智能节电（精选7篇）
智能节电 篇1
LH—II型电动机智能节电器是在原国家攻关课题基础上, 结合国内外电力电子技术成果开发出来的新一代电动机节电产品。其显著的节电性能和优异的软启动性能已达到世界先进水平。它集多种功能于一体, 既是无触点配电设备, 又是恒流软启动设备, 同时, 还可以对电动机进行精确的全方位保护, 使电动机的使用寿命相对延长2~3倍。
技术经济指标
该产品已通过国家产品检测所检测, 检测结果为:空载有功节电率≥75%。有功综合节电率≥20%, 每k W综合成本≤50元, 售价仅相当于国外同类产品的1/6, 投入使用三个月左右收回成本。
投产条件
生产LH—II型电动机智能节电器, 不需要专用设备, 只需50m2厂房、三相交流电及普通电工工具即可, 生产规模可大可小。在厂房及电力方便时, 15天内即可正式投产 (含技术培训) , 两个月收回全部投资, 是企业及个体经营者理想的投资项目。
转让方式
技术转让, 转让费4.8万元, 首期付款3.8万元。
单位:武汉华中理工大学理华科贸有限公司
地址:武汉市珞瑜路243号华工科技产业大厦
邮编:430074
电话: (027) 87522605 87522607
智能节电 篇2
1.1 智能电网的定义
智能电网指的是电力输配系统综合传统的和前沿的电力工程技术、复杂的感应和监控技术、信息技术和通讯技术以提高电网运行效率并支持客户端广泛的附加服务的新型电网。智能电网在广义上包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统。
1.2 智能电网的特点
智能电网的主要特征归纳为。
(1) 自愈:故障发生时, 在没有或者少量人工干预下, 利用分布式电源等设备自动进行恢复, 能够快速隔离故障、自我恢复、避免大面积停电的发生。
(2) 互动:系统运行与批发、零售电力市场实现无缝连接, 支持电力交易的有效开展, 实现资源的优化配置;同时通过市场交易更好地激励电力市场主体参与电网安全管理, 从而提升电力系统的安全运行水平。
(3) 优化:实现资产规划、建设、运行维护等全寿命周期环节的优化, 合理地安排设备的运行与检修, 提高资产的利用效率, 有效地降低运行维护成本和投资成本, 减少电网损耗。
(4) 兼容:电网能够同时适应集中发电与分散式发电模式, 实现与负荷侧的交互, 支持风电等可再生能源的接入, 扩大系统运行调节的可选资源范围, 满足电网与自然环境和谐发展。
(5) 集成:通过不断的流程优化、信息整合、实现企业管理、生产管理、调度自动化与电力市场管理业务的继承, 形成全面的辅助决策支持体系, 支撑企业管理的规范化和精细化。
1.3 智能电网与目前电网的区别
从宏观上看, 与传统电网管理运行模式相比, 智能电网是一个完整的企业级信息框架和基础设施体系, 它可以实现对电力客户、资产及运营的持续监视, 提高管理水平、工作效率、电网可靠性和服务水平。传统的电力分配方式, 类似于经济学上的计划经济, 电力资源没有被合理配置, 造成能源和财富的损失, 而智能电网将基本杜绝此类的浪费, 它会把暂时不用的电卖给其他需要电力的人, 供或需都由电力资源市场决定。从微观上看, 与传统电网相比, 智能电网进一步优化各级电网控制, 构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系结构, 通过集中与分散相结合, 灵活变换网络结构、智能重组系统结构、最佳配置系统效能、优化电网服务质量, 实现与传统电网截然不同的电网构成理念和体系。
2 智能电器的概述
智能电器应当具备以下四方面的特征。
(1) 参量获取和处理数字化。智能电器所有功能的实现基于数字化的信息, 因此智能电器必须能够实时获取各种参量并加以数字化。
(2) 自我监测与诊断能力。智能电器具有自我监测与诊断能力, 它可以随时监测各种涉及设备状况和安全运行所必须的物理量并进行计算和分析。
(3) 自适应控制能力。智能电器依靠数字技术, 能够根据实际工作的环境与工况对操作过程进行自适应调节, 使得所实现的控制过程和状态是最优的。
(4) 信息交互能力。智能电器的重要特征在于它的信息能够以数字化的方式广泛而便利的进行传播与交互。
3 智能电器节电系统的设计
本次智能电器节电系统的设计主要基于居室智能节电系统。本系统处于AMI结构体系中的用户端。在用户需求的层面上组建家庭用电和宽带共享的局域网络, 通过智能电能表控制居室内的各种用电设备, 根据各个时段电价的不同, 为用户计算分析出最佳的节电策略供用户选择, 从而起到需求侧响应的作用。
本系统中的智能电能表, 是由一块液晶显示屏及其控制电路组成。它可以通过RS232串口与计算机进行实时通信。计算机向串口发送一组二进制代码, 控制液晶显示屏上的一个显示动作, 代码与显示动作一一对应, 这样就可以达到对液晶显示屏的实时控制。我们将“智能电能表”的显示界面设计成可以显示出用户的当前时段及对应的实时电价, 受控制的用电器被一一列出, 当前居室内用电器的使用状况一目了然。同时, 根据用电器的使用情况计算出当前的用电总功率, 并显示在液晶屏上, 如果总功率高于某一设定好的值, 屏幕下方会出现节电提示。液晶显示屏通过串口与计算机相连, 在“居室智能节电系统”的软件部分里, 运用串口控件向计算机串口发送指定的数据, 控制液晶屏幕上的显示。通过这个模拟的智能电能表, 可以为用户提供详细的用电信息, 使用户对居室当前的用电状态有一个全面的了解, 并且能够对用户的节电行为起到很好的激励作用。控制器主要起到作为智能电能表和室内用电设备之间联络桥梁的作用。它接受智能电能表发出的控制口令, 并将其转换成模拟或数字输出量对室内的用电设备进行控制。同时, 它也可以采集室内各用电设备的工作情况, 并将其反馈给智能电能表。这一部分主要由数字量模拟量输入输出控制器完成对各个用电电器的控制。它可以利用计算机RS232串口实时控制模拟量的输出和数字量的输出, 控制器采用特有的抗高频干扰电路, 工作稳定可靠, 其中每路模拟量输出都有过电压保护电路, 可以抗击雷击及静电冲击。工作电源为直流24V, 采用高速C8051系列单片机, 具有2路模拟量输出, 6路数字量输出。通过串口发送简单的代码就可以控制各数字量和模拟量的输出, 使用极其方便。我们在居室模型中, 选用了照明灯、落地灯、装饰灯、空调、电暖气、电视机、饮水机、组合音响这8各可控的不同功率的家用电器, 用直流电动机、发光二极管、音乐芯片等器件代表不同的用电器, 来模拟真实的家庭居室。控制器通过串口与计算机连接, 在系统中根据具体情况实时的发出指令, 指令代码通过RS232串口发送到控制器, 控制模拟量的输出电压和数字量的开通与关断, 从而达到对直流电动机、发光二极管等器件的控制, 这样可以准确的模拟出居室内的电器使用情况。
4 结语
智能电网的核心是实现对电网运行的快速响应, 提高与分布式能源的兼容能力, 从而提高整个系统的经济性、可靠性和安全性。在智能电器的支撑下, 智能电网的建设将更为便捷。
摘要：本文主要介绍了适合中国电网情况的智能电网的定义, 总结出了智能电网自愈、互动、优化、兼容、集成五大特点, 概括出了智能电网和传统电网的区别, 同时对智能电器也做了相应的介绍, 并对智能电器的节能设计进行了研究。
关键词：智能电网,智能电器,节能
参考文献
[1]谢开, 刘永奇, 朱治中.面向未来的智能电网[J].中国电力, 2008, 41 (6) :19～22.XIE Kai, LIU Yong qi, ZHU Zhi-zhong.The vision of future smart grid[J].Electric Power, 2008, 41 (6) :19～22.
