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分布式智能设备在家庭环境下对电力负荷的监测、控制和管理中的应用摘要：本文提出了一种在家庭环境下对电力负荷进行监测、控制和管理的微型设备。这个想法的关键是使电子设计极其紧凑以便于在SCHUKO插座内安装这些微型设备。此外，这种电子SCHUKO插座（微型电子装置+ SCHUKO插座）具有利用现有的电源线与控制中心和其他微型器件进行通信的功能单元。这种装置通过使用现有的电源线可以被安装在新建建筑和老旧建筑中。该设备的主要用途是通过监测、控制和管理电力负荷，来进行节能和防止家庭环境中的不同种类的设备造成的触电事故。先进的智能装置是基于用模拟装置(ADE7753)制造的单相多功能电度表测量电能的消耗,然后使用一个串行接口传输数据。由莱姆传感器(FHS-40P / SP600)基于霍尔效应原理制造的一种超平面贴片开环集成电路电流传感器已经被用来给ADE7753提供当前的测量信息。此外,每个智能设备都具有根据LonWorks制造的pl - 3120智能收发机来执行用户程序,通过串行接口与ADE7753通信并通过电源线传输信息到中央单元。实验结果证明了使用先进的智能设备进行测量的精确性。关键词：智能设备；电效率；分布式控制1.简介建筑代表了一个具有重要战略意义的行业，为欧盟的许多经济部门提供建筑和基础设施上的依赖。该行业提供的构建资产占欧盟固定资本形成总额的49.6。在2007年，欧洲领先的市场倡议发起。六个市场被认为是这一举措的目标：电子医疗，防护纺织品，可持续建筑，回收，生物基产品和可再生能源。根据与欧盟，可持续建筑可以被定义为一个新的和可持续开发模式的解决方案。投资者，建筑业，专业服务，行业的供应商和其他有关各方面临实现可持续发展发展的挑战，还要考虑到环境，社会经济和文化的问题。这种新的模式包含了建筑设计、管理和建筑固定资产，它能够快速提高建筑能源效率，丰富材料的选择，提高建筑性能并加快城市经济的发展和管理的相互作用。建筑市场往往是分为住宅，非住宅和基础设施1。其中一个住宅的发展趋势市场报告“在欧洲加快可持续建筑市场的发展”介绍了共用信息和通信技术的楼宇管理系统，这将使居住者控制更多种类的功能，以具有更好的舒适性，节约能源，促进家电，设备和安全系统的远程监控。住宅业在欧洲是一个最大的能源用户。欧盟27国住宅领域的用电量在1999-2009年期间的增长率为18.49，从1999年的708.176亿千瓦时增长到2009年的839.111亿千瓦时，在2007-2009年期间增长了3.53（图1）。在欧盟27国的家庭中最耗电的是电加热系统（18.8），冷家电（15.3），照明（10.8）和水加热系统（8.6）（图2）2。日益增长的电力需求，是由许多不同的因素造成的，其中包括：传统设备（例如，洗碗机，滚筒干衣机，空调，个人电脑，dvd播放器，宽带设备，无线电话等），造成大量待机损耗。传统设备使用时间的增加：电视，计算机（某些远程工作趋势，造成越来越多地使用互联网），洗衣机，电热水器的时间更长。双重或三联家电数量多的增加，主要包括电视和冰箱。更多单家独户的房子，每个都需要一些基本的家电，以及更大的房屋和公寓。这将导致更多的照明，更多的加热和冷却系统，并且同样重要的原因还有老人要求更高的室内温度，在冬季全天采暖和夏季全天制冷，他们还花更多的时间待在家里。图1，家庭用电量。家庭耗电包括,所有使用电力的空间，电热水器和其他所有电器。来源欧盟统计局。住宅部门的电力消耗（来源：欧盟统计局）图2.2007年，欧盟27国的居民用电故障（数据来源欧洲委员会联合研究中心，环境与可持续发展研究所）2007年欧盟27国居民生活用电亿千瓦时信息和通信技术对电力消费方面正变得越来越重要，2007年，在住宅领域占比高达13（与2004年+2相比）。这是由于更多的技术渗透（即，计算机，机顶盒盒，调制解调器，外部电源），以及新技术在市场变换中很强的穿透力（即，数字电视，大屏幕LCD和等离子显示电视和宽带通信）。