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

關鍵詞:公寓惡性負載安全用電智能系統

0、引言

近年來,為了響應國家創建節約型社會的號召,伴隨著高等學校后勤社會化改革的迅速推進,各地高等學校對原有的校內學生公寓采用了新的管理模式。各地、各高等學校積極利用社會資金,通過各種渠道,采用社會化的辦法,建設了一批高質量高標準的學生公寓,較大地改善了大學生們的生活與學習條件,受到了高等學校師生的普遍歡迎。公寓內的

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

1、系統基本要求

(1)下圖為學生公寓智能控電管理系統的結構框圖。本系統中的數字化控制模塊采用智能化數學模型控制技術,集用電管理、計量、惡性負載智能識別控制、實時跟蹤檢測等優點于一身,是學生公寓智能控電管理系統的核心部分。

(2)組網方式。本系統采用分布式單元控制設計原則,結構簡單,既可以采用成本低、對網絡布線要求不高的RS-485總線進行組網,也可以采用高校校園局域網進行組網,更可以采用中國移動GSM無線網絡進行組網。在此我們以第一種組網方式進行技術分析。

(3)系統微機的基本配置:CPU主頻1.7GHz及以上;操作系統:主流操作系統,如Windows2000/XP;內存;硬盤;顯示器等。

2、系統基本功能及原理

(一)單元控制模塊基本功能

1數據采集、傳輸與惡性負載智能識別控制。2集成電路芯片。單元控制模塊要求具備解釋并執行系統微機指令的功能,每個單元控制模塊分管8個房間控制模塊,采用超大規模集成電路芯片,集成獨立的CPU單元和數據處理單元,即使數據傳輸線路有故障或斷電也不會引起數據丟失。單元控制模塊內部須設置可靠的電源檢測電路、看門狗電路、數據存儲保護電路,具有過載斷電、斷電自動恢復能力和防雷、防過電壓措施,并在系統管理程序上實現數據備份、數據校驗處理、數據塊保護處理及指令冗余等抗干擾措施,使整個系統穩定可靠的運行。

(2)房間控制模塊基本功能

1、計量。房間控制模塊發送計量脈沖信號,執行計量任務。

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

(3)惡性負載智能識別控制的基本原理

1、建立數學模型。學生公寓智能控電管理系統根據學生使用電器的用電動態參數建立數學模型,根據其用電特點將電器分為阻性負載和感性負載。

2、自動識別控制。系統CPU程序自動跟蹤檢測電器瞬間加電時功率點的大小,經過分析后發出控制指令。如下圖,假設系統設置惡性負載的識別功率為300W,當使用大于300W的阻性負載(如電爐、“熱得快"等),系統檢測識別后發出指令切斷該房間的電源。當房間使用感性負載(如電腦、充電器等),系統檢測后識別為正常用電負載,所有的正常負載都不會累加。當房間使用1500W的電熱水器時,系統CPU程序實時跟蹤檢測到電熱水器的瞬間加電功率點處于開放的范圍,也會識別為正常用電負載制指令。如下圖,假設系統設置惡性負載的識別功率為300W,當使用大于300W的阻性負載(如電爐、“熱得快"等),系統檢測識別后發出指令切斷該房間的電源。當房間使用感性負載(如電腦、充電器等),系統檢測后識別為正常用電負載,所有的正常負載都不會累加。當房間使用1500W的電熱水器時,系統CPU程序實時跟蹤檢測到電熱水器的瞬間加電功率點處于開放的范圍,也會識別為正常用電負載。

(4)用電查詢管理器基本功能

1、查詢管理,單獨控制。用電查詢管理器設置在每棟學生公寓樓,為本棟樓的中央控制單元。

2、集成電路芯片。采用新一代工業計算機設計原理,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,面板設置小型數字鍵盤。當系統管理微機因故停機或人為關機時,用電查詢管理器可以替代系統管理微機的部分工作,執行本棟樓的實時用電查詢功能和定時斷電送電等任務。