基于ARM的智能节电器的设计 篇3
近年来, 随着我国国民经济高速发展和城市化水平的提高, 电能的需求不断增大, 使得电力供求日趋紧张。而伴随城市化水平的提高, 路灯铺设面积的不断扩大, 却带来了维护费用成倍增加的问题。这对于财政紧张的城市而言, 是一笔沉重的负担。
路灯照明具有时间性的特点, 如上半夜车流量大, 需要的照明质量高, 因此, 上半夜需要的电压水平高, 而后半夜车流量少, 可降低照明质量, 既可节省电能又不影响照明效果。
节电的方式主要有2种:一种采用高效率的节能灯和输电线;另一种是在原有的线路基础上增加节电装置。前者要求对现有的线路系统进行改造, 前期投资较大, 国内一般不采用。而后者是在现有的照明系统基础上加设节电装置, 该方法比较方便、经济和实用。节电装置一般采用降压节电的方法, 该方法不仅可以节约电能, 还可提高灯具的寿命, 得到了广泛的应用[1,2]。本文介绍一种基于ARM的智能节电器的设计, 供大家参考。
1 节电器原理及工作方式
1.1 节电器控制原理
基于ARM的智能节电器根据时间-电压表、采用增量PI算法对高频PWM调压电路进行全自动调节, 可实现电压高精度大范围连续无级平滑调节。其主回路控制框图如图1所示。
通过对输出电压的实时跟踪, 控制模块运算输出电压的变化, 采用增量PI控制方法, 运算电压增量控制信号, 再将该控制信号转换为全量占空比值, 作为AC/AC变换系统的PWM控制信号, 从而调整输出电压, 使其稳定在设定电压值的允许误差范围内。该节电器具有自适应的特性, 使输出电压不受市电波动的影响[3]。
1.2 节电器的工作方式
由于路灯照明一般采用三相平衡供电, 每一相电压可单独控制, 控制方式相同, 因此, 本文只介绍对单相供电线路的控制。节电器主功率回路控制电路如图2所示。
节电器启动前, 触点KM1、KM2、KM3均为打开状态, 当节电器启动后, 中间继电器JK2动触头与接触器KM2的控制回路相通, 绕组KM2通电, 触点KM2闭合, 主功率回路旁路, 输出与输入经KM2触点相连, 电压相等。
经ARM单片机内预设的延时, ARM单片机首先发出全量占空比为1的高频PWM脉冲信号, 驱动AC/AC变换系统, 接着发出使中间继电器JK1闭合的控制信号JK1, 使绕组KM1通电, 触点KM1闭合, AC/AC变换系统输入有效, 接着ARM单片机向中间继电器JK3发出闭合信号JK3, 绕组KM3通电, 触点KM3闭合, AC/AC变换系统输出有效, 主功率回路开始工作, 并与旁路并联输出。延时一小段时间后, ARM单片机向中间继电器KM2发出打开信号, 绕组KM2失电, 触点KM2打开, 旁路停止向负荷供电, 由AC/AC变换系统向负荷供电。
PI控制器通过改变PWM2的占空比, 使控制目标值按照ARM单片机内设定的时间-电压表变化。其中时间-电压表保存了8个时间值及其对应的电压值, 用户可根据需要设置时间-电压表, 如设置时间1为18∶00, 对应的电压值为210 V;时间2为20∶00, 对应的电压值为220 V。ARM单片机实时监测整个照明系统状态, 包括监测电压、电流及温度值, 如果某一因素出现异常, 则进入相应的异常处理过程。
2 节电器硬件系统设计
节电器硬件系统主要包括强电部分、控制单元、电流采样、温度采样、V-F变换器、LCD显示及键盘电路, 如图3所示。
(1) 强电部分
强电部分包括一个基于高频PWM的AC/AC变换系统、3个接触器、1个漏电开关、3个中间继电器 (见图2) 。
(2) 控制单元及外围电路
节电器控制单元采用Philips公司生产的32位ARM单片机LPC2106为控制核心, LPC2106的CPU工作频率可高达60 MHz, 片内带有128 KB在线可编程快速擦写 (10 000次) FLASH, 64 KB静态RAM, 32个可单独编程的通用I/O口, 2个32位定时器/计数器, 32个中断源, 2个可编程异步串行口, 可编程I2C、SPI接口、PWM模块等外设资源, 可满足节电器的控制要求。
图3中, 从电流互感器采集到的电流经过整流滤波, 输入到A/D变换器ADC0831。LPC2106通过串行通信协议可读取8位变换数据, 实时检测电流的变化。电压采集电路由2个高精度电阻组成分压电路, 向V-F变换器输送小于10 V的电压, 再经过光电隔离电路发送到LPC2106。LPC2106通过读取单位时间脉冲数, 计算采样电压并校准, 根据得到的采样电压与目标电压值之差, 作出相应的控制策略。
LCD显示及键盘电路采用2片串并行转换芯片MC14094驱动LCD模块及指示灯、蜂鸣器, 可节省LPC2106的I/O资源。
LPC2106对接触器及漏电开关的控制信号也是通过MC14094输出到控制驱动模块。
节电器带有数据保存部分, 通过I2C接口与AT24C32通信。AT24C32为32 KB的EEPROM, 用于保存32个用户参数表和运行故障代码, 32个用户参数表包括时间-照度曲线、电压电流校准参数、设备预热时间、电流最大值等。
为了实时检测节电器的环境温度, 避免节电器过热运行, 笔者增加了温度保护。当温度大于80 ℃时, 节电器运行过热处理程序, 逐步将PWM信号调整为全“1”, 之后旁路接触器吸合, 节电器退出节电状态。
节电器增加了光敏传感器, 可以根据环境亮度自动启动和关闭路灯照明。
3 节电器控制方法及软件设计
3.1 增量PI控制方法
在数字控制系统中, PI控制器是通过离散PI控制算法实现控制功能的。由于对PWM控制的占空比调节需要电压增量, 故需要用增量PI控制方法[4]。离散PI算法的差分方程为
undefined
式中:KP为比例放大系数;e (k) 为当前电压采样值与目标值之差;TS为采样周期;TI为电压周期;u0为采样初值。
由式 (1) 可以求出:
undefined
式 (2) 称为增量式PI算法。式 (2) 归并后, 得到:
undefined
式中:undefined;q1=-KP。
从式 (3) 可看出, 控制输出电压的增量大小只与当前电压采样值与目标值之差及前次差值有关, 相关量少, 算法简单。采用该算法, 运算速度快, 单片机运算能力要求相对低, 另外可以通过调整q0与q1值改变响应特性, 使调节特性最佳。
3.2 软件设计
