電器節能控制算法的研究

[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律的，為了減少系統時間參數設置的復雜性，可以通過預測的電器的工作方式來代替用戶的自行時間參數設置，達到節能的控制的目的，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。本文介紹了用于節能控制的時間序列預測算法的基本思想，設計了一種基于時間序列的預測算法。同時給出了時間序列預測的流程圖和仿真分析。

[關鍵詞] 預測算法 時間參數設置 節能 便捷

根據國家發改委公布的消息，2007年我國單位GDP能耗下降情況繼續趨好，同比下降3%左右。 2008年，我國節能形勢仍然嚴峻，國家將采取強化節能目標責任制、繼續著力淘汰落后生產能力、抓好重點企業節能和重點工程建設等措施繼續推進節能工作。電器節能是節能工作的重要組成部分。

一、問題的提出

節能控制領域的研究在我國目前處于起步階段。目前我國電器節能的研發趨勢之一就是降低產品的制造和使用成本，設計節能的工作或生活場所控制系統是現代節能領域的重要研究方向。據統計，工作或生活場所的用電器在無人、待機的狀態下長期浪費的電能占的能耗平均多達總能耗的30%以上。為了有效的解決這個問題，就需要設計一套集中控制管理工作或生活場所能量與電器配備相應的節能控制算法的分布式控制系統。

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律性的和一部分不相關的組成。

2.基于時間序列理論的電器使用時間預測

傳統的時間序列分析主要是應用在電力系統的負荷預測，其原理就是利用過去的和現在的電力網的負荷來預測將來的電力網的負荷，通過預測進行電網的輸電調度，保證滿足電網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荷預測，決定電網的建設和水電、火電的規劃。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律，可以通過對過去的使用情況進行處理從而預測將來的用戶的使用規律進行相應的無人的自動控制，這樣既可以提高用戶對自己常用電器的使用質量，使生活工作更加舒適又可以起到節約能源的作用。

時間序列預測的特點是一個連續時間序列往往存在規律性和偶然性，偶然性存在的情況下，仍然能夠比較好的預測到將來的觀測值。電網的負荷化就是這樣的，它是由用電部門的穩定地用電規律和偶性的隨機用電尖峰。而用電器的使用規律也是這樣的，一方面用戶在某個電的使用上是有規律的，另一方面用戶也會因為偶然的突發事件改變自己以往使用規律，即隨機事件的發生。

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

3.二階自回歸模型預測過程介紹

4.二階自回歸模型預測的軟件流程圖設計

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

5.時間序列預測的仿真分析

為了證實時間序列預測算法的可用性，本研究還進行了仿真分析。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，因此只需要進行簡單的參數設定便可以進行仿真分析。具體的階次和數據長度如下圖。

三、節能控制器的設計

1.節點控制器的控制策略

(1)是實驗數據的分離，即將采集到的時間點數據分類存儲處理。由于大多數的電器使用者的使用規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慣是不同的，所以分成兩類可以更好的進行用戶使用習慣的辨識。

(2)要對數據進行預處理，即分離一些偶然性太大、基本沒有規律性的純隨機數據。這些事件的發生往往會影響用戶當天的使用習慣。同時還要實現無人的節點控制。通過檢測可以了解到用戶有時已經離開了，但許多電器都還處于使用狀態，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點控制程序關閉大部分可以關閉的電器，從而達到節約能源的目的。

(3)還要尊重用戶的當前修改，當用戶的習慣改變或臨時的偶然操作時，要以手動的操作為主，并重新進行改變數據，進行下一次的預測。

(4)就是協調節點控制器的各個功能。由于工作或生活場所控制節點的功能比較復雜，由采樣、頂測控制、繼電器開關控制、電力線傳輸控制等級分組成，所以需要協調好這幾部分的功能。本論文采用中斷控制的方式，即控制器平時處于等待狀態，當需要它進行預測控制時，調用預測控制的子程序，當需要進行電力線通信時，調用通信子程序。

2.節點控制器的軟件設計

為實現如前面所述的控制策略，需要設計以下幾部分程序:

(1)主程序的設計

(2)采樣子程序的設計

(3)時間序列預測子程序設計

(4)節點執行子程序設計

(5)間接執行子程序設計

①主程序設計

主程序是整個軟件執行系統的主干，除了為各個功能模塊的有效執行創造外部環境外，還要進行一些相應的設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采樣子程序設計

采集電器的開關時刻的方式為中斷的方式，當檢測到開關的變化后，讀取此時的時間值，并進行初步的處理判斷，如不是偶然動作，則可以存入歷史數據中，作為預測的根據。其工作流程如圖4所示。

③預測子程序設計

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

④節點執行子程序設計

節點執行子程序是指沒有通過通信等的間接控制，而是作為控制系統中的一個孤立的節點自行進行的控制。這種情況下有兩種情況:(1)用戶的手動操作；(2)節點的自動操作。因此具體的程序流程也應該是這兩種方式，但由于應該以手動控制為主，因此這里的操作存在一個優先級的問題，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間接執行子程序設計

作為間接執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的一個節點向另一個節點發出的執行命令；另一種是通過電一話遠程的監控模塊實現的較復雜的執行命令，即先通過遠程監控模塊將控制命令傳入工作或生活場所的控制網絡內，再將控制命令下達到具體的一個節點控制器來執行，例如用戶在回家前打算提前打開空調，這樣當用戶回到家里時，家里的溫度己經是比較舒適的了。由于本系統的遠程監控不是本論文的重點，在此僅介紹一個節點通過電力線對另一個節點的控制，其程序流程圖如圖8所示。

四、系統硬件結構設計

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。片內帶有一個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，而且其輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容。片內的FLASH存儲器允許在系統內改編程序或用常規的非易失性存儲器編程器來編程。因此AT89C51是一種功能強、靈活性高，且價格合理的單片機，這也是本設計采用這種型號的單片機的主要原因。

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)收發器，它采用了MITEL公司的ISO2-CMOS技術，具有功耗低，可靠性高的特點。雙音多頻(DTMF}接收部分以MT8870單片雙音多頻((DTMF)接收器為基礎加以發展； 發射部分使用了開關電容數/模轉換器，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。內部計數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傳送。

MT8880與單片機的連接如圖4-2-2所示。89C51單片機的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，和設置其內部寄存器的狀態，因此需要對RS0， R/W接口進行設置。另外，由于采用中斷的方式進行通信，所以需要將中斷信號的輸出口IRQ連接到單片機的接口。

綜上所述，本文通過硬件結構設計和軟件的流程設計，基本實現了工作或生活場所控制器的降低成本、簡化操作、節能控制等功能。

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