探討安全用電智能監控系統設計
發布時間：2021-11-23瀏覽次數：1344返回列表
易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對電氣設備故障引發的各類火災比例不斷升高的問題，通過對電氣基礎數據、電氣數據采集與上傳、數據解析、異常數據分析、權限角色管理等進行研究，本文設計了一用電數據管理、預警提示的信息管理系統。系統采用B/S構架設計。Springboot+Mybatis整合框架建設后臺，HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts實現前端，MySQL數據庫存儲數據。實現了基礎數據管理、信息檢索、數據可視化、系統安全、數據傳輸接口等功能，解決了用電數據難以遠程監測和實時掌控的痛點。
關鍵詞：SpringBoot；安全用電；數據管理。
0 引言
隨著高新技術的發展，許多新興電器設備出現在人們的視野中并被廣泛接受使用[1]。伴隨著智能化電氣設備的普及，電氣火災問題也逐漸被人們所重視。中國公安部消防局火災數據中心公布的數據顯示，因電氣設備故障引發的各類火災報案占比高達34%。
電氣設備引發的火災儼然已經成為人類生產生活中的攔路虎，有效遏制電氣火災高發勢頭勢在必行，但是傳統運行與維修模式存在著人工監測成本高、安全可靠性低、意外停電風險大、設備故障頻次高等問題，難以滿足現代發展的需求，在湖南師范大學電子技術專業相關實驗基礎上，設計了一套通過限電器采集學校、宿舍等公共場所的用電指標數據，如電流、電壓、功率、溫度、濕度、電阻等，從而判斷電路短路、負載功率過高、電路溫度升高或者電路進水等異常情況，并對其進行預警的安全用電智能監控系統。
1需求分析與關鍵技術
1.1需求分析
安全用電智能監控系統是一套智能的電氣數據采用監控系統。系統通過限電器采用節點的用電指標數據，然后通過物聯網（IoT）數據傳輸模塊將電氣數據按約定的協議上傳到服務器中，服務器接收到電氣數據后數據進行解析、入庫、分析、顯示、預警等，本文的主要研究內容如下：
（1）電氣數據采集，將限電器的指標數據，按約定協議通過物聯網卡上傳到云服務器中。
（2）在云端服務器研發UDP服務，與遠程節點建立連接，接收并解析遠程節點上傳的數據，存儲到數據庫中。
（3）分析UDP服務器接收到的數據，根據電氣數據指標所設定的閾值進行分析，對異常數據進行預警提示。
（4）對基礎數據進行管理，包括電氣指標、度量單位、用戶信息、日志信息、權限信息、角色信息等。
（5）電氣數據管理及可視化，對UDP服務器接收到的電氣數據進行多維度查詢與展示，方便用戶直觀的查、檢索、導出所需要的數據，并對各指標數據進行可視化。
1.2關鍵技術
系統采用B/S框架進行設計，Java語言進行開發，用Sprideatis作為軟件開發平臺。項目后端采用Springboot+Mybatis框架并進行整合，前端采用HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts進行開發，數據采用Mysql數據庫進行存儲。下面將對關鍵技術進行簡單介紹。
SpringBoot是基于Spring4.0設計，不僅繼承了Spring框架原有的特性，而且還通過簡化配置來進一步簡化了Spring應用的整個搭建和開發過程。SpringBoot通過集成大量的框架使得依賴包的版本沖突，以及引用的不穩定性等問題得到了很好的解決。
MyBatis是一款的持久層框架，它支持定制化SQL、存儲過程以及映射。MyBatis避免了幾乎所有的JDBC代碼和手動設置參數以及獲取結果集。MyBatis可以使用簡單的XML或注解來配置和映射原生信息，將接口和Java的POJOs(PlainOrdinaryJavaObject,普通的Java對象)映射成數據庫中的記錄。
ECharts是一個純Javas
HTML5一直是互聯網技術中較受關注的兩個話題。HTML5用戶帶來了一組新的體驗，如Web的音頻和視頻不再需要插件，通過Canvas可以靈活地完成圖像繪制，而不必考慮屏幕的分辨率，流星器對可擴展矢量圖（SVG）和數學標記語言（MathML）實現了本地支持等。
2系統設計
2.1設計目標
安全用電智能監控系統以準確獲取用電數據，解析存儲電氣數據，分析預警異常狀態，及時提示管理用戶，從而減少發生電氣火災為設計目標，設計一套集數據傳輸、數據解析、異常指標分析與預警、數據檢測與可視化等功能的互聯網安全用電智能監控系統。
2.2設計原則
系統將設計時將采用合理、科學的系統架構，完整的功能層次框架，保障系統的業務穩定、數據安全、簡單易用，系統建設基于以下主要原則：
（1）易用性原則。系網站界面簡潔明了,布局合理，頁面瀏覽及操作提示直觀清晰，適合電腦瀏覽器的使用習慣，幫助信息豐富，有利于用戶獲得相應信息及完成操作，有良好的用戶體驗。
（2）實用性原則。以完成為相關工作的業務需求為首要目標，避免貪大求全、盲目建設，避免盲目追求、新技術。
（3）高可靠性原則。在實用性的前提下，所采用的網絡和信息化技術應是公認的主流技術，具有持續發展的潛力。
（4）適度和可擴展性原則。確定項目的硬件環境和基本配置，綜合考慮項目實施后一段時間內信息容量、網絡狀況、信息存儲、數據挖掘算法對硬件的需求等因素，為了避免硬件資源的浪費，制定的硬件平臺應具有適當的規模，以及一定的前瞻性和擴展性。
2.3系統總體設計
安全用電智能監控系統將分為四層進行設計：基礎設施、數據中心、業務流程和信息服務，系統總體設計框圖如圖1所示。
2.4功能結構設計
本系統功能結構設計包括數據接口（數據發送、數據接收、數據解析、數據入庫），基礎數據管理（指標管理、單位管理、閾值管理），信息查詢（電氣數據查詢、異常數據查詢），數據可視化（數據監控、數據趨勢性分析），系統安全（權限管理、用戶管理、角色管理、日志管理），系統功能結構圖如圖2所示。
（1）數據接口功能是實現限電器將節點上采集到的數據通過物聯網卡上傳到服務器中，服務器通過UDP服務接收到數據后按約定的協議進行數據解析，并將數組以設計的數據結構存儲到數據庫表中。
（2）基礎數據管理功能主要實現采集的指標管理（如：電流、電壓、功率、溫度、濕度、電阻等）、度量單位管理以及指標的閾值設置管理。
（3）信息查詢功能實現對數據庫存儲的電氣數據進行多條件組合查詢和異常數據的檢索功能。
（4）數據可視化以圖形可視化的形式實現用電數據實時變化情況，以及對用電數據的趨勢性分析，方便用戶直觀的體驗數據的變化情況。
（5）系統安全實現用戶權限管理、用戶管理、角色管理、日志管理等功能。管理員可以根據業務需要建立不同的角色，并給該角色分配不同的權限，當用戶擁有該角色時，即可操作角色所包含的權限菜單。
2.5數據庫設計
