摘要:本文針對高校學(xué)生公寓用電特點(diǎn),從安全用電角度提出了一套集用電管理、計量、惡性負(fù)載智能識別控制、實(shí)時跟蹤檢測等功能于一體的數(shù)字化安全用電管理系統(tǒng)技術(shù)解決方案———學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:公寓惡性負(fù)載安全用電智能系統(tǒng)

0、引言

近年來,為了響應(yīng)國家創(chuàng)建節(jié)約型社會的號召,伴隨著高等學(xué)校后勤社會化改革的迅速推進(jìn),各地高等學(xué)校對原有的校內(nèi)學(xué)生公寓采用了新的管理模式。各地、各高等學(xué)校積極利用社會資金,通過各種渠道,采用社會化的辦法,建設(shè)了一批高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生公寓,較大地改善了大學(xué)生們的生活與學(xué)習(xí)條件,受到了高等學(xué)校師生的普遍歡迎。公寓內(nèi)的

配置由過去滿足基本生活需求的設(shè)備,到如今設(shè)有電熱水器、空調(diào)、電腦、浴霸等。傳統(tǒng)的對學(xué)生公寓采取限電流、定時間斷送電的用電管理模式顯然無法滿足大學(xué)生們的使用需求。更值得一提的是被稱之為惡性負(fù)載的電器,如燒開水用的電爐、“熱得快”等產(chǎn)品,這些違章電器的使用給學(xué)生公寓的用電帶來了很大的安全隱患,對學(xué)生生命財產(chǎn)安全造成極大的威脅。為了解決高校學(xué)生公寓安全用電存在的諸多問題,筆者經(jīng)過多方調(diào)研,在原有的學(xué)生宿舍集中用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,從安全用電角度提出了一套適合高校學(xué)生公寓使用的數(shù)字化安全用電管理系統(tǒng)技術(shù)解決方案———學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)基本要求

(1)下圖為學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。本系統(tǒng)中的數(shù)字化控制模塊采用智能化數(shù)學(xué)模型控制技術(shù),集用電管理、計量、惡性負(fù)載智能識別控制、實(shí)時跟蹤檢測等優(yōu)點(diǎn)于一身,是學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)的核心部分。

(2)組網(wǎng)方式。本系統(tǒng)采用分布式單元控制設(shè)計原則,結(jié)構(gòu)簡單,既可以采用成本低、對網(wǎng)絡(luò)布線要求不高的RS-485總線進(jìn)行組網(wǎng),也可以采用高校校園局域網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng),更可以采用中國移動GSM無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)。在此我們以第一種組網(wǎng)方式進(jìn)行技術(shù)分析。

(3)系統(tǒng)微機(jī)的基本配置:CPU主頻1.7GHz及以上;操作系統(tǒng):主流操作系統(tǒng),如Windows2000/XP;內(nèi)存;硬盤;顯示器等。

2、系統(tǒng)基本功能及原理

(一)單元控制模塊基本功能

1數(shù)據(jù)采集、傳輸與惡性負(fù)載智能識別控制。2集成電路芯片。單元控制模塊要求具備解釋并執(zhí)行系統(tǒng)微機(jī)指令的功能,每個單元控制模塊分管8個房間控制模塊,采用超大規(guī)模集成電路芯片,集成獨(dú)立的CPU單元和數(shù)據(jù)處理單元,即使數(shù)據(jù)傳輸線路有故障或斷電也不會引起數(shù)據(jù)丟失。單元控制模塊內(nèi)部須設(shè)置可靠的電源檢測電路、看門狗電路、數(shù)據(jù)存儲保護(hù)電路,具有過載斷電、斷電自動恢復(fù)能力和防雷、防過電壓措施,并在系統(tǒng)管理程序上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)校驗(yàn)處理、數(shù)據(jù)塊保護(hù)處理及指令冗余等抗干擾措施,使整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

(2)房間控制模塊基本功能

1、計量。房間控制模塊發(fā)送計量脈沖信號,執(zhí)行計量任務(wù)。

2、控制。房間控制模塊執(zhí)行單元控制模塊發(fā)出的指令,接通或斷開房間的總電源。模塊的關(guān)鍵部件為繼電器,可選用新型的大電流電觸點(diǎn)的磁保持繼電器,利用12V電壓的正負(fù)脈沖信號驅(qū)動。

