办公室中的智能插座网络以及运行能源管理的可视化服务器

办公室中的智能插座网络以及运行能源管理的可视化服务器

摘要：这篇研究介绍了一个在大型办公室中减少能源消耗的电力可视化系统。一

个小的，简单的智能插座在每个电源插口上设置了一个非接触式的电流感应器用

于实际应用。电力可视化服务器用于从每个插口获取数据，并且能够检测到浪费

的电力。目前这个系统已经在室内办公室中通过93个人，372个插口进行了试

用服务。这大约能节约15%的能源。

1.介绍

最近，国际范围内日益增长的环境意识导致了更多的目光转向了C02减排。

在我们国家，由于应用了节能技术，在工业方面上的能耗并没有增加。但从另一

个角度上来说，和1990年相比，在办公室和家中消耗的能源超过了40%,这就

有了能源管理的需求。在日本提出的，修改版的有关于合理使用能源的法律在

2010年4月被强制实施，能源管理和减排目标的责任被放到到了商业领域，像

是那些有2个以上办公室的中型企业。之前，这项法律只适用于10%的工厂和

办公司，在2010年4月之后，这将应用于50%的工厂和办公司。这个用于办公

室环境的能源保存方法很重要。

之前小型系统的报告是为了那些最多拥有10个家用电器的家庭和小型办公

室的。一项研究演示一个方法适合用于家庭。在这个方法下，一个无线路由器将

获取那些连接到电力管理测量系统的插座接口的电器的能耗数据。服务器通过端

对端的方式将信息传输给服务器。另一项研究显示了通过ZigBee无线控制来收

集控制电力数据的家用系统。一篇研究显示了一种智能插头的家用研究系统，它

通过因特网能在电脑上的浏览器上监视，另一篇研究又描述了一种使用PLC界

面的家庭服务器。为了减少家用电器的待机时间，拥有红外线接收器和学习功能

的插座正在视线当中。它们可以借用红外遥控来减少家用电器的待机电流。智能

插座用红外线感应器来检测使用者位置，用光感应器，在感应器数据的帮助下有

效打开和关闭电器。

在电插座中，空调，灯光及其联接大约消耗了办公室中三分之一的电量。这

些量都是通过建筑维修系统检测到的。所以实际上它检测了很多人的电力消耗。

然而分所周知的是，给个产业都有其独特使用的能源以及其特有的废气能源。

这里有能够导致能源节约的机械结构。到了这一步，一种为大型办公室设计的，

能够展示能源消耗，简化能源检测过程，并且能够减少能源耗的消耗的系统正在

发展中。

正如图1中显示的系统路线。一个小的，简单的并且智能的智能插座在每一

个插口中有一个电力监测感应器。它的特征还包括了连接两个或更多智能插座的

接口。在服务器上的系统软件从接口处收集电力消耗数据，整合了动作数据以及

能源消耗数据，并使他们可视化。在办公室中使用服务的大纲和实施结果将会被

提到。

这篇文章这样组织：第二节讲述智能插座，第三节描述可视化服务器，第四

节描述试用服务。

Cloud

Visualizationserver

Schedule

serverVisualizeprocessor

<7-'=.…

—……-Actandpowercombiner

Sensordatacollector

GateWav

Fig.1.Outlineofthesystem

2.智能插座

作为一个能够检测接连电器电力功率的检测模块范例，由分流电阻，特殊集

成电路模块以及使用IEEE802.15的无线通信系统单元被提出。电流传感器用

与分流电阻，AC电力连接的信号处理电路。如果由于雷电，会导致AC端加几

千伏，这样的一个电压激增会使信号处理电路被破坏。

装置在实际情况中的安全要有一个很高的优先级。因此，为了保护信号处理

系统从100VAC线上激增，当检测电流的时候，信号检测系统和AC电路分开

来。独立的电流感应器在最近的一些研究中已经被研制出来。它们有很高的精度，

但是很难被置入建筑。

其他对智能插座的要求是紧凑度和便于批量生产用于办公室。对于每个人工

作区域并不是很宽广，在中型和大型办公室充斥着各种智能设备。

一种可行的插座测量节点发展成为了一种能够测量每个办公室插座电量的

方法。图2展示智能插座的电路框图。它能够提供四个接口，连接到电脑、展示、

移动电话充电器，以及为每个人预留的一个位置。每一个插口装了一个电流感应

器。

作为一个无线连接的电流感应器。它和铁酸盐的组合，电流在这之中产生了

磁流，产生的磁场最终被转化成电压。这样的方式很受欢迎，因为它很容易将智

能插座电极的结构合并起来。图3展示了插座内电极以及电流感应器的情况。

PCB

Fig.2.Circuitblockdiagramofsmartpowerstrip

Fig.3.Embeddedcurrentsensors

目标测到的最大电流是15A,精度是10mAo15A是一般办公室通常情况下

的最大电流。为了检测在睡眠模式电器的电流，10mA的精度是必须的。为仿真

系统建立在图3中使用了4个插口的电极上。即使有一个20A的电流流过交汇

的插口，干扰也应当小于10mA。仿真用于优化设计参数。铁磁芯的间隔和方向

也被优化了，还有外部维度，比如宽度、厚度，以及缝宽等，这些需要嵌入霍尔

元件的地方都被优化了。

图4展示了磁场强度在窄缝部分被优化过后的仿真结果。窄缝中较低的边缘

