大功率电器智能识别与安全用电控制器的设计

天津大学网络教育学院专科毕业论文题目：大功率电器智能识别与安全用电控制器的设计完成期限：2016年1月8日至2016年4月20日学习中心：嘉兴专业名称：电气自动化技术学生姓名：计建国学生学号：132092433052指导教师：李娜娜天津大学网络教育学院专科毕业论文1大功率电器智能识别与安全用电控制器的设计第1章绪论随着高等教育的普及，高校的扩招，在校学生人数增长的激增，尤其是伴随着学生生活条件的不断改善，越来越多的电器，如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进学生公寓，这就要求对学生开放用电，而且高校后勤的社会化也势在必行；目前各高校都在进行后勤社会化改革，急需采用高科技手段加强用电管理。现在国内已有多家公司开发、生产学生公寓用电智能管理控制系统，随着该项技术的不断成熟及公寓管理水平的不断提高，该产品将有广阔的市场空间。1.1用电管理的意义用电智能管理系统是电量的自动计量及管理发展的趋势，它将促进电力系统的潜能得到最大限度的发挥。基于现代网络通讯技术、微电子技术及模式识别技术，一种全新概念的智能计量及管理信息网络急待完善和提高。该计量管理信息网络应用计算机技术、通讯技术等，以智能芯片(如CPU)为核心，将全电子式智能计量与通信控制单元有机结合起来，由此构成的集群式供电智能管理系统可基本覆盖用电管理部门对用户电能计量装置要求的所有功能，并可实现智能化的自动故障诊断。我国高校中普遍存在用电管理落后、电力资源严重浪费的问题，安全隐患日益突出。长期以来，我国高校对校办公区和学生公寓普遍实施免费电量供应，有的还对学生公寓进行了限流定时的供电管理方法，但在用电安全和用电节约上存在着诸多矛盾和隐患，并且不利于校后勤部门有效管理。因此，现有大部分地区的高校已经采用或即将采用开放用电、超额收费的办法。这样即解决了供电与用电之间的矛盾，同时也减轻了学校支付高额电费的负担。但是实施用电收费管理，一方面必将带来大量的人工抄表统计收费工作，而传统抄表方式时效性差、统计工作量大、交费手续极为繁琐、容易产生错抄、漏抄和估抄等现象。此外，由于用电的放开又使得电炉子和热得快等大功率用电器大量进入学生公寓。由于学生公寓是人口密集、用电负载类型多样的场所。当使用以上大功率的电器设备时，很容易引起火灾等事故，直接威胁同学们的人身安全和学院的财产，并且给学校天津大学网络教育学院专科毕业论文2带来负面的社会影响。供电与用电之问的矛后日益突出，传统的电量计量管理系统远远不能满足高校后勤管理数字化的要求，建立智能配电管理系统，成为大势所趋[1]。管理系统可以实现对整个公寓的集中监控，可实现学生公寓各房间用电量自动检测计量、超预置电量自动断电、非法用电自动识别、短路、过流保护、欠费自动提示等功能，可使公寓用电管理自动化、智能化，提高公寓管理水平，实现安全、节能、增效。1.2用电管理的发展及前景随着电子技术、计算机网络技术和通讯技术的发展，人们己研制出全电子式智能计量系统，在计量方式上采用了远程计算机管理信息网络，基本实现了计量的自动化和网络化，但是以往的研究都没有涉及负载类型的识别问题。因此，对负载类型识别的研究，有助于填补这一空白。目前，国内外研究负载模式识别的人较少。但也取得了一定的成果，主要是以下几个方面：①利用微处理器通过软件进行快速逆变换器负载性质判别与负载参数估算的方法，从而实现对无差拍控制逆变换器的输出进行精确控制。②对智能交通系统中的图像处理、模式识别和智能控制技术等关键技术进行了深入的研究并将这些技术融合到车牌识别、车道检测和跟踪、车型识别系统的具体研究中。③用小波尺度谱和相位谱对一些典型的旋转机械故障振动信号进行了分析研究。其他的还有如利用负载测量系统进行用户负载识别的方法，介绍如何运用采样理论进行采样，还考虑了周围环境对测试结果的影响。这些研究虽然简单的对负载参数进行了估算，但是，这些工作没有实现自动化，因此工作量大、效率低，不适合实时控制的需要。