摘要:本文针对高校学生公寓用电特点,从安全用电角度提出了一套集用电管理、计量、恶性负载智能识别控制、实时跟踪检测等功能于一体的数字化安全用电管理系统技术解决方案———学生公寓智能控电管理系统。

关键词:公寓恶性负载安全用电智能系统

0、引言

近年来,为了响应国家创建节约型社会的号召,伴随着高等学校后勤社会化改革的迅速推进,各地高等学校对原有的校内学生公寓采用了新的管理模式。各地、各高等学校积极利用社会资金,通过各种渠道,采用社会化的办法,建设了一批高质量高标准的学生公寓,较大地改善了大学生们的生活与学习条件,受到了高等学校师生的普遍欢迎。公寓内的配置由过去满足基本生活需求的设备,到如今设有电热水器、空调、电脑、浴霸等。传统的对学生公寓采取限电流、定时间断送电的用电管理模式显然无法满足大学生们的使用需求。更值得一提的是被称之为恶性负载的电器,如烧开水用的电炉、“热得快”等产品,这些违章电器的使用给学生公寓的用电带来了很大的安全隐患,对学生生命财产安全造成极大的威胁。为了解决高校学生公寓安全用电存在的诸多问题,笔者经过多方调研,在原有的学生宿舍集中用电系统的基础上,从安全用电角度提出了一套适合高校学生公寓使用的数字化安全用电管理系统技术解决方案———学生公寓智能控电管理系统。

1、系统基本要求

(1)下图为学生公寓智能控电管理系统的结构框图。本系统中的数字化控制模块采用智能化数学模型控制技术,集用电管理、计量、恶性负载智能识别控制、实时跟踪检测等优点于一身,是学生公寓智能控电管理系统的核心部分。

(2)组网方式。本系统采用分布式单元控制设计原则,结构简单,既可以采用成本低、对网络布线要求不高的RS-485总线进行组网,也可以采用高校校园局域网进行组网,更可以采用中国移动GSM无线网络进行组网。在此我们以第一种组网方式进行技术分析。

(3)系统微机的基本配置:CPU主频1.7GHz及以上;操作系统:主流操作系统,如Windows2000/XP;内存;硬盘;显示器等。

2、系统基本功能及原理

(一)单元控制模块基本功能

1数据采集、传输与恶性负载智能识别控制。2集成电路芯片。单元控制模块要求具备解释并执行系统微机指令的功能,每个单元控制模块分管8个房间控制模块,采用超大规模集成电路芯片,集成独立的CPU单元和数据处理单元,即使数据传输线路有故障或断电也不会引起数据丢失。单元控制模块内部须设置可靠的电源检测电路、看门狗电路、数据存储保护电路,具有过载断电、断电自动恢复能力和防雷、防过电压措施,并在系统管理程序上实现数据备份、数据校验处理、数据块保护处理及指令冗余等抗干扰措施,使整个系统稳定可靠的运行。

(2)房间控制模块基本功能

1、计量。房间控制模块发送计量脉冲信号,执行计量任务。

2、控制。房间控制模块执行单元控制模块发出的指令,接通或断开房间的总电源。模块的关键部件为继电器,可选用新型的大电流电触点的磁保持继电器,利用12V电压的正负脉冲信号驱动。

(3)恶性负载智能识别控制的基本原理

1、建立数学模型。学生公寓智能控电管理系统根据学生使用电器的用电动态参数建立数学模型,根据其用电特点将电器分为阻性负载和感性负载。

2、自动识别控制。系统CPU程序自动跟踪检测电器瞬间加电时功率点的大小,经过分析后发出控制指令。如下图,假设系统设置恶性负载的识别功率为300W,当使用大于300W的阻性负载(如电炉、“热得快”等),系统检测识别后发出指令切断该房间的电源。当房间使用感性负载(如电脑、充电器等),系统检测后识别为正常用电负载,所有的正常负载都不会累加。当房间使用1500W的电热水器时,系统CPU程序实时跟踪检测到电热水器的瞬间加电功率点处于开放的范围,也会识别为正常用电负载制指令。如下图,假设系统设置恶性负载的识别功率为300W,当使用大于300W的阻性负载(如电炉、“热得快”等),系统检测识别后发出指令切断该房间的电源。当房间使用感性负载(如电脑、充电器等),系统检测后识别为正常用电负载,所有的正常负载都不会累加。当房间使用1500W的电热水器时,系统CPU程序实时跟踪检测到电热水器的瞬间加电功率点处于开放的范围,也会识别为正常用电负载。

(4)用电查询管理器基本功能

1、查询管理,单独控制。用电查询管理器设置在每栋学生公寓楼,为本栋楼的中央控制单元。

2、集成电路芯片。采用新一代工业计算机设计原理,集成了CPU、存储器、RS232接口、RS485接口,以及防止程序锁死的看门狗时钟控制芯片等。用电查询管理器设计为壁挂式小型箱体装置,显示面板采用LCD液晶显示屏,面板设置小型数字键盘。当系统管理微机因故停机或人为关机时,用电查询管理器可以替代系统管理微机的部分工作,执行本栋楼的实时用电查询功能和定时断电送电等任务。