(3)惡性負(fù)載智能識別控制的基本原理

1、建立數(shù)學(xué)模型。學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生使用電器的用電動態(tài)參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型,根據(jù)其用電特點(diǎn)將電器分為阻性負(fù)載和感性負(fù)載。

2、自動識別控制。系統(tǒng)CPU程序自動跟蹤檢測電器瞬間加電時功率點(diǎn)的大小,經(jīng)過分析后發(fā)出控制指令。如下圖,假設(shè)系統(tǒng)設(shè)置惡性負(fù)載的識別功率為300W,當(dāng)使用大于300W的阻性負(fù)載(如電爐、“熱得快”等),系統(tǒng)檢測識別后發(fā)出指令切斷該房間的電源。當(dāng)房間使用感性負(fù)載(如電腦、充電器等),系統(tǒng)檢測后識別為正常用電負(fù)載,所有的正常負(fù)載都不會累加。當(dāng)房間使用1500W的電熱水器時,系統(tǒng)CPU程序?qū)崟r跟蹤檢測到電熱水器的瞬間加電功率點(diǎn)處于開放的范圍,也會識別為正常用電負(fù)載制指令。如下圖,假設(shè)系統(tǒng)設(shè)置惡性負(fù)載的識別功率為300W,當(dāng)使用大于300W的阻性負(fù)載(如電爐、“熱得快”等),系統(tǒng)檢測識別后發(fā)出指令切斷該房間的電源。當(dāng)房間使用感性負(fù)載(如電腦、充電器等),系統(tǒng)檢測后識別為正常用電負(fù)載,所有的正常負(fù)載都不會累加。當(dāng)房間使用1500W的電熱水器時,系統(tǒng)CPU程序?qū)崟r跟蹤檢測到電熱水器的瞬間加電功率點(diǎn)處于開放的范圍,也會識別為正常用電負(fù)載。

(4)用電查詢管理器基本功能

1、查詢管理,單獨(dú)控制。用電查詢管理器設(shè)置在每棟學(xué)生公寓樓,為本棟樓的中央控制單元。

2、集成電路芯片。采用新一代工業(yè)計算機(jī)設(shè)計原理,集成了CPU、存儲器、RS232接口、RS485接口,以及防止程序鎖死的看門狗時鐘控制芯片等。用電查詢管理器設(shè)計為壁掛式小型箱體裝置,顯示面板采用LCD液晶顯示屏,面板設(shè)置小型數(shù)字鍵盤。當(dāng)系統(tǒng)管理微機(jī)因故停機(jī)或人為關(guān)機(jī)時,用電查詢管理器可以替代系統(tǒng)管理微機(jī)的部分工作,執(zhí)行本棟樓的實(shí)時用電查詢功能和定時斷電送電等任務(wù)。

(5)用電管理程序基本功能

1、房間號碼設(shè)置。通過系統(tǒng)微機(jī)內(nèi)的用電管理程序可以設(shè)置學(xué)生公寓的樓號和房間號碼。如第5號學(xué)生公寓1樓的第8個房間,其對應(yīng)的系統(tǒng)編號為5108。

2、房間定時限流。通過系統(tǒng)微機(jī)內(nèi)的用電管理程序可以設(shè)置實(shí)現(xiàn)每個單獨(dú)房間的定時、定量、限電流等單獨(dú)管理控制。

3、惡性負(fù)載識別。通過系統(tǒng)微機(jī)內(nèi)的用電管理程序設(shè)置惡性負(fù)載的識別功率,智能識別違章電器和普通電器。例如:若識別功率設(shè)定為300W(識別功率高校可按實(shí)際要求自行調(diào)整設(shè)定),則300W以上的電爐、“熱得快”等違章電器一律被禁用,而正常的普通電器(如:電腦、照明、臺燈等)不管功率多少,全部正常使用。

4、收費(fèi)管理。通過系統(tǒng)微機(jī)內(nèi)的用電管理程序可以隨時為所有房間或每個房間交納電費(fèi)。針對高校為學(xué)生提供基本定額免費(fèi)電量的要求,用電管理程序設(shè)置了定額免費(fèi)電量自動充值功能,在每月指定的時間將基本定額免費(fèi)電量補(bǔ)充到所有房間或指定房間。

5、其他功能。本系統(tǒng)還設(shè)置了欠費(fèi)自動報警或停電、交費(fèi)自動送電功能,退費(fèi)管理功能,換房管理功能,公用電費(fèi)可分?jǐn)偣δ艿取＿@些功能可以有效的解決高校學(xué)生公寓用電管理中遇到的一些日常問題。如高校一般每年調(diào)整一次學(xué)生房間,退費(fèi)管理功能和換房管理功能就比較適用。