被一个流向交接借口的电流影响着。产生了200A/m的磁场强度。如果它被设置

为霍尔元件的感应电，串扰电流变为200mA或更多，取得了1/1000的敏感度。

另一个角度来说，磁场强度小雨10A/m,串扰电流小于10mA

而且，感应点的周围区域被持续的磁场强度包围。在磁铁芯和霍尔元件的地

方不需要很高的精确定位。这显示了电流感应器能够批量生产。

系统在检测小于15A,精度为10mA的电流时，其表现和磁铁芯的磁导率

的变化和霍尔元件的磁灵敏度的平衡有关。

磁铁芯材料的选择要看它的磁导率和居里温度。高的居里温度是必要的。它

能保证对高功率电器精确的电流测量。如果智能插座的温度超过了居里温度，电

流测量数据会随着磁导率的降低而降低。表格1展示了磁铁芯的材料特性。

霍尔元件使用置入在内的输出放大器，并且可以直接连接到AD转换器上。

表2展示了霍尔元件的磁性和电性。

20A20A20A20A

H[A/R]

2.1000e*0O2

1.9750e*002

1.8500e*002Sensingpoint

1.7250e*0O2

1.6000e+00Z

1.4750e*002

1.3500e*002

1.2250e*002

1.1000e*002

9.75O0e>001

8.50006*001

7.25006*001Readoutofsensingpoint<10A/m

6.0O00e>001sensorsensitivity=1m/1000

4.75006*001Crosstalk<10mA

3.5000e*001

2.2500e*001

■1.0000e*001

Fig4.Simulationresultofmagneticfieldstrengthintheslitsectionofthe

ferriteafteroptimization.

Table1Ferritespec.

ItemTYP

MagneticPermeability600

CurieTemperature>200(℃)

Table2Hallelementspec.

ItemTYP.

SupplyVoltage5(V)

OffsetVoltageoftheoutput2.5(V)

MagneticSensitivity(B=25mT)65mV/mT

OutputBandwidth(10%decreasedfrequency)100(kHz)

ResponseTime(90%arrival)3ps

100V的AC输入电流和输出数据特性在图5中有所显示。输入电流和输出

数据的关系在0.1A到20A得范围内程线性在10mA到0.1A有一点曲线。10mA

的精度也被证实了。在-5℃、25℃和55摄氏度下输入电流和输出数据的测量变

化很小。本着谨慎的态度来研制智能插座，持续的测量将在不同环境温度下持续

进行。

100

)<

E

B

P

弓

号

0

Fig.5.Measurementresultshowinginputcurrentvs.outputdata

有一些东西经常用于办公室比如PCLCD屏幕和手机。那些建立在AC/DC

电源供电模块的东西有一个持续的效率，大约为0.7o而且，AC电压对于办公

使用的电器来说是不变的。这意味着电力消耗能通过测到的电流，不变的功率效

率和不变的电压来计算得到。为了减少构建系统的时间，智能插座并不是在AC

电压传感器上安装的。电功率用100V的电压来计算，这是在日本的标准。

图2中的相合器用于检测AC电流的周期T,微控制器固件程序和AC电压

波形同步的发生。在图2中的温度传感器检测智能插座内的温度，如果温度超出

预期范围，则发送警告信息。

智能插口的每一个口都装有功率控制。办公室中最多的电器是电脑，只能通

过系统软件开关按钮来开关。每一个空的功率控制对于应用于办公室的智能插座

没有什么用。在图2中展示的，功率控制的安装并不能使智能插座变得更小更简

单。

智能插座能够容纳USB作为一个外接口。无线接口，比如ZigBee或者是

电力通信，比如PLC可能被认为要好于USBo很多用用装在办公室的一个很小

区域。无线系统数据会随着碰撞错误的增加而减少。USB提供电力，并且USB

电器不需要AC转换器，这对于ZigBee或PLC来说都需要。USB给了智能插

座更好的设计。因此USB成为了智能插座的选择。

由于简单的设计，相比较于之间的工作，智能插座的电力消耗已经较之前小

了很多。三个接口5W,两个接口1W,一个接口0.45W。测量到的智能插座的

每个插孔功耗为0.13W,如果上百个这样的智能插座在办公室被普及，你能够

知道它带来的与众不同。智能插座的示意图在图6中显示，相关细节在表3中。

关于嵌入式的电流传感器在图7中显示。

智能插座连接到网络。这个电门口用于使整个系统的消耗为最小化，减少了

系统运行需要的IP地址。这个电门口可以连接到其他4个智能插座，具体的细

节在表格4中有显不°

Fig.6.Smartpowerstrip

Fig.7.Photographofembeddedcurrentsensorsinthesmartpowerstrip

Table3Thesmartpowerstripspec

ItemTYP.

