智能插座在高校节能减排工程中的设计和应用

0引言

节能减排是指减少能源浪费，降低废气排放。随着近年来高等教育的迅猛发展，高校规模不断扩大，能耗快速增加，高等院校已经成为能耗大户之一。有关资料显示，我国高等院校年电力消耗总量占全国总消耗量的5%，能源费用超过800亿元，单位面积的电耗是普通居民家庭单位面积电耗的4倍以上，单位建筑面积能耗超过世界头号能耗大国——美国。

本文在分析高校电能消耗和节能减排现状的基础上，着重研究一种适合高校环境的智能插座，达到较好的节电效果，从而减少高校的能源消耗和减排的目的。

1高校电能消耗和节能减排现状

1.1电能浪费现状高校主要有学生公寓区和教学区两大区域，能源消耗情况不尽相同。除了学生公寓区存在水、气、暖等浪费现象外，教学区和公寓区都普遍存在以下用电浪费现象：

(1)多媒体教学楼：照明灯、风扇、教学设备和用具在无人时也照常开通运转。

(2)教职工办公楼：办公室长时间不用的电脑、饮水机、空调在无人的情况下照常开通运行。

3)实验楼：各种实验设备和计算机用电浪费现象十分普遍。很多实验室机房的计算机在非使用时段，特别是学生在上下午前面两节课上完机后，只有少数学生会关机，后面非实验时间段也让计算机一直工作，这又增加了很多电能的浪费。

(4)学生公寓楼：违章使用大功率电器设备严重，存在安全隐患;还有少部分学生宿舍存在偷电现象。

(5)多媒体计算机的外围设备用电，往往是被人们忽视的一个问题。

根据上海市节能协会测试提供的资料：普通电源插座在无任何负载时的自身功率为1.9w，主机(关机时)的电源待机功耗为4.81 w，显示器(在不使用时)的电源热待机功耗为30 w，打印机待机功耗为l2 w。以浙江水利水电专科学校的教职工使用台式机为例，22个行政职能部门和1 1个系部，假设每个行政职能部门有两台打印机，每个系部至少有5台网络打印机。若非工作时间不拉闸限电，总共400台计算机则以6 h满负载工作、18 h平均待机情况来算，计算机与周边设备的年待机能耗为：((1.9W+4.81W+30W)x400+12x(22x2+11X5))x18x365~104279 kW按照杭州市0.538 kW/h的电价计算：一年多媒体计算机与打印机待机浪费总共约56102元。以上仅仅是以多媒体计算机最基本的配置为例进行计算，实际上各个高校规模和配置不同，办公用计算机外围设备还有扫描仪、绘图仪，多媒体教室还有语音控制器、音箱、视频监控等设备。加上这些设备，会有更多的浪费。

1.2节能减排现状目前，各高校虽有节能委员会等组织，但节能工作还存在以下几种问题p】：管理松懈，各种浪费现象长期存在;节能规章制度不完善，缺乏有效的节能管理与激励政策;节能措施缺乏，管理监督不到位;节能管理工作队伍人员素质不齐;节能宣传、教育工作未达到应有的广度、深度和力度。

当前大多数高校用电(主要包括照明、电扇和空调)的管理基本处于一种粗放式的管理状态。一般来说管理有3种模式：(1)无专人管理;(2)利用定时开关，根据作息时间开启关闭;(3)专门管理人员根据作息和天气情况进行分楼或分层送电。这些粗放型的管理模式都不足以从根本上彻底解决以上各种浪费电能现象。文献从高校全局角度出发，以改革管理、技术、用电设备等角度来节电，投人资金较大。

除了树立节能观念，建立完善的管理机制、落实责任制度外，引进先进科技，是一种有效的节能技术手段，这样就能从另外一种途径避免以上大部分电能的浪费。其中，智能插座是一种有效的节电监测控制器。

2高校不同区域对节电控制的需求分析

针对浙江省高校特殊的环境，校园不同区域设备的电能浪费情况不同，监测控制对象也不同。

(1)教学区(教学楼、实验楼、图书馆、办公楼)中需要监控的对象除了室内照明和走廊照明，还有教学需要的多媒体设备;实验室则以各种实验设备和计算机为主;而图书馆和办公楼另外还有空调和自动饮水机。

(2)生活区中公寓主要用于监控和禁止大功率电器;而食堂却是大功率电器的集中地，这里的智能插座主要是计量用电以及分析合理用电节点，保障大功率电器正常运行。

因此，不同环境使用的智能插座不尽相同，主要是对不同设备进行监控，发现非正常工作时段工作则自动切断用电设备。

3智能插座的功能和设计

3.1智能插座的功能

传统的电源插座功能仅是分配多路电源，而智能插座除具备该功能外，还具有智能化的特点。智能插座是高校智能化用电管理系统的重要组件，是一种带有智能芯片的插座。它用智能芯片识别相连接的用电设备，实时监测用电设备的用电情况;可以记录保存、向网关传送数据，接收来自远程的信息和命令控制，通过控制电路将这些用电设备切断，使得无用的能耗降低为零。目前市场上已经出现多种不同功能的智能插座，主要可以分为以下几类：漏电保护型智能插座、定时型智能插座、主路控制型智能插座、遥控型智能插座、计量型智能插座。介绍各种不同功能的智能插座的设计，但是这些智能插座设计只是提供单一的保护、监测或控制为主，产品功能较为单一，很难实现信息化和远程控制，无法达到智能化校园节电的要求。