(5)用电管理程序基本功能

1、房间号码设置。通过系统微机内的用电管理程序可以设置学生公寓的楼号和房间号码。如第5号学生公寓1楼的第8个房间,其对应的系统编号为5108。

2、房间定时限流。通过系统微机内的用电管理程序可以设置实现每个单独房间的定时、定量、限电流等单独管理控制。

3、恶性负载识别。通过系统微机内的用电管理程序设置恶性负载的识别功率,智能识别违章电器和普通电器。例如:若识别功率设定为300W(识别功率高校可按实际要求自行调整设定),则300W以上的电炉、“热得快”等违章电器一律被禁用,而正常的普通电器(如:电脑、照明、台灯等)不管功率多少,全部正常使用。

4、收费管理。通过系统微机内的用电管理程序可以随时为所有房间或每个房间交纳电费。针对高校为学生提供基本定额免费电量的要求,用电管理程序设置了定额免费电量自动充值功能,在每月固定的时间将基本定额免费电量补充到所有房间或固定房间。

5、其他功能。本系统还设置了欠费自动报警或停电、交费自动送电功能,退费管理功能,换房管理功能,公用电费可分摊功能等。这些功能可以有效的解决高校学生公寓用电管理中遇到的一些日常问题。如高校一般每年调整一次学生房间,退费管理功能和换房管理功能就比较适用。

(6)用电安全保护

1、短路过流保护。学生公寓智能控电管理系统在系统控制机柜输出端设置了短路、过流双重保护功能,有效保护了学生用电时的人身安全。

2、违章断电。当学生在房间内使用违章电器时,系统会在5秒钟内切断该房间的总电源;学生将违章电器摘除后,系统经过检测识别后可在一分钟内自动恢复送电,无需人工进行恢复,安全用电十分方便。

(7)远程控制及实时监控报警

1、远程控制。学生公寓智能控电管理系统所有的管理操作都可以在系统管理微机上完成,真正做到了远程控制。所有的管理数据在系统管理微机和数字化单元控制模块之间实时传输存储、互为备份,确保了管理数据的安全性。

2、实时监控。在系统管理微机显示器上,高校学生公寓每个房间用电功率大小以“★”号多少表示,“★”越多表示该房间实时用电功率越大。当鼠标指向房间时,系统立即实时显示所指房间的实际用电功率参数等数值,相当于设置了一个多参数同时显示虚拟电表。

(8)财务管理

1、财务统计分析。学生公寓智能控电管理系统的管理程序还设置了财务报表统计、财务分析等功能,方便高校财务管理。同时系统自动记录管理员的所有工作并生成系统日志,系统日志不可修改,避免了财务违规行为。

2、可扩展性。学生公寓智能控电管理系统预留了联网接口,可以支持校园一卡通收费管理系统的授权收费终端,同时可提供与校园一卡通对接的接口参数等。

3、Acrel-EIOT能源物联网云平台

3.1概述

Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

3.2应用场所

本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

3.3平台结构

3.4平台功能

3.4.1电力集抄

电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示，以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制，对系统进行综合检测和统一管理；在数据资源管理方面，可以显示或查询供配电室内各设备运行（包括历史和实时参数，并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印，提高工作效率，节约人力资源。

3.4.2能耗分析

能耗分析模块采用自动化、信息化技术，实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理，使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，运用先进的数据处理与分析技术，进行离线生产分析与管理，实现全厂能源系统的统一调度，优化能源介质平衡、有效利用能源，提高能源质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。

3.4.3预付费管理

1）登陆管理：管理操作员账户及权限分配，查看系统日志等功能；

2）系统配置：对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置；

3）用户管理：对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作；

4）售电管理：对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作；

5）售水管理：对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作；

6）报表中心：提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询，本系统所有的报表及记录查询，都支持excel格式导出。

3.4.4充电桩管理

通过物联网技术，对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。

3.4.5智能照明

智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测，也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，并达到一定节能减挂的效果。

3.4.6安全用电

安全用电采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现第一时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。

3.4.7智慧消防

通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。补充了原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。

3.5系统硬件配置

4、结束语

“学生公寓智能控电管理系统”应是专门针对高校学生公寓用电特点及其急需解决的安全用电问题,采用智能化数学模型控制技术构建的全套数字化安全用电管理系统技术解决方案。目前市场上已有一些技术产品可以满足一般的集中用电管理要求,但在恶性负载智能识别控制技术和实时跟踪检测手段等方面还有待进一步提高。

参考文献

[1]蔡旭斌,罗玲.电能计量自动抄表技术的现状与发展[J].广东电力,2003.

[2]卫建华,徐进.学生宿舍用电安全管理系统解决方案[J].现代电子技术,2004.

[3]游飞.高校学生公寓安全用电管理技术分析

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.