节电器软件系统的工作流程包括系统初始化、系统自检、设备预热、节电状态、异常处理。笔者采用C语言在ARM编译环境CodeWarrior for ARM Developer Suite中编程, 程序采用模块化设计思想, 主要完成的功能模块包括人机界面模块、电流采集模块、电压采集模块、温度采集模块、PWM信号输出模块、控制信号输出模块、看门狗模块等。节电器软件系统主程序流程如图4所示。
初始化程序主要完成变量、32个用户参数、定时器1、定时器2、实时时钟 (RTC) 、I2C模块、UART0、PWM模块及看门狗 (WatchDog) 的初始化工作。
系统自检程序通过对温度传感器和AT24C32的访问, 判断系统工作状态。
电流、电压、温度采样程序采集节电器参数, 并判断节电器是否处于正常运行状态:根据采集的电流值, 判断主回路是否过负荷运行或断线;根据采集的电压值, 判断主回路是否过压或低压;根据采集的温度值, 判断环境温度是否安全。如果节电器异常, 则进入异常处理模式, 否则进入正常模式。
节电状态程序和设备预热程序都属于系统正常状态。节电状态程序根据采集的输出电压值, 采取增量PI控制策略, 调节PWM信号占空比, 使输出电压稳定在目标值。增加设备预热时间等待主要是考虑了气体放电光源 (HID灯) 的启动特性, 用户可根据不同类型的HID灯以及老化情况, 调节预热时间, 使启动性能最好。
异常处理程序主要完成当电压、电流及温度出现异常情况时, 进行相应的主功率回路旁路及声光报警等操作。
4 结语
本文介绍的节电器采用32位ARM单片机LPC2106作为控制核心, 具有处理速度快、工作稳定、性价比高等特点。软件设计具有人性化, 可实现按所需时间-电压表无级调节灯光照度。实验证明, 该节电器设计原理简单、控制方便、成本低、节电效果明显。
摘要：介绍了一种以ARM单片机LPC2106为控制核心的智能节电器的设计, 阐述了该节电器的工作原理、硬件结构及软件设计。该节电器根据LPC2106设定的时间-电压表、采用增量PI算法对高频PWM调压电路进行全自动调节, 可实现电压高精度大范围连续无级平滑调节功能。实验证明, 该节电器可靠性高、使用方便、节电效果明显。
关键词：智能节电器,ARM,PWM,PI控制
参考文献
[1]朱漫.基于AT89C51智能节电器的研究[J].湖南冶金职业技术学院学报, 2006, 6 (1) :97-99.
[2]TOPALIS F V.Efficiency of Energy Saving Lampsand Harmonic Distortion in Distribution Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 1993, 8 (4) :2038-2039.
[3]姚为正, 王兆安.一种采用高频PWM整流电路的大功率不间断电源[J].继电器, 2001, 29 (6) :35-37.
[4]陶永华, 伊怡欣.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社, 1998.
智能节电 篇4
伴随着世界经济和社会的飞速发展,未来世界的能源需求也见持续增加,科学家预计到2020年,世界能源需求量将达到20亿吨原油当量。美国能源署(EIA)的报告指出,欧洲和北美洲两个发达地区能源消费量占世界总量的比例将呈现下降趋势。亚洲、中南美洲将保持上升趋势。面对如此激烈的能源竞争,我国不仅要打开国门购买能源,而且还要善用已有能源。
城市中高层楼宇增加是城市内用电量上升的重要因素之一。随着城市的能源供应越来越紧张,能源价格不断上涨,建筑楼宇用电节能问题成为人们所关注的焦点。在信息技术基础上建立的楼宇节电管理系统 ,以客观综合能源数据为依据,实现建筑楼宇电、气等能源消耗的监控、分析、控制,是节能降耗最根本的办法。已有的楼宇节电管理系统收集建筑内部的信息并通过启发式规则对楼宇的照明、动力、通风、空调、安防等系统进行协调控制及整合。这类型系统的缺点在于(1) 大部分楼宇缺少专职的节电管理机构,没有相关的电能使用及管理的方法。在各个楼宇与电力公司之间还没有形成一个有效的信息共享链,内外信息共享能力差,存在信息孤岛现象(2) 系统中的节电模型没有学习过程,不能根据建筑情况的变化,自动调整节电模式。面对上述两个问题,该文设计并实现了一个基于数据分析的建筑楼宇智能节电管理系统。该系统(1) 实现了一个楼宇节电管理工具,整合管理建筑楼宇内部所有用能设备的工作信息,为节电数据分析提供基础。(2) 使用双向互动子系统实现建筑楼宇与电力公司之间的信息交换,解决信息孤岛问题。(3) 使用回归模型等数据挖掘方法分析用户用电模式,找到用户能源损耗的关键节点,为用户提供最佳的节点策略。(4) 使用2.5D地图子系统,使得用户对楼宇和自身用能情况一目了然。
推广先进的楼宇智能节电系统用理念,改变传统的能源无科学依据的生产管理方式,是现代物业行之有效的重大管理措施。建设楼宇智能节电管理系统的基本目的就是要在提高楼宇节能管理信息系统的运行、管理效率的同时,找到用户用能环节中能源消耗最佳流程数据,为楼宇用户提供一个成熟的、有效的、使用方便的节电管控解决方案。
2 系统概述
本文设计并完成的楼宇智能节电系统主要分为4个子系统,包括:用能监测子系统、用能分析子系统、用节能服务子系统、双向互动子系统。图1显示了我们楼宇智能节电系统的总体框架图。其中的用能监测实现对楼宇内的各类节电设备、分布式能源、楼宇自动化等的在线监测,是其他子系统数据的来源。用能分析子系统实现对各类用电服务中能源使用情况的直接数学统计和可视化分析,使得客户可以直截了当的得到当前楼宇能源运行情况。系统中节能服务子系统可以根据专家知识库自动地制动楼宇内节能方案。双向互动子系统为电力企业和电力用户之间加起了一座沟通的桥梁,方便楼宇用户根据电力企业的发电计划安排楼宇内的用电服务。
在图1中,由黄色矩形标记的系统模块是大部分智能节电系统所共有的功能模块,由于文章的篇幅关系,在本文中不详细介绍。图1中深蓝色标记的子系统是我们基于双向互动的建筑楼宇智能节电系统独有的核心功能模块。我们将在下文中详细描述。
2.1 专家库子系统