系統采用MySQL數據庫對數據進行數據存儲。通過對系統業務流程及需求進行分析后，得出系統需要以下數據表結構來存儲信息：se_datahistory、se_dataitem、se_electricaldatase_eqchangerecord、se_equipment、se_hstructure、se_instructions、se_parameter、se_sys_log、se_sys_right、se_sys_role、se_sys_role_right、se_sys_user、se_sys_workunit。系統數據庫表關系ER圖如圖3所示：
3 系統應用與功能展示
本系統采用Springboot、Mybatis、H5、CSS3、Echarts等技術實現了一套安全用電智能監控系統，系統通過限電器采集監控節點的電氣指標數據，數據按約定協議上傳到服務器后，再對數據進行解析、入庫、分析、預警等一系列操作，通過電氣數據分析判斷客戶用電安全情況，系統實現了數據傳輸接口、基礎數據管理、數據查詢、數據可視化、系統安全等功能。通過應用本系統能夠有效地對硬件方面傳輸過來的數據進行準確判斷，對出現異常的數據能夠非常及時的發送預警信息，有效地降低用電帶來的安全隱患，較大程度上保護用戶的財產安全。如下圖4實現了電氣指標閾值配置功能，圖5實現了電氣指標數據異常預警功能。
4安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型
4.1 安科瑞安全用電云平臺介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時間顯示實時狀態。通過對上傳至云端的數據進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數據，能夠及早的發現問題并實施排查，避免火災的發生。另一方面，云平臺提供容量的信息儲存及穩定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發展具有戰略意義。此外，該系統通過集中監控，使得數據通過每個節點的4G網絡傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統一的監控和管理。
平臺的整體結構圖
具體功能如下：
（1）安全用電監管服務系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監管服務系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實時監測數據及變化曲線、歷史數據與變化曲線、實時報警數據等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產品維護等數據，監管數據能保存十年以上。
（3）APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
（4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。
（5）監控探測終端產品滿足國家法律法規和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過國家消防產品質量監測檢驗中心提供的消防3C認證。
（6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監管系統平臺。
4.2 產品選型
4.2.1漏電火災監控探測器
4.2.2故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測回路故障電弧的發生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
4.2.3限流式保護器
安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監測回路短路過載等故障信息，發生故障時預警和產生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護功能。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號。
過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發出聲光報警信號。
表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發出聲光報警信號。
過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
配電線纜溫度監測功能。當被監測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
漏電流監測功能。當被監測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。
4.2.4剩余電流互感器
4.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺專用模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發生報警，會實時上傳數據。
4.2.6 溫度傳感器
溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監控基準，可以用來監測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
5 結論
根據我國《民用電氣設計標準》，低壓配電系統主要分為三種：IT型式、TT型式和TN型式，在實際應用中，低壓配電系統的保護接零、保護接地是控制人體觸電的重要保護措施，這兩種保護方式的技術原理存在較大差異，因此，對于不同的低壓配電系統應采用不同接地形式，TN型式系統采用保護接零方式，TT、IT型式系統采用保護接地方式。
參考文獻
[1] 張美琪.兼容分布式電源的直流配電系統的分析研究[D].北京交通大學,2014.
[2] 何鴻遠.惠陽區中低壓配電網規劃研究[D].華南理工大學,2014.
[3] 朱玉瀅.高層建筑電氣中低壓配電設計[J].價值工程,2014,28:49-50.
[4] 周方建.建筑電氣工程中低壓配電系統的安裝與調試[J].山西建筑,2014,34:139-140.
[5] 馬亮.針對低壓配電系統的安全用電探討
[6] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
