基于功率计量芯片的远程智能电源管理系统研究

孙玥 王迪

摘   要：针对学校实验室等多用电设备场合以及用电集中管理、降低能耗和用电安全等问题，文章研究了一种基于功率计量芯片的远程智能电源管理系统。该系统由智能电源终端和后台监控系统组成，可自动判定用电设备是否处于待机状态，并根据场景通过电源终端设备对用电设备进行管理。应用表明，该系统具有自动感应和动态调节的特点，适用于多用电设备的实验室、机房等场所，不仅节约电能，还可以集中管理用电设备，预防安全事故发生。

关键词：HLW8012;智能电源终端;功率测量;电源集中控制

随着物联网技术的不断发展，智能控制系统不断走入人们的现实生活。对于教学活动而言，实验室是一个承担着重要教学任务的场所。但很多高校的实验室对于电源的管理依然停留在传统的人工管理阶段，存在很多诸如楼宇管理员电源开关不及时而导致影响教学正常进行和电能浪费等现象。因此，本文以某高校的实验大楼为例，设计了一套实验室电源集控系统，以解决实验室在使用过程中由于电源的原因所出现的一系列问题[1-3]。

1    系统的整体设计

整个远程智能电源管理系统由智能电源管理终端和后台服务器组成，需要实现以下内容。

（1）智能电源管理终端通过TCP/IP协议接收服务器的控制指令，对实验室的电器电源进行通断控制。

（2）服务器端监控软件拥有各实验室电源状况的监视功能，并能根据管理员的操作通过TCP/IP协议发送应相对的控制代码至智能电源管理终端。

（3）定时发送状态请求命令，让智能电源管理终端定期反馈各实验室电源的实时状况。

（4）服务器端监控软件拥有设置实验室电源自动开启时间功能。

基于上述需要实现的功能，系统在设计时总共包含两大模块：服务器监控软件模块与智能电源管理终端。其中，服务器监控软件模块主要以阿里云服务器为载体，通过网页客户端实现对智能电源管理终端的监视与控制。而智能电源管理终端则是采用ARM单片机为核心的实验室电源控制系统，主要作用是接收服务器下发的控制信号，处理后对连接在其上的各实验室电源进行控制，并实时将各实验室的电源状态信息反馈给服务器。服务器监控软件模块和智能电源管理终端采用无线连接，两者之间采用TCP/IP通信协议[4-6]，系统具体框架如图1所示，系统整体拓扑框架如图2所示。

2    智能电源管理终端的设计与实现

本文采用HLW8012計量芯片，该芯片为SOP8封装，其振荡器内置处理，以方便设计者的PCB布板。该芯片在提供电流、电压有效值输出的同时，还提供一个输出为高频的有功功率信号，方便系统对电量的统计[7-9]，其原理框如图3所示。

2.1  电流采样设计

电流采样可以采用两种实现方式：使用互感器和使用分流器。本文采用的是分流器的实现方式，主要是基于以下两点考虑：（1）锰铜分流器的成本比互感器低;（2）分流器的线性度比互感器更优。如图4所示，电流经过分流器后，会在计量芯片的采样端形成一个电压差值，芯片通过采集电压差值的大小来实现对电流信号的采样。

分流器选型时，对于锰铜分流器阻值的选择需要符合以下原则。

（1）分流器的功率要足够大，发热情况需符合技术要求。当负载功率较大时，流经分流器的电流较大，此时需保证分流器不会被烧坏，且阻值不应发生较大的偏差。

（2）分流器在最大负载时所产生的采样信号不应超过计量芯片允许输入的最大值。例如分流器的阻值为2 mΩ，理论上允许通过的电流最大值为30.9 mV/2 mΩ=15.45 A。在实际的应用过程中一般要留有20%～30%的余量，因此，允许最大的输入电流值为10.3 A[10-11]。