待机损耗在欧盟住宅领域占电力消耗的5.9，几乎等于电脑和洗碗机消耗的总和。这种消耗的减少是欧盟生态设计法规亟待解决的问题，这将是2020年实现节能的重要驱动力（来源欧洲委员会联合研究中心，环境与可持续发展研究所）。建筑节能目前正在向两个不同的方向发展：被动式住宅和智能住宅。前者指的是简单粗放的系统，通过整合现有高效的解决方案降低能耗。智能住宅则需要集成节能高科技解决方案的ICT平台。这两个方向呈现不同的创新的发展，但他们都着眼于提高建筑保温，室内气候控制系统，能量回收和楼宇自动化系统。楼宇自动化的目的是集成控制和建筑子系统的性能优化，如通风，加热，制冷，照明和电子设备。这种集成系统允许建筑物对内部或外部条件的需要和条件进行自动调节。这种对条件变化的响应是通过传感监测技术实现的。本文提出的装置可被视为一个来监测，控制和管理在家庭和建筑环境电力负荷的建筑物子系统。智能传感器一词最早是在20世纪80年代中期提出。智能传感器是由电气和电子工程师协会（IEEE）在IEEE 1451.2标准中定义的，它提供了超出必要的功能，用于生成感测或控制的正确表示数量。这一功能通常简化了传感器集成到网络环境中的应用。此外，智能传感器应根据3中给出的分类包括某些功能，如处理，通信和集成。当数字微控制器或信号处理器作为一个处理子系统存在的时候，智能传感器的概念将延伸到一个更高的水平。从实用的角度来看，多个这种子系统可能共享相同的封装，使各种类型的智能传感器均被包括。智能传感器是新兴的有大量应用领域的很有应用前景的技术，在电力系统4估计实时高分辨率频率；监测具有远程通讯功能的5实时电力消费；估计运动动力学，主要基于两个传感器对工业机器人的倾斜和振动参数进行联系：一个编码器和一个三轴加速度计6；测量植物蒸腾融合五主传感器（温度，叶片温度，空气相对湿度，植物相对湿度和环境光）7。本文提出的智能传感器装置具有电气负载驱动能力，可以根据用户的程序或由中央控制单元发出的命令打开/关闭。考虑到这种控制能力，该设备被定义为“智能设备”。从工作场所到家庭，不同类型的终端用户每天都要使用各种设备。想要获得有关这些设备更多的信息迫使技术出现显著变化8。作为进化的一部分，有效的绩效监测和这些设备的远程控制是目前许多商业和工业企业的主要利益。由于电子和通信网络的发展，获取信息的能力，甚至利用现有的线路在掌上控制装置也成为了广大市民以及专业人士的希望。本文提出用于监测、控制和家庭负荷管理的智能设备的设计和开发。本文的结构分为两部分：第一个详细描述智能电表和微处理器电表之间的通信，以及智能传感器和中央单元之间的通信；第二个显示实验结果是使用智能设备原型获取的。此外，该装置不仅可以用来在家里。用同样的方式它也可以在工业上非常有效（在一个特定的标准负荷进行开/关）甚至在需要一个更大的带宽的时候控制设备（控制理论的应用）9。2.系统概述该体系结构提供了建筑家居监控，基于现有的电力通信线路进行电力负荷控制和管理（没有新的电线需要）5。该系统可分为智能节点和中央单元。智能节点可以监测电流，电压和能量的实时参数，将电力负荷的实时数据传送到中央单元。中央单位将分析信息与用户提供的要求并采取措施，如关闭负载或给用户发送过载信息。以下将详细描述智能电表和微处理器电表之间的通信，以及智能传感器和中央单元之间的通信。2.1电能表高性能的半导体制造业大公司最近设计了一系列的更复杂功能更强大的集成电路，专门用于测量能量转移到一个负载连接到交流线。这些电路（能源监测）是由提供能源使用信息（活性，活性和明显的）的处理器混合而成（数字/模拟），然后使用可变频率的脉冲输出或标准串行协议来发送信息。大多数的电路有两个输入，一个是负载的电压，另一种是通过负载的电流。基本功能包括含有负载电压和负载电流以及它们乘积的数字信号，这样的结果与负载的功率成比例的10。在本文中，我们选择了ADE7753模拟设备。电能表有两个全差分电压输入通道。最大差分输入电压的输入端v1p/v1n和V2P/V2N为0.5V。