为更好地满足计算及判别的自动化，应用了波形识别的概念，但在实用性、实时性等方面有各自的缺点:①虽然讨沦了对波形的瞬时值进行采样并与相应的特征值进行对比，以判断设备的工作情况，但对整个波形的特征并未加以利用。②利用窗函数对检测波形处理后经短时傅立叶变换或小波变换获得特征值由此建立二维时频域空间，利用子空间投影方法进行波形分析。但此方法中需要最优选择_维窗函数的参数，不便于波形的自动、快速分析。③利用波形的瞬时值和频谱分析与电路的工作状态建立联系，然后用神经网络记忆这种映射关系，并通过应用进行了对比认为频谱分析比波形瞬时值更适合在电力电天津大学网络教育学院专科毕业论文3子电路检测中应用。但它所能检测的故障类别比较少，阻碍了此方法在负载类型识别中的应用。④利用DSP按照傅立叶变换、小波分析等算法分析了测试信号的特征，并经过比对确定系统工作状态，但没有建立系统自动比对方法。⑤根据波形自动分析的需要，将典型波形进行傅立叶变换，所得数据形成波形模式，继而形成典型波形空间。然后利用空间模式识别方法，把测试波形模式与典型波形空间中的模式进行比较，按离差度给出测试波形与典型波形的匹配程度，从而确定测试波形类型，但当测试波形发生畸变时，权值矢量比较难选择，并且由于典型波形模式的限制，此方法的泛化能力较差[2]。对于系统涉及到的通信方式，它的选择直接关系到系统的造价、工程量和维修量，甚至关系到系统的成败。自动计量系统的通讯方式包括双绞线通讯、光缆通讯、电话线通讯、电力线载波通讯、无线通讯、卫星通讯和有线电视通讯、蜂窝通讯、红外通讯等多种方式。中国仪器仪表学会电磁测量信息处理仪器分会对自动计量系统的几种通讯介质进行了详细的介绍。通过对用电管理系统的深入研究，我们发现可以在用电管理系统的基础上实现整个公寓，甚至整个小区的智能化管理。目前已经有了许多类似的管理系统已经应用到楼宇自动化中，而且现行的许多智能住宅小区也实现了远程抄表、煤气、用水管理及自动保安报警等服务，可见智能管理日后必将成为以后楼宇建设的普遍标准。智能小区是在智能化大楼的基本含义中扩展和延伸出来的，它通过对小区建筑群四个基本要素(结构、系统、服务、管理以及它们之间的内在关联)的优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的居住环境。由于“智能化”是一个相对的概念，“智能化”技术本身也正在不断地发展、完善、直至成熟，因此智能小区智能化是一个过程，它应当随着智能化技术的发展和人们需求的不断增长而增长。总的来说，智能小区是利用现代4C(即计算机、通讯与网络、自控、IC卡)技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适家居环境。系统不仅要实现对小区的住户管理、信息查询，而且实现小区的自动抄表系统。小区用户水、电、煤气三表输出的脉冲信息由智能控制器读出，再通过Lon网络传输到小区的管理中心，管理中心读出三表读数，并打印出来。先进的可以与银行连接，定期通过银行系统扣费，从而实现远程抄表与自动扣费结合。此外，在原系统的基础之上，通过扩展，可以实现用电营业管理系统。代替天津大学网络教育学院专科毕业论文4传统人工方式的用电管理，这种管理方式存在着许多缺点,如：效率低、保密性差,另外时间一长,将产生大量的文件和数据,这对于查找、更新和维护都带来了不少的困难。随着科学技术的不断提高,计算机科学日渐成熟,其强大的功能已为人们深刻认识，因此有必要进行计算机管理。他不但具有传统用电管理的优点，还有以下几个优点：(1)提供多种客户服务和服务项目，以提高优质服务水平。(2)实现数据的一致性。(3)实现管理流程的必要约束。(4)实现主要业务的质量控制(5)提高管理的效率。1.3课题的来源及主要研究内容1.3.1课题来源本课题应学校学生公寓的建设需要，对学生宿舍的用电管理一直以来就存在许多问题进行解决。目前很多学生喜欢用电热杯、热得快甚至电炉之类的一些大功率电器，容易引发安全事故。