(6)用電安全保護(hù)

1、短路過流保護(hù)。學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)在系統(tǒng)控制機(jī)柜輸出端設(shè)置了短路、過流雙重保護(hù)功能,有效保護(hù)了學(xué)生用電時的人身安全。

2、違章斷電。當(dāng)學(xué)生在房間內(nèi)使用違章電器時,系統(tǒng)會在5秒鐘內(nèi)切斷該房間的總電源;學(xué)生將違章電器摘除后,系統(tǒng)經(jīng)過檢測識別后可在一分鐘內(nèi)自動恢復(fù)送電,無需人工進(jìn)行恢復(fù),安全用電十分方便。

(7)遠(yuǎn)程控制及實(shí)時監(jiān)控報警

1、遠(yuǎn)程控制。學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)所有的管理操作都可以在系統(tǒng)管理微機(jī)上完成,真正做到了遠(yuǎn)程控制。所有的管理數(shù)據(jù)在系統(tǒng)管理微機(jī)和數(shù)字化單元控制模塊之間實(shí)時傳輸存儲、互為備份,確保了管理數(shù)據(jù)的安全性。

2、實(shí)時監(jiān)控。在系統(tǒng)管理微機(jī)顯示器上,高校學(xué)生公寓每個房間用電功率大小以“★”號多少表示,“★”越多表示該房間實(shí)時用電功率越大。當(dāng)鼠標(biāo)指向房間時,系統(tǒng)立即實(shí)時顯示所指房間的實(shí)際用電功率參數(shù)等數(shù)值,相當(dāng)于設(shè)置了一個多參數(shù)同時顯示虛擬電表。

(8)財務(wù)管理

1、財務(wù)統(tǒng)計分析。學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)的管理程序還設(shè)置了財務(wù)報表統(tǒng)計、財務(wù)分析等功能,方便高校財務(wù)管理。同時系統(tǒng)自動記錄管理員的所有工作并生成系統(tǒng)日志,系統(tǒng)日志不可修改,避免了財務(wù)作弊行為。

2、可擴(kuò)展性。學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)預(yù)留了聯(lián)網(wǎng)接口,可以支持校園一卡通收費(fèi)管理系統(tǒng)的授權(quán)收費(fèi)終端,同時可提供與校園一卡通對接的接口參數(shù)等。

3、Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

3.1概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機(jī)和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費(fèi)管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運(yùn)維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

3.2應(yīng)用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運(yùn)維等領(lǐng)域。

3.3平臺結(jié)構(gòu)

3.4平臺功能

3.4.1電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實(shí)現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行（包括歷史和實(shí)時參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

3.4.2能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機(jī)結(jié)合起來，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

3.4.3預(yù)付費(fèi)管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機(jī)、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

3.4.4充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警。云平臺包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運(yùn)營分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。

3.4.5智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實(shí)現(xiàn)定時開關(guān)策略配置及后臺遠(yuǎn)程管理和移動管理等，降低路燈設(shè)施的維護(hù)難度和成本，提升管理水平，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。

3.4.6安全用電

安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測器，對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)第一時間的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實(shí)現(xiàn)“防患于未然”的目的。

3.4.7智慧消防

通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。填補(bǔ)了原先針對“九小場所”和危化品生產(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實(shí)現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”、用電管理“精細(xì)化”的實(shí)際需求。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4、結(jié)束語

“學(xué)生公寓智能控電管理系統(tǒng)”應(yīng)是專門針對高校學(xué)生公寓用電特點(diǎn)及其急需解決的安全用電問題,采用智能化數(shù)學(xué)模型控制技術(shù)構(gòu)建的全套數(shù)字化安全用電管理系統(tǒng)技術(shù)解決方案。目前市場上已有一些技術(shù)產(chǎn)品可以滿足一般的集中用電管理要求,但在惡性負(fù)載智能識別控制技術(shù)和實(shí)時跟蹤檢測手段等方面還有待進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡旭斌,羅玲.電能計量自動抄表技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].廣東電力,2003.

[2]衛(wèi)建華,徐進(jìn).學(xué)生宿舍用電安全管理系統(tǒng)解決方案[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2004.

[3]游飛.高校學(xué)生公寓安全用電管理技術(shù)分析

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者介紹：

安躍強(qiáng)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)闉橹悄茈娋W(wǎng)供配電。