2.2  电压采样设计

电压采样则相对简单许多，一般采集零线上的信号。由于电压信号较大，可直接通过电阻网络降压的方式实现对电压信号的采样，原则上电压采样的信号不应超过通道最大允许输入值的1/2。HLW8012电压通道的最大允许输入电压信号为470 mV，那么在设计时电压通道的最大采样信号值应设为230 mV左右，如图5所示。

3    服务器监控软件的设计与实现

本文的智能电源管理系统基于网络化设计，是实验室电源管理高效运作的重要支撑。根据实验室管理的特点，关注实践过程中所涉及的学生、教师等人员的实际需求进行系统主体架构设计，如图6所示。

其中，服务器网站架构由学生用户、教师用户、管理员3个模块组成。学生用户可预约实验室区域、查看记录。教师用户除了正常课表录入的教学时间外，也可对课程进行预约、查看记录。管理员对学生预约申请进行审核，并提前为必要的实验设备供电，对实验室区域进行监管，并对使用情况进行统计分析[12-15]。

4    结语

本系统可以实时控制实验区域中各个教室的空调与电灯的电源，可以及时了解实验室区域情况并进行相应的处理。在常规实验室管理工作中，本系统也可以节省管理员的时间，实现电源自动定时开关，有效避免电能过度浪费、电源漏关或漏开情况的出现。本系统具有自动化和智能化的特点，具有一定的实际应用价值。

[参考文献]

[1]曲霏，伏冬红，刘丹，等.基于ARM技术的电能采集终端设计[J].制造业自动化，2019（2）：146-148，156.

[2]刘莉娜，郑良广，陈高辉.FPGA的多处理器系统复杂电源管理研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2019（2）：15-19.

[3]普利斯曼，比得斯.开关电源设计[M].3版.北京：电子工业出版社，2010.

[4]卜爱国，李杰，王超.嵌入式系统动态电源管理技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（10）：16-19.

[5]姜孟宇，贾存良，刘庆豪.基于ARM的改进型井下智能馈电开关保护器设计[J].煤炭技术，2016（10）：260-263.

[6]郄君，韩晓倩，李颜鑫.基于ARM的远程电能质量监测系统的研究与设计[J].电源技术，2016（8）：1703-1705.

[7]陈水明，严华江，冷学道，等.基于ARM技术和电动自动压接的三相电能表检验装置设计[J].电测与仪表，2016（4）：79-83.

[8]杨韬.基于嵌入式系统的智能电表研究与设计[D].合肥：安徽理工大学，2013.

[9]劉建戈.电能表RS-485多系统通信方式分析与应用[J].电测与仪表，2009（12）：99-101.

[10]陈志宏，刘明军，黄成军，等.基于嵌入式系统的变电站无线监测系统设计[J].电气自动化，2014（5）：20-23.

[11]杨国宇，杨泽清，彭巧环，等.电能信息采集系统集中器硬件设计[J].电力系统自动化，2010（9）：106-108.

[12]赖振学.电能计量与高压变比测试[M].北京：中国电力出版社，2012.

[13]吕鹏.基于嵌入式的电能计量系统研究[D].保定：华北电力大学，2013.

[14]VICINI R，MICHELOUD O，KUMAR H，et al.Transformer and home energy management systems to lessen electrical vehicle impact on the grid[J].Generation，Transmission&Distribution，2012（12）：1202-1208.

[15]KU T T，CHEN C S，LIN C H，et al.Design of an intelligent transformer management system[C].Beijing：Transmission & Distribution Conference and Exposition，2014.

Abstract：Aiming at the problems of centralized management of power consumption， energy consumption reduction and power safety in school laboratories and other situation， in this paper， a remote intelligent power management system based on power metering chip is researched. The system consists of intelligent power terminal and background monitoring system. The system can automatically determine whether the electrical equipment is in standby state， and manage the electrical equipment through the power terminal equipment according to the scene. The application shows that the system has the characteristics of automatic induction and dynamic regulation. It is suitable for laboratories， computer rooms and other places where plenty of power consumption equipment is used. It not only saves electric energy， but also centralizes the management of power equipment， and prevents safety accidents.

Key words：HLW8012; intelligent power terminal; power measurement; power centralized control