基于單片機的高校供電管理系統研究

王雪

（哈爾濱職業技術學院，哈爾濱 150081）

基于單片機的高校供電管理系統研究

王雪

（哈爾濱職業技術學院，哈爾濱 150081）

針對高校學生公寓數量逐年增加，用電需求急劇增長，學生公寓的用電設備種類愈加多樣，因此高校學生公寓的用電安全受到了廣泛重視。本文采用以MSP單片機為核心，以ESP電能計量模塊為終端，設計并完成了高校供電管理系統，可以實現自動識別負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；負載識別；智能供電

隨著高等教育的普遍化和高校擴招，近年來高校人數不斷增加，學生公寓數量大幅擴張，導致高校用電需求急劇增強。高校供電的特點是用電需求集中，人口密度大，用電不規范，存在較大的安全隱患。從全國的范圍來看，2010年之前建造的學生公寓，很多具有類似的建筑構造和電氣設計，通常采用簡單的定時供斷電和功率控制系統，經常會有偷電、漏電、違規用電的現象發生，在加重了學校經濟負擔的同時，也浪費了寶貴的電能資源。

針對以上存在的問題，本文提出了一種高校供電管理系統，可以提供智能供電管理解決方案，能夠實現負載類型判斷，并實現智能供斷電功能，保證用電安全的同時，提高電能利用效率。

1　電能計量原理

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

然而由單片機測量電能參數時，需要經過AD轉換將模擬量轉換為離散數字量，即在不同時刻對電壓、電流信號進行采樣，得到的采樣信號同時含有基波分量和多次諧波分量［2］。假設采樣頻率為N，則數字電壓、電流有效值可表示為：

在計算有功功率時，常用做法是將電壓幅值與電流幅值相乘，再對一個采樣周期內的全部采樣點之積求和［3］。同樣假設采樣頻率為N，若在一個周期內采樣的離散點次數越多，離散數據波形就越接近實際波形，則測量結果的準確程度就越高［4］。有功功率可表示為：

其對應的額定功率為：

測量終端獲取電壓、電流有效值數據后，由ESP內部的乘法器將電壓值和電流值進行乘法運算，即可得到功率脈沖值，再對各個功率脈沖值求和以求取電能參數。經由RS485網絡和中繼MCU傳輸至計算機，由計算機分析處理后發出相應控制命令。

2　供電系統的基本組成

該供電管理系統由兩層網絡和三層設備構成。管理系統框架圖如圖1所示。該系統的兩層網絡分別是：上層網絡和底層網絡均由RS485總線構成［5］。底層網絡承上啟下，向中繼MCU傳遞用電情況、系統參數、負載情況等基本信息，向下傳遞由中繼MCU發出的控制信號。上層網絡的作用與底層網絡類似，傳遞信息和發送控制信號。三層設備中，底層設備是智能電能測量終端，實現測量電量與控制供斷；中層設備是中繼MCU，實現數據整合與傳輸；上層設備是計算機，實現整個平臺的監測與控制。

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

在整個管理系統中，最重要的環節是測量終端。本文設計的測量終端是以MSP430FE427單片機為主控芯片開發的一套測量系統。測量終端包括：ESP電能計量單元、電壓電流采樣模塊，顯示模塊和供電模塊。其系統框圖如圖2所示。

圖2　測量終端系統框圖Fig.2 Diagram of measuring terminal system

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

本系統的測量終端實現了電能計量和控制功能，在保證工作穩定性的前提下，降低設計成本［6］。

3　軟件部分

ESP電能計量模塊包括4種工作模式，分別為：初始化模式、空閑模式、測量模式和校準模式。如圖3所示。初始化模式對ESP模塊及寄存器進行初始化；空閑模式是指當ESP的工作狀態要發生變化時，必須要先切換至空閑模式，才能進行轉換；測量模式對電壓電流信號進行處理；校準模式可以減輕因外部環境變化引起的測量誤差。

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

中繼MCU在系統中的地位至關重要，起著承上啟下的作用。在與計算機通信獲取指令的同時，還要向測量終端傳輸指令，并搜集傳輸電能測量數據。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

在系統開始工作時，首先對系統各個模塊進行初始化操作，包括電能計量模塊、顯示模塊和通信模塊，然后讀取存儲器中的電能參數，并上傳至上位機中，同時由顯示模塊顯示當前電能參數信息。單片機進入測量模式，完成一個采樣周期后，ESP電能計量單元觸發中斷，將數據傳輸至MCU進行用電情況監控。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　系統測試及總結

本文針對在不同負載的情況下，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絡。

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

測試結果如表1所示，通過分析表中數據可知，該系統的測量精度可以滿足對各種負載情況下的準確測量，并依據測量結果準確識別不同功率負載，實現智能供、斷電。

表1　實驗測量數據Tab.1 Experimental measurement data

［1]張康.多功能無功補償控制系統研制［D］.成都：西南交通大學，2008.

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

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

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

［5］沈曉琴.智能住宅小區網絡設計及工作站軟件開發［D］.南京：東南大學，2005.

［6］薛振華.基于GPRS的電能量采集及負荷管理系統的設計［D］.北京：華北電力大學，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