李志敏，伍东亮

(湖南机电职业技术学院信息工程学院，湖南长沙410151)

0 引言

随着我国高等教育事业的飞速发展，办学规模不断扩大，高校已成为电能源消费大户.比如，实训大楼先进的实训设备和实验设备，多媒体教室的齐备电脑、投影和空调，条件好一点学校的学生公寓都安装了空调和热水器设备等等，教学楼、实验楼(或实训楼)、图书馆、餐厅、办公楼、学生公寓的路灯照明已成为高校用电重点保护场所.但是，学生节电意识淡薄，室内空调、电炉使用非常随意，无论天气好环，不管人多人少，教室灯光通明非常多见，室外照明管理较混乱，用电浪费严重.同时，高校宿舍因违章使用大功率电器而导致火灾也时有发生.所以，在高校进行智能供电控制、进行科学用电管理势在必行.

高校用电可简单划分教学区用电和生活区用电.教学区用电可分为:照明用电，电脑设备用电，空调用电，大型实验、实训设备用电等.生活区用电主要集中在学生公寓，生活区用电可分为:照明用电、风扇用电、普通插座用电、热水器用电、空调用电等.高校电能耗具有规律性:电能消耗与学校的作息时间及季节变化关联性很大［1］，同时，学校不同功能场所产生的电能耗差别也很大，同时具有特有的规律性［2］.本文针对高校电能耗规律性，采用多回路智能控电思想、硬件模块化可扩展设计思路和软件智能配置理念设计网络型智能控电系统，进行智能控电节能与用电安全保护设计.比如办公区域上班时，全部供电回路合闸，下班时间，仅提供照明支路合闸;学生就寝时段，自动断掉普通插座用电、热水器用电回路，等等.当然供电区域与时间段可以根据高校实际情况进行细分.

网络型智能控电系统能实现对供电线路及设备的安全管理.通过对供电线路的电流进行实时采样，判断电流是否超越警戒值，来进行对恶性负载进行自动判断，做到智能保护操作.同时，本系统还支持现场开合闸控制以及网络开合闸控制，用户如果出门在外，忘记关空调等设备时，可通过互联网或者手机软件来实现远程关闭供电回路操作.

1 系统结构与功能

1.1 结构设计

智能控电管理系统从结构上可以划分为网络监控层、数据采集层.其整体结构如图1所示.

图1 智能用电管理系统网络结构图Fig.1 Network structure diagram of intelligent power management system

1)网络监控层主要由数据库服务器、WEB服务器及RPC服务器组成.数据库服务器主要对采集到的用电情况进行存储和分析，可生成用电趋势日报表、月报表等数据报表供用电单位分析.WEB服务器提供WEB服务，RPC服务器主要提供远程操作和数据采集的通信协议服务.用户可以通过WEB界面或者安卓智能手机软件实现对用电回路的远程操作.

2)数据采集层主要由智能控制柜构成，控制柜包括触摸屏和数据采集控制板，触摸屏安装在控制柜的柜门上，通过RS232与控制板进行通信，主要实现现场参数设置，状态显示及现场监控等功能.控制板采集穿心电流传感器采集的各支路的电流值，控制各支路继电器的开合闸，同时采集各支路继电器的开关状态.控制柜将采集到的数据通过以太网实时传输到服务器，并相应服务器下发的控制命令.

1.2 系统功能

1.2.1 远程监控

可通过WEB界面或者手机软件对校园办公区域和生活区域用电情况进行远程监控，实现远程回路选择与分合闸操作，并可生成相关报表供用户分析.

1.2.2 自动控制

通过对不同区域不同时段的用电特点进行分析，对供电回路进行分时分类控制，自动关断相应的供电回路，实现了节约用电.

1.2.3 自动报警

对各供电回路电流进行实时监测，及时发现用电异常回路并报警，触摸屏和远端服务器收到报警信号后实现自动分闸控制，确保学校用电安全.

2 系统软硬件设计

2.1 系统硬件设计

智能用电管理系统的核心部分为智能控制柜，由数据采集控制主板和采集控制小板构成，下面对智能控制柜的硬件设计进行详细说明.

2.1.1 智能控制柜硬件设计介绍

数据采集控制板采用嵌入式ARM7处理器，可实时高效完成多支路的数据采集及监控任务.数据采集控制板主要完成多路电流信号的采集、多路开关量信号采集、多路继电器控制输出，并提供 RS232、RS485、RJ45网络接口.数据采集控制板采取模块化设计，包括电流采集板，继电器控制板、继电器板、开关量输入监测板等.控制柜实物图如图2所示.