而且市场上有不少产品的质量、安全性很难得到保证。对于这些电器的使用应加以限制，保护学生的生命财产安全。同时，一些学生节约用电的意识淡薄，这样往往容易造成一些电能的不必要浪费。高效的电能管理能减少电能的浪费。1.3.2主要研究内容本研究课题将在以下几个方面展开工作:(1)集群式供电智能管理系统的下位机软件编程。下位机的软件程序包括与上位机串口通信、单片机数据采集和数据保存等工作。(2)对用电过程中的负载类型进行识别。一般情况下，电压波形为正弦波，即标准电压;当一些学生公寓由于年代久远，供电设备和线路老化，线路容量不足时，会使电压波形产生畸变，成为非正弦波，即削顶电压。本课题要实现在以上两种电压波形下负载类型的识别。其目的就是限制大功率性负载(如电炉子、热水器等)。但允许使用计算机负载，可以根据要求设定限制允许使用的计算机功率的值(一般设定为500W),当检测到用户使用非法电器时，将立即断电，一段时间后，恢复供电，如继续使用，将再次断电，并记录。天津大学网络教育学院专科毕业论文5第2章系统的组成及功能介绍2.1系统的主要组成如图2.1所示，整个设计系统由上位计算机、中继器模块、数据检测模块、控制模块以及继电器执行模块等几部分组成。其中数据检测模块主要完成对原始数据的采集，经过整流滤波，信号调理后，通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后送到控制模块中的单片机进行分析处理，判断是否学生宿舍使用了大功率电器；并将分析结果送到继电器执行模块。而继电器执行模块则主要是执行单片机送过来的控制命令：通断电。中继器模块则是数据检测及控制模块和上位计算机之间进行数据传递的桥梁；上位计算机则主要是人性化的显示各用电参数，并通过它进行数据的调用和控制。图2.1系统总体的框图天津大学网络教育学院专科毕业论文62.2系统及各主要模块的介绍首先本系统设计的功率智能控制器是接在房间回路的主干线上。通过电流互感器采集主电路中的电流信号，经过整流、滤波以及信号调理，送到A/D转换芯片TLC2543转换成数字信号，然后送到单片机中，根据编制好的程序进行分析，处理。其中程序一般要具有以下特点：首先根据功率单个最小禁用电器接入时的功率，来设定单个电器的上限值（一般单个功率都不大于300W）。由于常规小功率电器接入时，电流的瞬间变化量将不会超过设定值，所以电路能正常供电。但是当有单个功率在设定值以上的电器接入时，瞬时电流的变化量将超过允许使用单个电器的上限值，单片机主控器将记忆该值。为了防止由于冲击电流或电网干扰等原因产生的误动作，在规定的时间内将连续采样N次，通过进一步的比较和分判断，确保一旦有大功率电器接入，立即进行跳闸停电操作。通过设置总功率上限值，一方面可限制总用电功率，另一方面可实现用电安全保护。该控制器还可以配合其他控制器来设置触电、过载、短路等保护功能，更加有效的防范了一些用电安全事故的发生，确保学生的用电安全。2.2.1数据检测模块数据检测模块包括电流互感器、电压形成放大电路、整流滤波电路和信号调理电路。该控制器采用的是由简单的电流负感器采样，经桥式整流、滤波后再经过一个简单的限幅保护电路直接将线性的电压信号送至A/D转换器。其限幅保护电路主要是用来保护A/D芯片，2.2.2控制模块控制模块主要由A/D转换器，单片机，时钟电路和复位电路组成。A/D转换器主要是进行模数的转换。单片机主要实现对A/D转换器输入的信号进行分析、处理，其中系统的算法就是在这里完成的。它是整个控制系统的核心。时钟电路和复位电路，顾名思义，分别是提供时钟周期和进行复位的。2.2.3继电器执行模块继电器执行模块是光电耦合器，三极管以及继电器等组成的。当控制信号从天津大学网络教育学院专科毕业论文7单片机出来后，先经过光电耦合器进行强弱电的隔离，而后又经三级管放大来驱动继电器动作。通过继电器的断和闸来实现房间的通断电。2.2.4中继模块中继模块主要是为了实现众多单片机和上位机之间的通信。考虑到传输距离和可靠性等因素，故