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电器节能控制算法的研究

2015-09-02 13:58:30来源:论文网浏览:评论:0

  通常情况下,用户对工作或生活场所的各个电器的使用是有规律的,为了减少系统时间参数设置的复杂性,可以通过预测的电器的工作方式来代替用户的自行时间参数设置,达到节能的控制的目的,同时通过电器的超前控制又为人们提供了更为理想便捷的使用方式。

  根据国家发改委公布的消息,2007年我国单位GDP能耗下降情况继续趋好,同比下降3%左右。 2008年,我国节能形势仍然严峻,国家将采取强化节能目标责任制、继续着力淘汰落后生产能力、抓好重点企业节能和重点工程建设等措施继续推进节能工作。电器节能是节能工作的重要组成部分。

  一、问题的提出

  节能控制领域的研究在我国目前处于起步阶段。目前我国电器节能的研发趋势之一就是降低产品的制造和使用成本,设计节能的工作或生活场所控制系统是现代节能领域的重要研究方向。据统计,工作或生活场所的用电器在无人、待机的状态下长期浪费的电能占的能耗平均多达总能耗的30%以上。为了有效的解决这个问题,就需要设计一套集中控制管理工作或生活场所能量与电器配备相应的节能控制算法的分布式控制系统。

  二、时间序列的基本思想与基于时间序列理论的电器使用时间预测

  1.时间序列理论

  由式(2-2)和式(2-7)可以看出,时间序列都是由一部分规律性的和一部分不相关的组成。

  2.基于时间序列理论的电器使用时间预测

  传统的时间序列分析主要是应用在电力系统的负荷预测,其原理就是利用过去的和现在的电力网的负荷来预测将来的电力网的负荷,通过预测进行电网的输电调度,保证满足电网上的各个用电部门能够正常的工作。除此外,还可以通过长期的负荷预测,决定电网的建设和水电、火电的规划。同时,用户对工作或生活中常用的电器的使用也是有一定的规律,可以通过对过去的使用情况进行处理从而预测将来的用户的使用规律进行相应的无人的自动控制,这样既可以提高用户对自己常用电器的使用质量,使生活工作更加舒适又可以起到节约能源的作用。

  时间序列预测的特点是一个连续时间序列往往存在规律性和偶然性,偶然性存在的情况下,仍然能够比较好的预测到将来的观测值。电网的负荷化就是这样的,它是由用电部门的稳定地用电规律和偶性的随机用电尖峰。而用电器的使用规律也是这样的,一方面用户在某个电的使用上是有规律的,另一方面用户也会因为偶然的突发事件改变自己以往使用规律,即随机事件的发生。

  因此采用时间序列法来预测用户对电器的使用规律是可行的。本研究就是采用这种时间序列的方法进行电器使用时刻的预测。

  3.二阶自回归模型预测过程介绍

  4.二阶自回归模型预测的软件流程图设计

  从上述推导过程可以得到二阶自回归模型预测的流程,即先利用历史观测数据通过式(4-5)计算出,然后再利用Y-W方程的导出式(4-4)计算出,这样便可以构建出二阶自回归的预测模型,最后便是利用这个二阶模型来计算下一个数据的预测值。其预测控制流程图见下图所示:

  5.时间序列预测的仿真分析

  为了证实时间序列预测算法的可用性,本研究还进行了仿真分析。本研究采用的仿真软件为MATLAB仿真软件,由于MATLAB软件中的SIMULINK提供了常用的仿真块,因此只需要进行简单的参数设定便可以进行仿真分析。具体的阶次和数据长度如下图。

  三、节能控制器的设计

  1.节点控制器的控制策略

  (1)是实验数据的分离,即将采集到的时间点数据分类存储处理。由于大多数的电器使用者的使用规律大体可以分为两类:工作日和休息日。一般来说,使用者在工作日和休息日的作息习惯是不同的,所以分成两类可以更好的进行用户使用习惯的辨识。

  (2)要对数据进行预处理,即分离一些偶然性太大、基本没有规律性的纯随机数据。这些事件的发生往往会影响用户当天的使用习惯。同时还要实现无人的节点控制。通过检测可以了解到用户有时已经离开了,但许多电器都还处于使用状态,这样就需要通过一段时间的等待,确定用户不是偶然的外出,就可以通过自动的节点控制程序关闭大部分可以关闭的电器,从而达到节约能源的目的。