然而，每个模拟输入通道（v1p / v1n和V2P / V2N）具有可编程增益放大器（PGA），并具有1，2，4，8个可能的增益选择和带有分别为0到2位5至7位的可16位写入的增益寄存器。然而，通过使用3位和4位的增益寄存器，模数转换器的最大输入电压可以设置为0.5V，0.25V或0.125V，11。在这种情况下，作者为模数转换器配置增益寄存器在每个通道设置最大输入电压0.5V。2.2电流测量四种最常见的电流测量传感器技术是低电阻的电流分流，电流互感器（CT），霍尔效应传感器和罗氏线圈。低电阻分流器提供良好的精度，以及较低的成本和简单的电流测量方法。在参考2提出了一个关于电流传感技术的新观点。齐格勒等人总结了两个表：（1） 不同的电流传感技术都具有七种性能（带宽宽，直流性能强，精度高，热漂移，绝缘性，功率等级和损耗）；（2）成本和常见的应用。所有四传感器技术与所选的电表IC兼容的（ADE7753）。设计要求是：（1） 电流测量技术应尽可能小；（2） ADE最大差分电压输入通道是0.5伏；（3）电流测量能力高达16A的罗氏线圈，结合数字积分器，形成具有成本竞争力的电流传感技术，可成为与四传感器技术之间的最佳选择，但其主要缺点是我们尺寸设计的解决方案要合适安装在一个Schuko插座中。考虑到成本电阻分流技术是一个不错的选择，但我们在实验室里测试它所产生的热量对这个应用程序来说实在太高了。CT可能是一个可行的选择，但它有饱和的问题。饱和问题的解决方法是使用镍铁高导磁率合金芯片的CT，但镍铁高导磁率合金芯片的CT需要为电流水平和温度的变化提供多个校准点。最后，作者决定跳过这个传感器技术。选定的传感器技术是霍尔效应传感器。LEM制造的fhs-40p/sp600和Allegro制造的ACS712这两个霍尔传感器在实验室进行测试。两个传感器的性能令人满意，但最后因为成本选中了LEM的解决方案。FHS40P / sp600是基于霍尔效应的原理制造的超平面开环电流传感器贴片集成电路。它测量电流产生的磁场并将其转换成输出电压。薄膜导体流动的电流在他周围产生磁通量（图3）。图3.使用FHS40P / sp600电流传感器测量电流的原则。2.3电流信号调理就像前面说的，fhs-40p / sp600输出电压的必须条件，是以ADE7753为供电电路。这样，由于ADE最大电压差动输入通道0.5V，电流传感器的直流分量应除去。直流分量可以使用基本的0Hz高通滤波器消除。这个解决方案的主要缺点是过滤器产生影响ADE7753准确性的延迟信号。因此，通过添加低通滤波器来抵消高通滤波器产生的信号延迟的影响。这两个滤波器的设计必须满足两个主要目标：（1） 消除直流分量；（2）取消两个滤波器产生的总延迟。考虑到这个要求，计算高通滤波器RC：C24 = 470 nF的，R28 = 220 K和1 = 1.76，计算低通滤波器RC：C38 = 100 nF，R38 = 1 K和2 =1.79（图4）图4. ADE7753和fhs-40p连接示意图2.4 电压测量因为ADE7753的输入电压通道的最大差分电压0.5 V，所以用电阻分压器将线电压下降到0.5V。线电压的衰减是由一个简单的电阻分压器来实现的，如图4所示。网络的拓扑结构是这样的，输入通道1和输入通道2之间的相匹配被保留。从图4中可以看到，这个网络的3 dB频率由R31=1K=33和C27NF确定。这是由于R33R35=225K=1K比R31大得多。2.5.分布式控制系统电力线已被选定作为一个物理传输媒体，是由于以下优点：安装的电力线作为通信信道；没有干扰其他开关设备（如在无线通信的情况下）；有可能把分布式智能模块放在每一个地方（在一个插座里）；不需要额外的电源（通常在总线电缆系统，有一个电源产生的直流电压被分布在整个网络中）。电力线通信的主要缺点是关于由家用电器或附近电气柜产生的电噪声。许多，但不是全部的家庭和楼宇自动化系统厂家的销售模块可以通过电力线通信。选择LonWorks pl-3120的主要原因是因为它采用了一种可以在在噪声源上提供良好的通信可靠性的双载频信号技术。具有双载波频率特征，应答式服务信息的最后两次重试是使用副载波频率发送。