(5)用電管理程序基本功能

1、房間號碼設置。通過系統微機內的用電管理程序可以設置學生公寓的樓號和房間號碼。如第5號學生公寓1樓的第8個房間,其對應的系統編號為5108。

2、房間定時限流。通過系統微機內的用電管理程序可以設置實現每個單獨房間的定時、定量、限電流等單獨管理控制。

3、惡性負載識別。通過系統微機內的用電管理程序設置惡性負載的識別功率,智能識別違章電器和普通電器。例如:若識別功率設定為300W(識別功率高校可按實際要求自行調整設定),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、收費管理。通過系統微機內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。針對高校為學生提供基本定額免費電量的要求,用電管理程序設置了定額免費電量自動充值功能,在每月的時間將基本定額免費電量補充到所有房間或房間。

5、其他功能。本系統還設置了欠費自動報警或停電、交費自動送電功能,退費管理功能,換房管理功能,公用電費可分攤功能等。這些功能可以有效的解決高校學生公寓用電管理中遇到的一些日常問題。如高校一般每年調整一次學生房間,退費管理功能和換房管理功能就比較適用。

(6)用電安全保護

1、短路過流保護。學生公寓智能控電管理系統在系統控制機柜輸出端設置了短路、過流雙重保護功能,有效保護了學生用電時的人身安全。

2、違章斷電。當學生在房間內使用違章電器時,系統會在5秒鐘內切斷該房間的總電源;學生將違章電器摘除后,系統經過檢測識別后可在一分鐘內自動恢復送電,無需人工進行恢復,安全用電十分方便。

(7)遠程控制及實時監控報警

1、遠程控制。學生公寓智能控電管理系統所有的管理操作都可以在系統管理微機上完成,真正做到了遠程控制。所有的管理數據在系統管理微機和數字化單元控制模塊之間實時傳輸存儲、互為備份,確保了管理數據的安全性。

2、實時監控。在系統管理微機顯示器上,高校學生公寓每個房間用電功率大小以“★"號多少表示,“★"越多表示該房間實時用電功率越大。當鼠標指向房間時,系統立即實時顯示所指房間的實際用電功率參數等數值,相當于設置了一個多參數同時顯示虛擬電表。

(8)財務管理

1、財務統計分析。學生公寓智能控電管理系統的管理程序還設置了財務報表統計、財務分析等功能,方便高校財務管理。同時系統自動記錄管理員的所有工作并生成系統日志,系統日志不可修改,避免了財務行為。

2、可擴展性。學生公寓智能控電管理系統預留了聯網接口,可以支持校園一卡通收費管理系統的授權收費終端,同時可提供與校園一卡通對接的接口參數等。

3、Acrel-EIOT能源物聯網云平臺

3.1概述

Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器，選配網關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問。

3.2應用場所

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

3.3平臺結構

3.4平臺功能

3.4.1電力集抄

電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數，并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節約人力資源。

3.4.2能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用先進的數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

3.4.3預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進行配置；

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

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

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

3.4.4充電樁管理

通過物聯網技術，對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

3.4.5智能照明

智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測，也可以實現定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

3.4.6安全用電

安全用電采用的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現第一時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現“防患于未然"的目的。

3.4.7智慧消防

通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。原先針對“九小場所"和危化品生產企業無法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實際需求。

3.5系統硬件配置

4、結束語

“學生公寓智能控電管理系統"應是專門針對高校學生公寓用電特點及其急需解決的安全用電問題,采用智能化數學模型控制技術構建的全套數字化安全用電管理系統技術解決方案。目前市場上已有一些技術產品可以滿足一般的集中用電管理要求,但在惡性負載智能識別控制技術和實時跟蹤檢測手段等方面還有待進一步提高。

參考文獻

[1]蔡旭斌,羅玲.電能計量自動抄表技術的現狀與發展[J].廣東電力,2003.

[2]衛建華,徐進.學生宿舍用電安全管理系統解決方案[J].現代電子技術,2004.

[3]游飛.高校學生公寓安全用電管理技術分析

[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者介紹：

安躍強，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為為智能電網供配電。