  (3)还要尊重用户的当前修改,当用户的习惯改变或临时的偶然操作时,要以手动的操作为主,并重新进行改变数据,进行下一次的预测。

  (4)就是协调节点控制器的各个功能。由于工作或生活场所控制节点的功能比较复杂,由采样、顶测控制、继电器开关控制、电力线传输控制等级分组成,所以需要协调好这几部分的功能。本论文采用中断控制的方式,即控制器平时处于等待状态,当需要它进行预测控制时,调用预测控制的子程序,当需要进行电力线通信时,调用通信子程序。

  2.节点控制器的软件设计

  为实现如前面所述的控制策略,需要设计以下几部分程序:

  (1)主程序的设计

  (2)采样子程序的设计

  (3)时间序列预测子程序设计

  (4)节点执行子程序设计

  (5)间接执行子程序设计

  ①主程序设计

  主程序是整个软件执行系统的主干,除了为各个功能模块的有效执行创造外部环境外,还要进行一些相应的设置和一些硬件的初始化工作。

  本论文的主程序的流程图如图3所示。

  ②采样子程序设计

  采集电器的开关时刻的方式为中断的方式,当检测到开关的变化后,读取此时的时间值,并进行初步的处理判断,如不是偶然动作,则可以存入历史数据中,作为预测的根据。其工作流程如图4所示。

  ③预测子程序设计

  预测子程序采用时间序列的预测方法,由于每一次预测计算都是希望利用尽可能多的历史数据而且希望每一次的数据都是新的信息,所以在每一次进行预测计算前,需要先进行数据的替换,即用新的数据代替旧的数据。并且需要用预测的时间保存,作为继电器动作的时间。其具体的外围计算流程如图5所示。

  ④节点执行子程序设计

  节点执行子程序是指没有通过通信等的间接控制,而是作为控制系统中的一个孤立的节点自行进行的控制。这种情况下有两种情况:(1)用户的手动操作;(2)节点的自动操作。因此具体的程序流程也应该是这两种方式,但由于应该以手动控制为主,因此这里的操作存在一个优先级的问题,即以手动的操作为主,自动的操作作为手动操作的备用策略。其具体的程序流程如图6所示。

  ⑤间接执行子程序设计

  作为间接执行子程序一般分两种:一种是通过电力线的通信,由工作或生活场所内的一个节点向另一个节点发出的执行命令;另一种是通过电一话远程的监控模块实现的较复杂的执行命令,即先通过远程监控模块将控制命令传入工作或生活场所的控制网络内,再将控制命令下达到具体的一个节点控制器来执行,例如用户在回家前打算提前打开空调,这样当用户回到家里时,家里的温度己经是比较舒适的了。由于本系统的远程监控不是本论文的重点,在此仅介绍一个节点通过电力线对另一个节点的控制,其程序流程图如图8所示。

  四、系统硬件结构设计

  1.控制芯片AT89C51

  本论文的控制芯片采用ATMEL的AT89C51型号的微处理器,如图4-1是AT89C51的管脚图。AT89C51是一个低功耗、高性能的8位单片机。片内带有一个4KB的FLASH可编程、可擦除只读存储器(EPROM)。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高,且价格合理的单片机,这也是本设计采用这种型号的单片机的主要原因。

  2.双音频编码芯片MT8880介绍

  本论文采用的编码芯片为双音频编码器MT8880,它的管脚分布如图4-2-1所示。MT8880是一个包含呼叫过程滤波器的单片双音多频(DTMF)收发器,它采用了MITEL公司的ISO2-CMOS技术,具有功耗低,可靠性高的特点。双音多频(DTMF}接收部分以MT8870单片双音多频((DTMF)接收器为基础加以发展; 发射部分使用了开关电容数/模转换器,保证了所传递的双音多频(DTMF)信号具有低失真、高精确度的特点。内部计数器提供音频波群传送方式,从而使音频串能够在高精度时序内传送。

  MT8880与单片机的连接如图4-2-2所示。89C51单片机的I/O接口Pl.0-P1.3直接连接到MT8880的DO-D3接口。同时由于需要选择MT8880的工作模式,和设置其内部寄存器的状态,因此需要对RS0, R/W接口进行设置。另外,由于采用中断的方式进行通信,所以需要将中断信号的输出口IRQ连接到单片机的接口。

  综上所述,本文通过硬件结构设计和软件的流程设计,基本实现了工作或生活场所控制器的降低成本、简化操作、节能控制等功能。

 

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