专家库子系统是我们智能用电系统的核心模块,它制定了整个建筑楼宇中的各种节能计划在。在专家库子系统中我们定义了(1) 能耗诊断模型:能耗诊断模型通过统计各个用户的用能情况,通过回归算法分析各个用能环节与最终用能总量的关系,从而找到能耗较高的关键设备,发现设备的耗能过高原因,然后采取相应的节能增效措施,降低设备的耗能量。(2) 用能策略模型:系统利用能耗诊断模型的结果,建立用能策略模型,对建筑楼宇的长期、短期用能策略及用能方式、节能手段统一管理。
在能耗诊断模型中,我们定义M座楼宇中楼宇m拥有N个用能环节。每个环节的在时刻t的用能损耗可以用emnt来表示,其中n∈[1,N] 。本系统以年为周期,小时为单位来评估楼宇的能耗,即t∈[1,8760] ,其中24*356=8760。我们假设每个时间点上每个环节的用能损耗近L年服从正态分布,那么我们有8760个相互独立的服从正态分布的随机事件,emnt~N(μmnt,σmnt) 。当系统收集近L年的数据并计算得到μmnt和σmnt后,我们可以根据这两个参数来分析时刻t楼宇m在用能环节n上的用能情况,当某个emnt不在[μmnt- 2σmnt,μmnt+ 2σmnt] 范围中时,我们认为这个emnt是一个异常能耗设备,应该检修或者采用新的用能策略。
在用能策略模型中,我们采用了专家知识库的形式,定义了若干用能策略模板。系统能够在能耗诊断模型结果的基础上,自动选择合适的用能策略模型。我们定义的策略模板有(1) 空调用能策略;(2) 风机用能策略;(3) 水泵用能策略;(4) 照明用能策略;(5) 电梯用能策略;(6) 清洁能源用能策略(7) 其它用能策略。
2.2 双向互动子系统
双向互动子系统主要的主要功能是(1) 实现建筑楼宇与电力公司之间的信息交换。本系统通过一个网络API接口与电力公司链接,获取电力公司的相关生产信息。同时系统也提供了API接口给电力公司的内部系统上传数据。(2) 依据电力公司的发电计划和检修计划指定楼宇内的临时用电策略。电力公司有时会发布局部限电和检修计划,这时我们的系统会制定相应的计划,并通知各个用户。(3) 当电网出现电力供应缺口时,由电网触发需求响应信号,本系统发出对大功率用能设备的调节控制指令,实现电网有序避峰或错峰,从而保证电网安全性。
2.3 地图可视化子系统
地图可视化子系统可从空间上显示智能楼宇及其重点监测用能设备的具体情况,给用户提供了解整个楼宇用电情况的最直观接口,使我们系统的特色功能之一。地图监控子系统还可以通过导航或者搜索选择显示所有类型或某种特定类型的用户及用能设备,选择某个接入用户或某个用能设备,进入具体展示相应的用能监测、用能分析、用能报表、节能服务、双向互动等界面。
地图可视化子系统的主要实现的功能有:(1) 三维地图展示:包括三维地图的基本功能:地图放大、地图缩小、地图移动、三维模型展示等。(2) 用户、设备搜索及定位:通过名称搜索地图上的楼宇、厂区、小区等用能对象,搜索完成后可以三维地图上进行定位。定位完成后可以进一步对用户、设备等用能情况进行查询统计,通过地图监测展现用户静态信息及动态数据。(3) 地图空间查询:将楼宇用能业务对象在地图上叠加显示为业务图层,可以直接在地图上进行选择,查看其用电、能耗等信息。(4) 图层控制:对三维地图上的楼宇业务对象图层进行控制其显示和隐藏,方便用户进行操作。(5) 异常告警定位:在其他功能有告警信息时,将信息推送到地图,直接在地图上进行定位,并且进行闪烁展示。(6) 用能数据展示:在地图可视化平台中以不同的符号样式、标注样式显示用户及用能设备的能耗数据、统计分析数据等。
地图可视化子系统的主要实现过程是:(1) 2.5维软件平台:由于楼宇中三维地图场景范围不是很大,对三维平台的性能要求一般,所以为了节约开发成本,我们使用了2.5维地图,提高访问速度和体验,降低成本。(2) 图表结合:系统将地图上的业务对象和采集平台采集到的数据进行挂接,使地图和业务数据进行无缝对接。
地图可视化子系统界面如下图所示。
3 系统应用实例
为了验证本文设计的系统的有效性,我们已经将智能节电系统部署在了天津滨海动漫园大厦。图3显示了我们系统在动漫园大厦上节能实施运行的结果。通过我们的系统,我们在2013年5月就为动漫大厦节能75KWH。图4显示了系统的能耗诊断子系统对动漫大厦各个耗能环节的评估情况。通过我们设计的系统,用户可以直接的检测建筑楼宇内各个耗能设备,并及时发现问题,提高能源使用效率。
图4 天津滨海动漫园能耗诊断界面
4 总结
城市中高层楼宇增加是城市内用电量上升的重要因素之一。已有的楼宇节电管理系统仅仅使用启发式规则对楼宇的用能系统进行协调控制及整合,实际运行效果不佳。该文设计并实现一个基于数据分析的建筑楼宇智能节电管理系统。该系统的特点在于(1) 监控、管理建筑楼宇内部所有用能设备的工作信息,为节电数据分析提供基础。(2) 使用双向互动子系统实现建筑楼宇与电力公司之间的信息交换,解决信息孤岛问题。(3) 使用回归模型等数据挖掘方法分析用户用电模式,找到用户能源损耗的关键节点,为用户提供最佳的节点策略。(4) 使用2.5D地图子系统,使得用户对楼宇和自身用能情况一目了然。
摘要：城市中高层楼宇增加是城市内用电量上升的重要因素之一。使用计算机系统对建筑执行能耗量化管理从而控制降低建筑运营过程中所消耗的能量,降低建筑的运营成本,提高能源使用效率,已经成为用户最为关注的问题。已有的楼宇节电管理系统收集建筑内部的信息并通过启发式规则对楼宇的照明、动力、通风、空调、安防等系统进行协调控制及整合,以期达到节能的目的。这类型系统的缺点在于(1)大部分楼宇缺少专职的节电管理机构,没有相关的电能使用及管理的方法。在各个楼宇与电力公司之间还没有形成一个有效的信息共享链,内外信息共享能力差,存在信息孤岛现象(2)系统中的节电模型没有学习过程,不能根据建筑情况的变化,自动调整节电模式。面对这样的情况,该文提出一个基于数据分析的建筑楼宇智能节电系统,该系统(1)使用正态分布拟合用户用能习惯,分析得到用户能耗较高的关键设备,发现设备的耗能过高原因;(2)建立双向交换子系统实现楼宇与电力公司之间的信息交换,并根据电力公司生产计划及时调整楼宇用能策略。在天津动漫大厦实际运行结果显示,该文设计的智能节电系统可以有效的节省楼宇中的电力损耗。
智能节电 篇5