上面分析高校节电控制需求的基础上，高校使用的智能插座包括以下功能：

(1)数据采集和监测。采集供电线路的电流、电压、耗电量参数，来自传感器的光照强度和红外感应参数。

(2)数据传输功能：利用无线局域网免费、实时l生好、传输速率高、运行费用低、安全可靠等优点高效地采集数据，并将这些数据传输到网关。也可以利用小无线传输来传输数据。其中如何及时准确地响应网关的命令，保证电器的正常工作是关键之一。

(3)数据分析及显示功能：将采集到的数据进行显示、存储、管理等。通过监测到的电压、电流和用电量等，可以分析电器的负载情况、运行功率、待机功耗等，为用户提供参考。

(4)控制功能：通过继电器控制插座上电器的供电。

(5)辅助功能：包含数据查询、参数设置、节能方案设定、监测告警、权限管理等功能。

(6)系统扩展性和兼容性问题，由于目前的智能插座将会在原有用电系统的基础上改造实现，因此如何对原有系统连接问题，即系统的冗余性值得考虑，也应该兼顾今后其他功能的增加。

3.2智能插座的设计

智能插座的硬件原理框图如图1所示，整个系统以微处理器为核心，包括电能等信号测试、电源转换、功率控制和通信模块等部分。

图1智能插座硬件原理框图（Fig.1 Intelligent electrical outlet’s hardware block diagram）

3.2.1微处理器

微处理器是智能插座的核心元件，它负责被测信号的计算、处理、通信、控制。因此，可以选择完全集成的混合信号系统级MCU芯片C8051F020，它具有片内VDD监视器、看门狗定时器，防止死机。

3.2.2信号测量模块

输入的电压、电流强电信号先通过分压电阻、锰铜片等转换为弱信号，然后经过专门的计量芯片(ATT7030A)，产生的用电计量数据输入MCU处理。

3.2.3功率控制模块

MCU监测数据超过极限值，则控制继电器的开断，从而切断用电设备的供电。一般选择继电器的容量要高于负载的最大功率。该模块要配以放电电路，主要是又二极管和电容组成，以吸收瞬间反向电流，并且要避免瞬间高压值对电路的影响。

3.2.4通信模块

通信模块主要负责智能插座跟网关控制器之间的数据通信。目前可以选择局部小无线网的通信方式，如采用ZigBee无线通信技术，其通信速率和可靠性能满足系统所需。

3.2.5电源转换模块

该模块主要是将电网220 V交流电压转换成插座内部系统所需的直流电压，~IN+5 V，+3.3V，提供给MCU等系统芯片和电路。采用常规的7805等集成稳压芯片就可以实现目的。

3.2.6显示和报警模块

显示模块主要方便随时查看当前用电各项计量数据，如电压和功率值。在超过设定用电计量极限值时，由MCU发出命令给报警模块，进行声光报警。

3.3软件设计

智能插座的软件主程序(如图2所示)主要包括信号采集和功率计算、数据发送给上位的网关、与极限功率值比较和处理等。当监测到功率值超过预设极限值时，发出报警信号，控制声光报警，并通过无线方式把状态发送给网关控制器。通信中接收部分主要采用中断方式，快速响应网关控制器的信号，由此发送过来的数据作为功率预设值，作为主程序中的极限值进行比较计算。此外，也接收如果网关发送过来的命令需立即切断电源，则通过接口控制继电器通断，以此来直接自动切断控制。

图2智能插座主程序流程图（Fig.2 Intelligent electrical outlet’s main flow chart4）

小结

本文研究的智能插座为节能减排的新技术手段，为国内其他高校的高效节能减排提供良好的借鉴作用。以某非多媒体教室为实验，总共有l6盏日光灯，每盏灯为40 w，将未使用智能插座和使用后平均一天的耗电量进行比较，使用前耗电为5.86 kW，使用智能插座后为4.75 kW节电率在18.9%左右。同时，随着电器设备元器件的老化，待机等能耗也在加大，使用智能插座的节电率将进一步提高。符合现在国家提出的节能、高效、低成本的方针，能产生良好的经济效益和社会影响。

综上所述，采用智能插座在高校节能减排工程中的优点显而易见，研究智能插座对于目前国内高校乃至企业和家庭用电监控、节能减排都有显著意义。