澳门近30多年来经济发展比较迅速。随着经济的发展,澳门在二十世纪九十年代以后,相继建成了一些具有一定代表性的智能建筑,例如:澳门中国银行大厦、澳门世界贸易中心、澳门立法会、澳门文化中心、澳门置地广场和五星级酒店等。根据联合国对70多个国家住宅发展过程的统计,人均国民生产总值(GDP)为8000美元～10000美元时,住宅产业进入平稳发展时期。澳门人口密度较大,2000年澳门人口为43.79万,总面积为25.4k时,人均本地生产总值(GDP)约为14178美元。实际上,根据澳门统计普查局公布的统计资料:澳门从1989年4000年建成住宅为8036000时,住宅单位为106388个。根据有关资料统计,目前澳门空置住宅有四万多个。因此,澳门的住宅产业现在正处于平稳发展时期。
澳门大学科技学院有土木工程系、电机电子工程系、软件工程系、机电工程系。同时设有学士、硕士和博士学位课程。随着智能建筑和技术的发展,近年开设了有关智能建筑和技术的课程和进行了相应的科学技术研究,并取得了一些成果。
(1)在家庭能耗监测方面:家庭电、水、煤气等方面的自动计量和结算的计算机管理系统的研究。在该研究项目中的“电度表脉冲转换器”荣获1998年香港“世界华人发明博览会"银奖;该实用新型发明于1999年被中国国家知识产权局专利局授予专利权,中国专利号为ZL98204087.3。1999年在中国深圳|高新技术交易会上,该项发明的专利曾引起很多企业的注意。目前正在探讨该项专利技术转让的可行性。
(2)在家用电器节能方面:个人计算机开关电源功率因素提升电路的研究。该项研究成果能使电网对个人计算机的有功功率输出提高30%以上,并减少谐波对电网的干扰。该实用新型发明于2001年获中国国家知识产权局专利局授予专利权,中国专利号为Z四0250016.7。目前正探讨该项专利技术转让的可行性。
以下简单介绍自动抄表系统、电度表脉冲转换器和人计算机开关电源功率因素提升电路。
1 自动抄表系统
传统家庭的电费计算,通常都是由抄表人员定期到每座大厦的电表房抄读每个电表的读数,这项工作不但效率低,而且有人为误差,不能满足现代化用电管理的要求。使用了自动抄表系统后不仅能圆满地解决上述问题,而且还能提供例如对每一用户用电量的实时监测,未来用电量的预测,接收实时短讯息等用电的监测及管理等功能。自动抄表系统是未来家庭自动化发展的必然趋势。现在自动抄表系统所存在的问题是如何能快速而低廉地建立一个可行的通讯网络及如何对现有大量的仿真式电表进行改造。使用现有的低压电力线作为载波通讯媒体的扩频通讯技术及电度表脉冲转换器能很好地解决上述问题。
1.1 自动妙表系统简介
利用扩频低压电力线载波通讯技术的自动抄表系统结构(见图1)。在图1中,由电力公司管理中心的服务器(Sewer)发布各种命令,如查看某一电表的数据,修改电表终端参数或要求系统重置等。电表的读数定期地通过收集器中的电表脉冲转换器储存在收集器的E2PROM中,而集中器的PC就将来自管理中心的命令经电力线调制解调器送至收集器。一旦集中器的电力线调制解调器从220V电力线中收到相关的命令,就在收集器的E2PROM中找出相应的数据并将其传送回管理中心。另外,管理中心还可以利用此系统发送一些短讯息给用户或是广播一些通告。
1.1.1 电表至收集器
收集器是由电度表脉冲转换器再加上数据缓存器组成。首先,我们研制的电度表脉冲转换器将传统的仿真式电表转换成数字式脉冲输出。然后将所得电表数据通过导线临时存放在数据缓存器中,缓存器由1KE2PROM组成,负责储存电表累积读数。上层结构(即集中器)可在此读取电表的相应读数。
1.1.2 收集器至集中器
在此阶段的通讯为扩频低压电力线载波通讯,利用现有的电力线,不需要额外的布线,但在收集器及集中器两者间各需一个电力线调制解调器。在普通的情况下,收集器和集中器的通讯关系为仆、主关系,即收集器只可以响应集中器的要求,而不能主动和集中器通讯。但在某一特殊情况下,出于安全性的考虑,例如有人擅自改动电表、收集器断电等等,收集器可以主动地向系统发出紧急讯号。