目前,办公室电气设备和家用电器越来越多,且随着自动化程度的提高,闲置待命的电器设备也越来越多,电能的浪费也非常严重。当我们下班后,办公室的电脑主机、电脑显示屏、打印机、复印机等都处于闲置待命状态,都有一定的电能损耗;当我们采用遥控器关闭电视后,电视机、DVD、功放等的供电电源并未切断,在其闲置的过程中也存在电能浪费。当遇上雷雨天气或电压变化时,家用电器时常被烧坏或损坏。针对上述现象,开发一种便利的且具有防雷防浪涌过载功能的智能节电电源控制系统就显得十分必要。另外此系统还配有网络和电话防雷防浪涌接口,它将使电脑和电话免遭雷击和浪涌损坏。
1 智能电源控制系统的构建
智能电源控制系统结构框图如图1所示。
开关K接通后,受控端的负载供电受主控端负载的状态控制。当主控端为工作状态时,则受控端处于供电状态;当主控端处于待机休眠状态(或停止工作状态)时,受控端则处于电源断开状态。这样当下班后或睡觉前,你关闭主控负荷,受控端电源将随之切断。当遇到雷电天气或电网电压变化时,此系统的防雷防浪涌设计可以使电器设备免遭雷击和浪涌损害。
2 电源防雷防浪涌电路的设计
防雷防浪涌电路工作原理如图2所示。当发生雷击时,火线与零线,火线与地线间的电压会发生急剧变化。当压敏电阻V1～V6两端的电压超过压敏电压时,压敏电阻发生击穿短路,电流保险丝F1、F2将熔断,从而保护节电控制系统及用电设备免受浪涌损害。电容C1是用来保护压敏电阻免受雷击浪涌的损坏。事实上,当雷击发生时,电容C1对于火线与零线之间急剧增加的电压起到一个缓冲的作用。LED1在开关K闭合后会发光,它起到电源指示灯的作用。
3 网络和电话接口部分防雷防浪涌设计
网络和电话接口部分防雷防浪涌设计电路如图3所示,具体原理如下:
(1)网络接口部分。
当雷击发生后,线路有瞬时过电压窜入时,气体放电管GAS1～GAS2被击穿,其阻抗迅速下降,几乎是短路状态。放电管将大电流通过线路接地进行泄放,也将电压限制在低电位,从而保护了网络线路及设备。当过电压浪涌消失后,其阻值又迅速恢复到高阻状态,保证网络线路的正常工作。
(2)电话接口部分。
雷击发生后,过电压经由电话线输入端引入,压敏电阻V1(T)、V2(T)两端的电压急剧增加,从而迅速被击穿,相当于短路状态。大电流经由保险丝F1(T)、F2(T)时,保险丝被烧断,从而保护了电话设备免受浪涌损坏。
4 控制系统电路设计原理
控制系统电路设计如图4所示。
将主控端负荷接入OUTLET1,设其在某种状态下的消耗功率为P0。,则流过可调电感线圈L1的电流约为(即主控端负荷电流)。设在L1中流过电流达到门限电流I0时,其产生的磁力刚好可以使置入L1中的磁璜开关闭合,则当I1≥I0时,磁璜开关闭合,继而继电器闭合,系统为受控端负载供电;当I1
当磁簧开关闭合后,交流电经分压整流滤波电路后得到直流电压Vo1,Vo1经由电阻R7输入放大器基极(设基极电压为Vo2),三极管导通,Vo2经共射极放大器放大后,在集电极得到反相电压Vo3,由于Vo1与V03相位相反,所以继电器两端的实际电压值为|Vo1|+|Vo3|,此电压产生足够磁力拉动继电器闭合,从而给受控端OUTLET2～OUTLETn负载供电;当磁簧开关断开时,三极管Q1处于截止状态,回路被切断,继电器断开,停止对受控端负载供电。
同时,为保证控制电路出现故障后,受控端负荷能获得正常供电,在放大器的输出端与零线之间接一控制开关。当开关断开时,受控端负荷供电状况受控制电路控制;当开关闭合时,则通路形成,继电器持久闭合,外部电源直接给受控端负荷供电,即受控端负荷供电状况不再受控制电路控制。
5 受控端负荷受控选择的设计原理
针对接入受控端的某些负荷在某一时间段需被持久供电的特点,可以在受控端设计一组开关来选择此负荷供电的受控状态,如图5所示。
当闭合开关Kai(i=1,2,…,n)时,OUT-LETi则直接通过外部电源给负荷Ldi持续供电,负荷Ldi的供电情况不受电源控制系统控制;当断开开关Kui时,则Kai(i=1,2,…,n)的通断电情况受电源控制系统控制。
6 应用效果及节能效能分析
通过对某一办公人员的实际用电数据进行分析,每年的电能浪费现象相当严重,具体见表1。
如果在此办公室内使用智能电源控制系统,则每年大概可节电359.4kW.h,效益相当可观。具体方案如下:
方案一:(1)通过可调电感L1将门限电流I0设置到250mA(必须在223～318mA之间);(2)将电脑主机接入主控端OUTLET,将显示器、音响打印机分别接入受控端OUTLET;(3)当主机被使用时,主控端负荷电流大于门限电流,受控端负荷供电正常;(4)当主机开机等待(屏保期间)、休眠等待或关机时,主控端负荷电流小于门限电流,受控端电源被切断(此期间受控端浪费电能被节省)。
方案二:(1)通过可调电感L1将门限电流I0设置到100mA(必须在68～223mA之间);(2)将电脑主机接入主控端OUTLET,将显示器、音响、打印机分别接入受控端OUTLET;(3)当主机处于开机状态时(包括开机使用和等待),主控端负荷电流大于门限电流,受控端负荷供电正常;(4)当主机休眠等待或关机时,主控端负荷电流小于门限电流,受控端电源被切断(此期间受控端浪费电能被节省)。
注:此用电器仅指某一品牌用电器;假设此人平均每天在办公室8h;每年按251个工作日计(除去双休和节假日,且假定双休和节假日办公室电源关闭);以上数据均为估算;采用此智能电源控制系统每年最多可节电:359.4KW·h。
7 结束语
采用此智能节电控制系统能有效地降低不必要的电能浪费。此设计方案成本低,性能稳定,可控性好,节电效果显著,易于推广,在办公区、家庭生活区、生产实验区都有很强的实用价值。同时,由于此系统能在主控端负载的非工作时段,及时有效地切断受控端电源,因此,此系统能在一定程度上提高用电安全系数,消除受控端负荷在非工作时段的用电安全隐患。
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智能节电 篇6
关键词：GSM,短消息,智能照明,节电系统
1 引 言
目前我国城镇、高速公路的照明工程不断增加,照明电能消费急剧上升,虽然我国灯具采用了新型光源,发光效率较高,但是现有的照明系统比较陈旧,总的能源使用效率依旧比较低[1],因此设计智能照明节电控制装置是当务之急。本文设计的照明节电控制装置采用微处理器控制系统,实时采集输入电压信号,通过计算进行自动调节,从而保证输出较理想的照明系统工作电压。该节电系统可实现智能照明调控、有效保护电光源、降低电能消耗的功能。