因此，当应答式服务在宽带中是用三次重试（共四试），第一个尝试使用86 kHz的载波频率发送。如果最后两次尝试需要完成通信，他们使用75千赫副载波频率发送（接收）。同样，C波段操作的初段和中段使用的频率分别是132千赫和115千赫。如果pl-3120能够同时使用的这两个载波频率，最小的两个重试必须使用。在我们开发的系统的核心是LonWorks pl-312013。pl-3120智能收发器将神经元芯片与ANSI/eia-709.2兼容的电力线收发器集成到单片集成电路（IC）内，不需要外部收发器。神经元处理器核心由三个处理器。这些处理器被分配以下功能：（1）处理器1的MAC层处理器处理的7层LonTalk协议栈的1层和2层；（2）处理器2是执行LonTalk协议栈3到6的层的网络处理器；（3）处理器3应用处理器。它执行由用户编写的代码和操作系统服务调用的用户代码。应用程序的主要编程语言是Neuron C，它是由ANSI C语言衍生出的为Lonworks分布式控制应用进行的优化提高。pl-3120提供12个I/O引脚可配置在一个或38个预定义的标准输入/输出操作模式。结合广泛的I/O模型与两板载定时器/计数器，使PL 3120接口与应用电路使用最少的外部逻辑或软件开发。pl-3120还具有一个全双工的支持高达115 kbps的波特率UART硬件和操作高达625 kbps的SPI接口。在此应用中，已配置8个I/O引脚（从I/O 2到I/O 10）与ADE7753交换信息。串行外设接口（SPI）被选择在PL-3120（构成为SPI总线中的主机）和ADE7753（配置为SPI总线中的从机）之间进行通信。总之，所选择的PL-3120的配置方式是Neurowire主模式中，管脚IO8是时钟（由PL-3120驱动），引脚IO9是输出（串行数据输出）和IO10是输入（串行数据输入），正如图4。，PL-3120的引脚IO7已经被配置作为选择引脚，提供ADE7753的串行通信模式。其他引脚已被配置为：（1） 引脚2被配置为数字输出复位ADE7753；（2）如果在ADE7753中先前编程中断请求，引脚IO3被定义为数字输入控制；（3）引脚IO4配置为数字输入；它是连接到ADE7753的系统全局区输出来显示ADE7753的电源输入；（4）引脚IO5配置为数字输入来监视过零检测（我们不直接使用这个信号，因为我们可以通过检测ADE7753中断状态寄存器来进行过零检测）；（5）引脚IO6配置为数字输入，它连接到ADE7753的CF输出实现校准目的；（6）引脚IO11已配置为数字输出控制继电器（负荷开关）。pl-3120和ADE7753连接的示意图如图5。图5.pl-3120和ADE7753连接示意图在通信模式下，ADE7753等待向通信寄存器进行写操作。向通信寄存器写数据指示下一个串行数据通信操作是读还是写操作并指示访问哪个寄存器。总之，ADE7753通信寄存器是一个字节的长度：第7位决定下一个数据传输操作是读或写操作，第6位被保留，第位5到0位被用来存储将被访问的ADE7753寄存器的地址。在本设计中，Neuron C编程语言使用IO in()和IO out()功能配置pl-3120为neurowire主模式14。Neuron C是一种基于ANSI C专为神经元芯片和智能收发器（pl-3120）的编程语言。自从pl-3120被用来在设备和中央单元之间传输数据，电力负荷控制和管理的监控智能设备可以被看作是一个LonWorks设备。为此，监控IRMS，有效值，瞬时功率，有功功率，有功功率，有功电能，反应活化能，频率和控制电负载的连接的网络变量被定义在运行在各个智能设备上的程序中。3.实验结果为了评估电子样机性能，建立具有不同的典型负载来测试该系统（图6）。为了控制和监控智能装置，中央计算机被用来记住它将在不久的将来，通过一个基于人机界面的单片机中央控制单元更换（HMI）系统（触摸技术图形液晶显示）。测试的智能设备功能的应用程序读取下列数据：I，V和有功，无功和视在功率和控制用于开关负载的继电器（表1）。