2.1.2 智能控制柜的硬件设计创新点

本文智能控制柜硬件设计创造性的采用模块化可级联设计思想，根据现场需要设计了多种硬件模块，不同的现场可选用不同模块组合来满足现场的需要.电流采集模块设计有交流采集和直流采集两种模块，每个模块可采集6路信号，主板最多支持24路电流采集，可满足多种现场采集需要.每块继电器控制板有16路输出通道，继电器板支持相互级联，最多支持4块共64路继电器输出.继电器板主要为继电器控制，可根据现场实际电流情况选择不同类型的继电器进行控制输出.每块开关量输入监测板有16路输入通道，开关量输入监测板同样支持多块级联，最多支持4块共64路开关量输入监测.

2.2 系统软件设计

智能供电管理系统软件包括四部分:触摸屏软件、上位机软件、Android软件界面及智能控制柜主板程序.

2.2.1 智能供电系统软件介绍

(1)触摸屏软件设计

触摸屏界面设计采样分项分类思想设计，整个软件系统设计分为办公管理和公寓管理两大类，办公管理又根据用电特点分为上班模式、下班模式、全开模式、全关模式.每种模式下可以查看各支路电流大小，开关量输入状态等信息.宿舍管理根据用电特征分为学习模式、就寝模式、放假模式，每种模式下同样能查看各个管理宿舍的各支路的电流大小、开关量输入状态及用电超限报警状态，超限报警界面主要用于实时显示电流超限报警情况，一旦有支路电流超越限定值就产生报警，报警持续30s.触摸屏软件工作界面如图3所示.

图3 触摸屏软件运行图Fig.3 Operation diagram of touch screen software

(2)上位机软件设计

上位机软件设计包括数据库设计、WEB界面设计.开发平台:MicroSoft Visual Studio 2008 、Donet Framework 3.5、MapXtreme，使用Oracle数据库.系统功能有监测参数设置、设备运行状态监测、能耗监测及远程遥控.

(3)Android软件设计

Android软件设计开发平台为Eclipse IDE for Java EE Developers，采用JAVA语言进行编程.Android软件设计主要实现各支路状态的查询和远程分合闸控制.通过账号认证后即可远程操作，方便外出在外时关闭相关供电回路，可有效预防火灾和节约能耗.

(4)智能控制柜主板程序设计

智能控制柜主板控制程序采用UC-OS操作系统，C语言编程.控制主板每一秒完成一次24路4-20ma模拟量采集、最多64路开关量状态采集.同时支持RS232/485/RJ45网络通信，进行数据查询和命令相应.系统任务分配如图4所示.

图4 主控板程序任务分配图Fig.4 Task allocation diagram of main control board

2.2.2 智能供电系统软件设计创新点

智能供电系统软件设计不是根据某一个具体项目而进行的软件编程，在软件设计之初就提出软件要能满足整个市场的需要.整个项目定制了一套严谨的通信协议，详细制定了多个控制柜多个采集模块地址的分配及管理方法，上位机软件只需根据现场需要进行相应模块的智能配置和维护就能完成一个新系统的监控.软件灵活性极高，配置简单，操作界面友好.

3 结语

本文基于先进的计算机技术、GPRS通信技术、微机测控技术，针对高校作息时间规律和各区域用电特点，采用多回路智能控电设计思想，设计出网络型智能控电系统，能实现用电远程监控、自动控制和安全保护.整个系统软硬件设计思路大胆、方法创新，设计的系统灵活方便，经济实用，能达到预防火灾、节约能源的目的.目前已成功应用于长沙某高校，系统运行稳定可靠，具有较强的实用性和推广价值.

［1］范彬，赵树兴.天津高校建筑能耗现状分析节及能对策［J］.建筑节能，2012，(8):52-54.

［2］李志敏，李玉民，唐文芳.高校电能智能监控系统设计之我见［J］.科技信息，2013，(25):44-45.

［3］甘晖，周昊.单片机在智能控电系统中的设计与应用［J］.冶金动力，2009，(3):52-55.

［4］高彪，谭洪卫，宋亚超.高校校园建筑用能现状及存在问题分析［J］.建筑节能，2011，39(2):41-44.

［5］宋振宁.高校建筑节能探讨［J］.资源环境与节能减灾，2009，(9):131.