量原理

一般情況下，電能參數(shù)主要包括電流、電壓有效值，有功功率、額定功率和功率因數(shù)［1］。以上參數(shù)的測量都是基于電壓和電流信號(hào)的有效值。電壓、電流的有效值為：

然而由單片機(jī)測量電能參數(shù)時(shí)，需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字量，即在不同時(shí)刻對電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，得到的采樣信號(hào)同時(shí)含有基波分量和多次諧波分量［2］。假設(shè)采樣頻率為N，則數(shù)字電壓、電流有效值可表示為：

在計(jì)算有功功率時(shí)，常用做法是將電壓幅值與電流幅值相乘，再對一個(gè)采樣周期內(nèi)的全部采樣點(diǎn)之積求和［3］。同樣假設(shè)采樣頻率為N，若在一個(gè)周期內(nèi)采樣的離散點(diǎn)次數(shù)越多，離散數(shù)據(jù)波形就越接近實(shí)際波形，則測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度就越高［4］。有功功率可表示為：

其對應(yīng)的額定功率為：

測量終端獲取電壓、電流有效值數(shù)據(jù)后，由ESP內(nèi)部的乘法器將電壓值和電流值進(jìn)行乘法運(yùn)算，即可得到功率脈沖值，再對各個(gè)功率脈沖值求和以求取電能參數(shù)。經(jīng)由RS485網(wǎng)絡(luò)和中繼MCU傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)分析處理后發(fā)出相應(yīng)控制命令。

2　供電系統(tǒng)的基本組成

該供電管理系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)和三層設(shè)備構(gòu)成。管理系統(tǒng)框架圖如圖1所示。該系統(tǒng)的兩層網(wǎng)絡(luò)分別是：上層網(wǎng)絡(luò)和底層網(wǎng)絡(luò)均由RS485總線構(gòu)成［5］。底層網(wǎng)絡(luò)承上啟下，向中繼MCU傳遞用電情況、系統(tǒng)參數(shù)、負(fù)載情況等基本信息，向下傳遞由中繼MCU發(fā)出的控制信號(hào)。上層網(wǎng)絡(luò)的作用與底層網(wǎng)絡(luò)類似，傳遞信息和發(fā)送控制信號(hào)。三層設(shè)備中，底層設(shè)備是智能電能測量終端，實(shí)現(xiàn)測量電量與控制供斷；中層設(shè)備是中繼MCU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合與傳輸；上層設(shè)備是計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的監(jiān)測與控制。

圖1　供電管理系統(tǒng)框架圖Fig.1 Diagram of power supply management system

在整個(gè)管理系統(tǒng)中，最重要的環(huán)節(jié)是測量終端。本文設(shè)計(jì)的測量終端是以MSP430FE427單片機(jī)為主控芯片開發(fā)的一套測量系統(tǒng)。測量終端包括：ESP電能計(jì)量單元、電壓電流采樣模塊，顯示模塊和供電模塊。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　測量終端系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of measuring terminal system

其工作流程為：ESP電能計(jì)量模塊在MCU的控制下完成對各電能參數(shù)的測量，通過顯示模塊顯示信息，并由斷路器模塊進(jìn)行供斷電操作，整個(gè)過程由供電模塊提供電能。

本系統(tǒng)的測量終端實(shí)現(xiàn)了電能計(jì)量和控制功能，在保證工作穩(wěn)定性的前提下，降低設(shè)計(jì)成本［6］。

3　軟件部分

ESP電能計(jì)量模塊包括4種工作模式，分別為：初始化模式、空閑模式、測量模式和校準(zhǔn)模式。如圖3所示。初始化模式對ESP模塊及寄存器進(jìn)行初始化；空閑模式是指當(dāng)ESP的工作狀態(tài)要發(fā)生變化時(shí)，必須要先切換至空閑模式，才能進(jìn)行轉(zhuǎn)換；測量模式對電壓電流信號(hào)進(jìn)行處理；校準(zhǔn)模式可以減輕因外部環(huán)境變化引起的測量誤差。

圖3　ESP電能計(jì)量模塊工作模式Fig.3 ESP electric energy metering module work mode

中繼MCU在系統(tǒng)中的地位至關(guān)重要，起著承上啟下的作用。在與計(jì)算機(jī)通信獲取指令的同時(shí)，還要向測量終端傳輸指令，并搜集傳輸電能測量數(shù)據(jù)。其軟件工作流程如圖4所示。

圖4　中繼MCU工作流程圖Fig.4 MCU relay work flow chart

在系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先對系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化操作，包括電能計(jì)量模塊、顯示模塊和通信模塊，然后讀取存儲(chǔ)器中的電能參數(shù)，并上傳至上位機(jī)中，同時(shí)由顯示模塊顯示當(dāng)前電能參數(shù)信息。單片機(jī)進(jìn)入測量模式，完成一個(gè)采樣周期后，ESP電能計(jì)量單元觸發(fā)中斷，將數(shù)據(jù)傳輸至MCU進(jìn)行用電情況監(jiān)控。主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖Fig.5 The main program flow chart

4　系統(tǒng)測試及總結(jié)

本文針對在不同負(fù)載的情況下，獲取了電壓和電流的采樣波形，如圖6和圖7所示。電流采樣器件為檢流電阻，電壓采樣器件為電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。

圖6　電壓、電流采樣波形1Fig.6 Voltage，current sampling waveform 1

圖7　電壓、電流采樣波形2Fig.7 Voltage，current sampling waveform 2

測試結(jié)果如表1所示，通過分析表中數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的測量精度可以滿足對各種負(fù)載情況下的準(zhǔn)確測量，并依據(jù)測量結(jié)果準(zhǔn)確識(shí)別不同功率負(fù)載，實(shí)現(xiàn)智能供、斷電。

表1　實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental measurement data

［1]張康.多功能無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)研制［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［2]肖娜.低壓戶外箱式變電站電氣參數(shù)檢測與無線傳輸技術(shù)［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2011.

［3]陳嘯晴，粟梅.幾種無功功率測量算法的仿真比較［J］.廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，（12）：25-28.

［4]解德英.電能計(jì)量中電參量測量誤差研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2010.

［5］沈曉琴.智能住宅小區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及工作站軟件開發(fā)［D］.南京：東南大學(xué)，2005.

［6］薛振華.基于GPRS的電能量采集及負(fù)荷管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.北京：華北電力大學(xué)，2012.

Research on University Power Supply Management System Based on MCU

WANGXue
（Harbin Vocational and Technical College，Harbin 150081，China）

In viewofthe universitystudents'apartment number increasingyear byyear，electricitydemand has been rapidlygrowing，and student apartment electricity equipment types are becoming ever more diverse，so the power of the university students'apartment security has received widespread attention.This article used the MSP single-chip microcomputer as the core，in ESP power metering module for terminal and designed and completed the power supply management system of colleges and universities，which can realize automatic identification for power load type and intelligence，toensure the safety ofelectricity and improve the efficiency ofpower supply.

Power management；Load identification；Intelligent power supply

TM73；TP368.1

A

1674-8646（2015）07-0041-03