图6 智能设备的测试设置表1 测量分析负载类型ADE7753电流寄存器ADE7753测量真实值空载0x0000435104A0 A负载10x09697F4.465A4.464.47 A负载20x0AD18A5.132A5.135.14 A负载1和20x140F849.516A9.529.53 A实验测量的装置的测量精度是使用有两个已知的功耗的负载（负载为带有两个热量设置的油散热器）（表1）和横河cw120功率表进行的。实际测量的电流大概与开发的智能设备获得的测量结果相同。此外，有功和视在功率已经与发达国家的设备和能量分析仪的测量结果进行比较，计算测量误差（表2）。ADE7753通过不断存储在内部不可读49位能量寄存器11达到有功功率信号的整合。有功能量寄存器（aenergy 23：0）代表上24位内部寄存器。这个离散时间累积或总和是与连续时间和离散时间积分等效的（T），ADE7753累加寄存器采样周期为1.1微秒（4/是CLKIN，CLKIN在为ADE7753电逻辑输入提供时钟源的，推荐的时钟频率为3.579545兆赫）。能耗和从aenergy中读取的数值之间的关系可以从给定负载随着时间的积累的有功功率来确定：积累的时间由周期决定，被ADE7753的周期寄存器（期）计量，并积累的半行周期数，固定在linecyc寄存器。ADE7753使用与有功功率相同的方式实现了视在功率信号的整合，就像以上说的信号。视在功率寄存器（vaenergy 23：0）代表以上24位内部寄存器。累积量与从Vaenergy中读取的数量之间的的关系由给定负载的有功功率随时间的累积量决定。由于表观功率和有功功率没有相同的标准，因此不能直接比较表2 能量的计量计量有功电能表观电能寄存器ADE77530xCFF790xB04C测量ADE775340.50Wh40.49V Ah实时测量40.42Wh40.42V Ah出错率（%）0.20%0.16%4. 结论在本文提出了一个具有成本优势的监测、控制和管理电力负荷的智能装置。其主要特点是：（1）紧凑的设计，它可以被安装在一个Schuko插座中；（2）通过现有的电力线通信（不需要新的线）；（3）电能计量芯片和控制负载的继电器（开/关）。装置的主要应用是在家庭环境中节约电能和防止各种电气设备产生的事故（如铁）。发展智能控制算法来节约能源和防止事故的发生是作者的下一部作品。由于耦合电路元件尺寸，设计的智能传感器被分为两印刷电路板（PCB）。在一个Schuko插座安装智能设备，智能设备必须为了连接电源失去一个端口，耦合电路板还需要其他三或四个端口。图7显示了印刷电路板和功能模块在一个Schuko插座典型安装方式。致谢这篇文章中的一部分受到欧洲委员会和（fp7-echord玛特实验），西班牙政府通过项目和pri-aibde dpi2011-29660-c04-042011-1219的支持。参考文献和注释1.欧洲委员会。促进可持续的建筑市场在欧洲领先的市场的发展。可在线：http:/ec.europa.eu/企业/政策/创新/政策/ leadmarketinitiative /文件/建设小组报告恩。pdf（21 2011十一月访问）。2.Bertoldi，P.；atanasiu，欧盟B.电耗和效率的发展趋势状态报告2009；欧洲委员会联合研究中心，环境研究所可持续发展，可再生能源的单位：布鲁塞尔，比利时，2009。3.里维拉，J.；埃雷拉，G.；CHACN，M；Acosta，P.；卡里略，M.改良多项式自我调整和优化算法的智能传感器的响应。传感器2008，11，7427 7410。4.格拉纳多斯利伯曼，博士；罗梅罗特朗，R.J.；阴谋耶佩斯，E.；奥索尼奥里奥斯，R.A.；嘉斯卡洛杉矶佛朗哥，实时智能传感器在电力高分辨率频率估计系统。传感器2009，11，74127429。5.林，Z，T；郑，J.；纪，美国纽约；赵，B. H.；曲，Y - G；黄，X - D；江，X - F emmnet：电表监测传感器网络。传感器2010，10，63076323。6.罗德里格兹捐，莫拉莱斯贝拉斯克斯，L. C.；奥索