照明节电控制装置中控制系统和监控中心的通信由GSM模块利用GSM网络实现无线数据传输和系统远程监控。GSM网络具有盲区少、信号好、全国联网漫游的特点,特别是GSM的短信息服务,灵活方便,可以自动漫游传送,而且发送按条计费,低廉可靠。
2 智能照明节电系统工作原理
城市的路灯大多采用气体放电灯具,而气体放电灯的物理特性就是启动时的正常工作电压加上启动器产生高压而使气体放电点亮灯具,灯具点亮之后适当降低并稳定供电电压,但不影响灯具的照明。
本文设计的节电控制器便是利用降压节电原理,在照明设备加电启动阶段,以电网电压直接输出,等灯具运行稳定后将电网电压依次降到200 V,190 V低电压输出。
节电控制器的工作过程:节电器开始工作后,首先以电网电压在预设的启动稳定时间段内运行;启动稳定时间过后,节电器的输出电压下降至200 V,并保持这一电压稳定运行;再经过一段固定时间后,节电器的输出电压下降至190 V,并一直保持这一电压稳定运行。节电器的这三种工作状态被称为直通、节电一和节电二。当节电器工作状态设置改变或节电控制信号断开,输出电压将改变为新的节电水平或恢复为电网电压直接输出。
3 系统硬件设计
照明节电装置是实现照明用电自动控制的重要终端设备,通常安装在照明用电进线端,经过节电系统将电压施加在照明设备上。本文的智能节电装置的设计要求就是:能够适应电网供电电压各个时间段差异比较大的现状,可以分时段控制输出电压;节电系统工作性能稳定可靠,如果出现意外情况,能够直接从电网输出电压。
智能照明节电系统的硬件总体由处理器、数据采集与转换电路、GSM模块、温度测量装置和降压执行装置等组成[2]。
本系统设计的核心思想就是由89C52单片机作为处理器,完成检测照明回路的电压、电流值以及现场显示,通过GSM模块将检测结果上报监控中心,并根据程序预先设定、或者键盘输入或者监控中心设定对采集的数据实时处理,控制执行电路对电网的输出电压实时调控。系统设计的总体框图如图1所示。
整个硬件的设计需要考虑两个问题:
市电照明网络电压、电流的采集与转换电路 智能照明节电系统要根据电网的电压和电流的变化做出相应的判断和处理,所以电压和电流的采集必不可少。电压采样通过变压器采集电网电压,电流采样选用电流互感器作为电流检测元件。采样到的电压、电流经整流、转换、滤波后输出到模数转换器ADC0809作为他的两路输入信号,ADC0809的转换结束信号线EOC接至单片机的INT1,每次转换结束后向单片机发送中断请求,在中断服务程序中读出电压、电流采样值。
GSM模块的选择 该系统的GSM模块选择西门子公司生产的MC35i模块,他是专为GSM/GPRS通信设计的专用双模块,工作于EGSM900和GSM1800频段,在3.5～4.8 V范围均能正常工作,AT指令直接控制。单片机与GSM模块通信通过串口发送AT命令完成。MC35i模块与单片机的接口电路如图2所示。
注意单片机与MC35i串口不能直接相连,因为89C52管脚为5 V标准TTL电平,而MC35i电平较低,为3 V左右。为解决电平接口不一致的问题,同时避免板间干扰、提高系统通信的灵活性和可扩展性,节电系统中在单片机和GSM模块之间加了一个MAX232电平转换电路。
下面重点论述控制系统中微处理器与GSM之间如何实现短消息收发。
4 短消息分析与实现
为实现软件控制短信息的编辑和收发,我们有必要先分析一下短消息的格式,然后再确定如何通过AT命令实现短消息的收发。
4.1 短消息分析
短消息的发送和接收控制共有三种模式:Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式。其中只有PDU模式可以用于中英文短消息传送,但因为有编码、解码过程,所以较Text模式复杂。由于PDU模式有很好的数据信息存储格式,并对中文有很好的支持,PDU模式在GSM移动设备中使用最为普遍,现在各大网络公司都采用PDU模式来进行短消息的处理。
根据GSM07.05的定义,只要终端通过UART接口向GSM模块发送AT命令,就可以直接读取收到的PDU模式的短消息。PDU模式的数据表面上看是一串ASCII码,由‘0’～‘9’,‘A’～‘F’这些数字和字母组成,他们是8位字节的十六进制数。PDU数据不仅包含可显示的消息本身,还以固定格式包含很多其他消息,如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式[3]和服务时间等。
目前国内汉字显示采用GB-2313编码,而GSM标准中中文编码采用UTF-8编码,因此处理短消息时需要进行中文编码的转换,才能与采用GB-2313汉字库相配合显示汉字字型。
由于UTF-8编码和GB-2313汉字库之间不存在一一对应的线性关系,因此嵌入式系统中只能采用查表的方式进行转换。下面给出一个由UTF-8编码到GB-2313编码转换的算法。
首先在存储区建立UTF-8和GB-2313两个编码表,然后进行软件解码。每次从PDU模式的短消息数据串的用户数据段取出两个字节,采用二分法快速数据查找算法,在UTF-8编码表中找到编码所对应的位置,然后在GB-2313编码表对应位置上读出短信内容相对应的GB-2313编码。相应的软件流程如图3所示。二分法的最坏查找次数为lg2(n+1),UTF-8表的长度n为7 445,所以最坏情况查找次数为13次,即一个中文编码由UTF-8到GB-2313的转换最多经过13次比较查找就可完成。这比采用简单的顺序查表快地多,大大减少了查表所花费的时间,非常适合在一般的嵌入式系统中使用。
4.2 使用AT命令实现短消息收发
4.2.1 AT命令
AT命令是贺氏公司推出的一套Modem操作命令集,是Modem通信接口的工业标准,他的功能包括配置Modem与软件共同工作、与远程系统通信、发起或应答一个呼叫等。AT命令以AT开头,回车键结尾,前缀AT用于通知Modem注意检测计算机串口发送信号。现在市场上提供的可二次开发的GSM模块都支持GSM07.05所定义的AT命令集的指令。通过UART串行接口直接向GSM模块下发AT命令,就可以方便简洁地实现GSM短信息的收发、查询和管理。
4.2.2 使用AT命令发送短消息
对GSM模块的操作均采用AT指令,指令内容均为ASCII码。例如要发送字符“Hello!”到手机13579830162中,可采用PDU模式发送。