SupplyVoltage(USBbuspower)5(V)

SupplyCurrent0.1(A)

MaxCurrent15(A)

Currentresolution10(mA)

ACVoltage100(V)

ACCycle50,60(Hz)

InterfaceUSB

3.可视化服务器

图1展示了整个系统的表格。智能插座通过该接口穿过英特网连接到可视化

服务器。可视化服务器分析收集电力信息并产生每一个用户接口的能源消耗信息。

它整合功率消耗信息和用户动作时间表，并检测到浪费的电力。可视化服务器提

供了在单元内每一个接口消耗总能源的信息，无论是用于工程上的还是私人使用

的。可视化服务器还展示了每个电器的能源消耗，这在图8中有所显示，对那些

用户特别关照的用电器还有特别说明。红色的四方形显示了电风扇的能源消耗等

级距离目标等级还有很远。

除此之外，可视化服务器检测了当用户不在时的能耗比如去参加会议等等。

它设在了时间表里，浪费电力时会提醒用户。在图9中，黄色的三角形警示标记

意味着当主人去开会时，桌上的电器正在浪费能源。可视化服务包含了这样一种

激励，那就是增加给人们激励作用，让人们行动起来，以减少能源消耗。

ivisualizerportalmypagecoopeclinicDt

MessagelogX④CooperationofwholookslikeSchedule

Mr.T.YThevtandvdebepMttia.onthedbptay.

totoonenWrute.

Mr.T.Yc«rUintaskm*nac»montbMt

•*Displayexowd^dtheWt

*flMI♦

1••Display•xowdedtheMt

DhphymwdedtUfcnit

Fig.8.Viewdesignedtomotivatetheusertoconservepower

visualizercooperationmypagecoopeclinic

Layoutc

、Schedulecooperation

MrTYIMJIMMM

Ms.MYMeeting.O

Ms.YH

[Todo

Mr.TU

TwJvI

MB.YH#1。01UItH

Mr.YF

Meetinc.O

Fig.9.Viewdesignedtowarnunnecessaryenergyconsumption

4.试用服务

可视化服务器的系统试运行在一个公司内从2010年5月开始了。在这次使

用当中，每一个人分配到了一个智能插座。总共有93个人和273个插口。测量

的各种电器在表5中有所展示，并进行了分类。一些常见的电器，像是打印机，

没有在这次试验中。台式机和LCD屏幕通过CPU连接到插口，LCD的数量比

台式机的数量要少。在使用当中，可视化服务器在接口处收集电力信息并且每秒

都在产生内部数据。他产生图像，且每5分钟更新一次。表5同样展示了每个

电器在一天中的总电力消耗。可以显现的是，大舒分电力消耗都是来自于个人电

脑，PHS消耗了几乎0的功率，虽然它数目最多。

93个人每天的平均功率消耗列在图10里。在5月，当服务器开始运行的时

候，整个系统在安装时并没有提醒每个人关于功耗的信息。从6月份开始，每个

人消耗的电力将通过可视化服务器告知大家。从5月到6月，整个功耗降低了

15%,这之后一直维持在这个水平。报告显示，PC和LCD在使用开始阶段能

耗下降，之后维持不变。

在使用过程中，可视化服务器每一秒都在收集插口的电力信息，并产生内部

数据。它展示了图像并每五分钟更新一次。

Table5Numberofmeasuredappliancesandtotalpowerconsumptionina

day

NkWh

PHS870

desktopPC8547.9

LCD111.85

mobilephone90.03

notePC81.5

unusedoutlet1720

总之，很难评估是否能源管理活动会导致能耗的减少。这个改进的系统能够

在每一个接口每一秒检测能源消耗，一个电力随着一天变化的能源管理模式就这

样展示了出来。

图11展示了一个表格，展示了某个特定用户在五月的某一天的电脑能源消

耗。

改变之后，6月某一一天某用户的PC电力消耗情况在图12中。图11中凹

的部分到了0，被垂直的箭头指出。而且，一个暂E寸的下降，被对角线箭头指出，

能在价值掉到0之前被观察到。假定在6月份时，PC关闭时和LCD设置一样，

那5月只有LCD就改了设置。用户在6月份减少了18%的能源消耗。

SO

(

q

A70

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)

J

o

M

o

d

mayjunjulyaugsepoct

Fig.10.Decreaseintheaveragetotaldailypowerconsumption

Fig.10.Decreaseintheaveragetotaldailypowerconsumption

(

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Fig.11.PCpowerconsumptionchangeinadaybeforesetting

用

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