扩频低压电力线载波通讯技术必须采取特殊的技术来克服各种开关电源的大量窄频干扰。而扩频通讯就是通过编码及调制的方法将信号所占有的频带扩展,大于所传信息必需的最小带宽,因此扩展了信号的频谱,令扩频通讯的抗干扰能力增强。此外,由于信号的功率谱很低,使窃昕者很难截获,隐蔽性好。根据Shannon定理,在Gauss信噪比与带宽是可以互换的。利用数字编码,增加量化级数,改善量化噪声。
低压电力线载波通讯的基本原理(见图2)。发送数据时,发送机先将数据调制在一个高频载波再糯合至电力线上。因为搞合信号只有几伏,其载波为几百千赫的高频信号,所以不会对电力线路造成不良的影响。接收方则在电力线路中通过解调电路分离出原数据。
电力线调制解调器分别位于收集器及集中器近电力线一侧,采用扩频低压电力线载波通讯技术的调制解调器的结构(见图3)。其中,藕合电路已调制信号到电力线并接收电力线上的数据,并隔离控制电路和220V电源,这需要较高的灵敏度和选频能力。SSCP300芯片为INTELL0N公司的线性调频扩频芯片,可以完成扩频调制解调的功能,而SSCP111则为功率放大芯片。Micro-Processor/微处理器,如MSC-51系列芯片,通过串行或并行接口与SSCP300和计算机联接。控制整个通讯终端,发送和接收命令及数据,并对数据进行校检解包。
1.1.3 集中器至电力公司管理中心由集中器至电力公司管理中心的通讯通常都会超出1km～10km,出于对通讯可靠性的考虑,一般在此不会使用电力线载波通讯,而是使用技术成熟的PSTN(电话网络)的调解器拨号网络使用一部微处理机或PC来控制普通拨号调制解调器和电力公司管理中心的服务器连接,在电话网络中通过AT指令将数据送至管理中心。
1.2 试验结果
经过实验,证明了上述系统的可行性。利用电力线通讯的自动抄表系统可为电力公司收费的自动化提供了一种可行的方法。
2 电度表脉冲转换器
电度表脉冲转换器是自动抄表系统的关键部件,该部件可直接装在现有的电磁式电度表上,无需对原有电度表进行任何改动,再配合适当的后续处理装置,即可准确、简便地获得有功功率、无功功率和功率因素等参数的遥距传送。该发明装置可用作家庭自动抄表系统和工业企业的功率因素补偿系统的测量组件(见图4）。
3 个人计算机开关电源功率因素提升电路
个人计算机开关电源功率因素提升电路能够节约电能和降低谐波对电网的干扰。该电路主要由桥式整流器、电感器、开关器件、二极管滤波电容器及开关控制电路等组成。将该电路附加于传统的个人计算机开关电源上,可以大大提高功率因素以及降低谐波成份。
3.1 传统的个人计算机开关电源的缺点(见图5)
(1)输入电流含有大量的谐波,谐波量达到126%;
(2)功率因素大约是0.6。
3.2 个人计算机开关电源的功率因素提升电路的优点(见图6)
(1)输入电流谐波量可降低到1096以内;
(2)功率因素提升到0.99。
个人计算机开关电源功率因素提升电路的研究结果表明:该项研究成果能使功率因素由原来的0.6提升到0.99。从而使电网对个人计算机的有功功率输出提高了30%以上,并减少谐波对电网的干扰。
4 总结
澳门智能建筑和技术的发展始于20世纪90年代中。澳门的住宅产业现在正处于平稳发展时期。因此,有必要采用信息化,网络化和智能化改造现有的住宅,以利于澳门的建筑产业进一步发展。
继续努力探讨"电度表脉冲转换器"和"个人计算机开关电源功率因素提升电路"两项专利的技术转让。
正在研制中的自动抄表系统可推广应用于住宅小区水表、煤气表、电表等自动收费和监管系统中。
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