发送AT+CMGF=0:选择短消息格式为PDU模式;
发送AT+CSMS=0:检测模块是否支持SMS命令;
发送AT+CMGS=20:发送信息有20个字节,不含短信中心信息长度;
发送 08 91 683108200905F0 11 00 0D 91 683135121053F7 00 00 01 06 C8329BFD0E01
其内容含义是:SMSC信息长度为8个字节,为国际格式,号码8613800290500;被叫号码长13位,国际格式,是8613532101357;普通GSM类型,点到点方式;7位编码;信息保留10分钟;信息长度为6个字符;信息为“Hello!”。
4.2.3 使用AT命令接收短消息
由于短消息在传输过程中有时延,所以短消息的到达时间是不确定的。因此必须设定短消息到达提示命令,并定时检测,这些可以通过AT命令在GSM模块启动后设置。
设定短消息到达后自动提示的AT命令为AT+CNMI=3,1,0,0,0。当短消息到达时会收到+CMTI:“SM”,index的提示消息,其中+CMTI为提示信息的帧头,“SM”,表示短消息的存储序号,可以根据序号到给定的存储区将短消息读出来。
5 短消息收发的通信软件设计
节电系统中单片机通过串口和GSM模块连接,通信软件[4]主要是完成单片机和GSM模块之间的数据传输。串口连接采用定时器T1产生9 600波特率,定时器工作方式选择为自动重载方式,通信字节格式设置为8位数据位,无奇偶校验位,1位停止位。
本系统中,除了状态改变主动发送短消息之外,都是由控制方发出请求开始,系统根据收到的不同信息内容分别调用相应的命令服务程序,对命令做出响应。在节电系统主程序启动时,调用一个通信启动程序,初始化GSM模块并为收发短消息做设置。其流程图如图4所示。
系统正常运行时,每次工作状态改变后都向控制方手机发送一次工作状态和当时参变量。程序中每次修改工作状态后都会触发一个短消息发送标志,主程序读到该标志就调用一次短消息发送程序,发送工作状态代码和参变量,发送完后清除短消息发送标志,返回主程序。发送短消息流程图如图5所示。
6 结 语
本文在分析我国电网供电现状和照明设备特点的基础上,设计了智能照明节电系统。该节电系统适合我国道路照明电压波动大、对照明设备有损害的情况,同样也适合商场、宾馆、写字楼等场合照明。该系统不仅可以起到节电的作用,还延长了灯具使用的寿命,减少了人工维护方面的投入,所以市场应用前景较好。
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智能节电 篇7
家庭和办公场所的普通饮水机,日消耗的电能为1.2~1.8k Wh,年消耗电能在300k Wh以上,如果乘以庞大的拥有量(数以千万计),则消耗的电能十分惊人。然而,由于饮水机自身设计的缺陷以及疏于管理等原因,在其消耗的电能中,大部分被白白浪费掉了。此外,饮水机的日夜待机工作及反复加热不仅造成了电能的浪费,而且产生所谓的“千滚水”,不利于身体健康,并且容易在饮水机内产生水垢,对饮水机的寿命也相当不利[1]。这就给饮水机节电器带来了广阔的市场前景。
当前饮水机节电器存在的问题为:1)功能不够完善,不能适用于各种应用场合;2)自身的功耗较高,从而使得整体的节能效果不佳;3)智能控制不够完善,使用不够方便。
因此,文中提出了一种新的基于自学习模糊控制的智能化饮水机节电器。
1 智能饮水机节电器的硬件结构及低功耗设计
1.1 智能饮水机节电器的硬件结构
从结构上来讲,节电器独立于饮水机之外,属于外置式,二者之间的联系,仅仅是饮水机的取电来自于节电器。节电器通过其内部复合开关的智能投切来控制饮水机的电源,从而控制其加热与否。外置式的结构使得节电器的适用性强,不受饮水机的型号限制[2]。二者之间的控制关系如图1所示。
饮水机节电器的硬件结构如图2所示。
由图2可知,节电器由7个单元电路组成,对各单元电路分述如下。
1)电源变换电路。由电源变压器、桥式整流电路和稳压模块组成,目的是供给单片机及外围电路所需要的直流稳压电源。
2)单片机电路。由单片机AT89S52的最小系统组成,包括晶振电路和复位电路。是节电器的控制核心。
3)蜂鸣提醒电路。主要由蜂鸣器及其驱动电路组成。蜂鸣提醒电路用于加热结束(水开)提醒、上班(家庭)以及下班(办公)时间到来的提醒。在后者情况下,用户可关掉节电器,实现最彻底的节能。
4)工作模式指示及按键电路。主要由发光二级管组成。对应的模式灯点亮,用以指示当前的工作模式。共有5种模式,即:常开模式、家庭模式1、家庭模式2、办公模式1、办公模式2,由用户根据自己的实际情况按键循环进行选择。
5)日历时钟电路。主要由DS12C887组成。此芯片是由美国Dallas公司推出的一款专用的实时时钟芯片,它将晶振电路、写保护电路、可充电锂电等一起封装在一个24引脚的双列直插式芯片内组成一个加厚的集成电路模块,是一个完整的子系统。它充足一次电可供芯片运行半年之久,正常工作时可保证时钟数据10a内不会丢失[3]。具有功能丰富、需要外接的元件数极少、价格低廉和稳定可靠等特点,可满足节电器对实时时钟和日历数据的读取,以实现定时开关的要求。
6)加热检测电路。主要由电流互感器(CT)和电压比较器LM393、全桥整流电路组成,如图3所示。当复合开关闭合进行加热时,流过CT的电流较大,经整流后在负载R6上的压降也较大,大于LM393反相端的参考电压,则比较器输出为高电平。加热完成后,流过CT的电流较小,则比较器输出为低电平。比较器的输出接至单片机的P1.2口,检测此口线的电平即可判断加热是否结束。
7)复合开关及控制电路。主要由继电器及其驱动电路、双向可控硅及其驱动电路组成。继电器选用G2R-2,其两对常开触点并联后通流能力可达到10A(AC),可满足绝大多数饮水机的需要。双向可控硅选用BTA20,其工作电流可达20A。采用MOC3081作为驱动电路,MOC3081是带有过零检测的光电耦合器,可使可控硅在交流电压过零时进行投切,极大地减少了复合开关在投切时产生的浪涌电流,避免了投切时产生的火花对触头的烧损,延长了复合开关的寿命。复合开关及控制电路如图4所示。
1.2 智能饮水机节电器的低功耗设计
智能饮水机节电器作为一款节电产品,由于它的工作时间长,因此在满足系统功能要求的前提下,尽量减少其自身损耗,以达到整体节电目标。文中采取了下列措施以减少其自身功耗。
1)在节电器中应用复合开关,使其既满足加热切合之需要,又能满足降低导通损耗之要求。单纯的电力电子开关存在一定的导通损耗,在工作时间长的情况下,所引起的损耗不可小觑,而单纯的硬开关如应用在频繁切合的节电器中,容易引起触头的烧损,影响开关的寿命。而将电力电子开关和硬开关结合在一起的复合开关,则可避免上述问题,既降低导通损耗接近于零,同时又延长了开关的寿命。因此,复合开关在节电器中的应用具有大幅度提升整体性能的效果。
2)在整个硬件系统的设计时,尽量选用CMOS电路,因CMOS电路的功耗比传统的TTL电路的功耗要低很多[4]。
3)减掉不必要的I/O设备,如液晶显示器。液晶显示器耗电量较大,且增加较多的成本,故在设计时减掉此项配置。
4)选用低功耗、高速、高性能、超强抗干扰的CMOS型单片机AT89S52。由于AT89S52具有唤醒功能,在饮水机无使用的情况下,可将节电器工作在停止模式下,复合开关断开。在停止模式下,系统时钟也将停止,由外部事件中断重新启动系统时钟,进而唤醒CPU继续工作,此时CPU消耗电流可降到μA级。在停止模式下,CPU本身实际上已经不消耗什么电流,为进一步减小系统功耗,尽量将单片机的各个I/O模块关掉[5,6]。
2 饮水机节电器的软件系统设计及自学习模糊控制
为使饮水机节电器能够适应绝大多数场合,在功能设计上,设置了几种工作模式,用户根据自己的实际情况,按键进行选择。另外,为实现智能化控制,采用了自学习与模糊控制相结合的控制策略,以满足饮水机节电器适应各种场合的需要。
2.1 软件系统设计
根据饮水机节电器的应用场合,设置5种工作模式:常开模式、家庭模式1、家庭模式2、办公模式1、办公模式2。各种工作模式对应的饮水机开关机时间不同,家庭模式在工作日的7:00~8:00和18:00~23:00开,其他时间关;周末8:00~23:00开,其他时间关;办公模式,工作日8:00~18:00开,其他时间关;周末关。家庭模式1(办公模式1)与家庭模式2(办公模式2)的区别在于每周工作日天数不同,前者定义5天工作制,后者定义为6天工作制。但无论在哪个模式下运行,节电器均要进行加热检测,并在水沸腾后使蜂鸣器发声报警,提醒人们及时接水,避免水的反复加热浪费电能,同时也避免形成“千滚水”。常开模式为以上4种工作模式之外的特殊情况下需要运行饮水机时应用。按键采用中断模式,其主程序框图如图5所示。
2.2 节电器的自学习模糊控制
模糊控制主要是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法,它将人的经验、常识等用自然语言的形式表达出来,建立一种适用于计算机处理的输入输出过程模型,是智能控制的一个重要研究领域[7]。
节电器是一个典型的模糊控制系统。由于节电器独立于饮水机之外,相互之间仅有电的联系,仅能通过检测饮水机通过电流的大小来判断饮水机是否处于加热状态。但可以通过模糊控制,来实现节电器的智能化,减少无效的加热,以节省电能。如前所述,通过设置工作模式,可以实现定时开关饮水机,以避免在无人使用的情况下白白加热浪费电能,这个控制是明确的、清晰的。而在有人使用饮水机的情况下,可以根据使用人数多少和喝水频率的高低来控制饮水机加热,采用模糊控制技术。
节电器有4个参数需要设定:1)开机时的初次加热时间,设为t1;2)开水放空(开水接走)后的再次加热时间,设为t2;3)开水未放空(无人接水),温度下降达到加热条件后再次加热的时间,设为t3;4)如果水开后无人接水,则温度下降达到加热条件重新加热,从此次水开到下一次加热所间隔的时间,设为t4。
即使对于同一台饮水机,由于季节不同,气温高低不同,水的初温也不同,则加热时间t1~t3以及间隔时间t4在每天都是不同的。由于温度的不确定性,导致了加热时间t1~t3以及间隔时间t4的不确定性。而对于不同型号的饮水机来说,这些时间参数也是不同的。这就需要节电器具有自学习功能。
每天节电器合上饮水机开始工作后,可以记录下初次加热时间t1以及再次加热时间t2。在判断无人接水的情况下,再记录下t3和t4,则当天的4个参数得到记录,通过模糊处理后,存入数据库。次日节电器启动饮水机之初,可调用这些参数作为初始值。通过不断的自学习,数据库不断扩大和更新,只要数据库足够大,则参数可以做到每天更新,这就是节电器的自学习功能。模糊控制与自学习算法相结合,使得节电器的控制鲁棒性好,适应性更强。
以无放空开水情况下加热间隔时间t4为例,可设t4的隶属度函数为,
其中,h为模糊量,可以根据自学习的情况进行调整。
自学习模糊控制的程序框图如图6所示。
3 实验情况
智能化饮水机节电器研制成功后,分别在2人办公室和10人办公室里的饮水机上进行了实验,饮水机的功率为500W,选用办公模式1(工作制5d,工作时间8:00~18:00)运行,实验时长为1个月。为了对比试用节电器前后的电能消耗情况,安装了1只单相电能表进行电能的计量。实验得到饮水机节电器电能的消耗如表1所示。
在安装节电器之前,由于疏于管理的原因,往往在下班后忘记关掉饮水机的电源,造成反复加热、浪费电能的情况;而在安装节电器后,由于它能在下班后自动关闭饮水机的电源,从而节约了电能。从表1也可以看出,10人办公室饮水机节电器节约电能比例在47.3%,而2人办公室的饮水机节电器节约电能比例在63.1%,后者效果更为显著。这是因为2人办公室喝水人数少,在上班时间内,节电器的智能控制使得饮水机的有效加热次数相应减少,因减少了绝大多数无效的加热,故节电效果更为显著。而10人办公室由于喝水人数多,在上班时间内,有效的加热次数也多,故消耗电能也相应增加。不管喝水人数多少,定时开关减少了电能的浪费,自学习模糊控制减少了无效的加热次数,避免了“千滚水”的产生,对于节约电能和健康饮水都大有裨益。
4结语
文中研制的一种基于自学习模糊控制的智能饮水机节电器具有自身功耗低、成本低、使用灵活方便、适应性强等特点,具有加热自动检测、蜂鸣提醒、复合开关控制、定时开关等功能。由于采用了自学习模糊控制,大大地减少了无效加热次数,不仅有效地避免了“千滚水”的产生,而且显著地节约了电能,符合当前绿色、环保、健康、低碳的生活潮流。目前,该产品已经申请了专利,可进一步推广使用。
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