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根據(jù)上述分析，本研究設(shè)計了一種針對高校學(xué)生公寓的安全用電智能控制管理系統(tǒng)，以及能夠解決目前存在的問題。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成:計量采集系統(tǒng)（計量設(shè)備），數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（通信設(shè)備），管理平臺（數(shù)據(jù)處理、用戶服務(wù)與管理）.該系統(tǒng)具備智能用電管理功能，可實時監(jiān)測學(xué)生公寓用電信息，并通 過管理平臺的數(shù)據(jù)分析功能，為學(xué)校管理部門提供依據(jù)，進(jìn)而解決用電過程中存在的問題.通過 科學(xué)化、智能化的用電管理，實現(xiàn)安全用電、便捷管理、高效穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

計量采集系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和電能計量功能，并提供異常保護(hù)和預(yù)付費(fèi)功能，實現(xiàn)用電計 量、預(yù)付費(fèi)、安全用電管理的基本功能.計量采集系統(tǒng)分戶設(shè)置，具備通信接口，可方便組構(gòu)管理網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集器將電表與系統(tǒng)管理平臺服務(wù)器連通，每臺采集器具備獨(dú)立的IP地址，傳輸網(wǎng)利用校園通信網(wǎng)絡(luò)以節(jié)省成本，從學(xué)校提供的網(wǎng)絡(luò)端口引到交換機(jī)。

管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)服務(wù)功能，提供預(yù)付費(fèi)管理（包含充值、退電、財務(wù)統(tǒng)計等），用電分析，用電實時監(jiān)控（包含電流、電壓、功率、剩余金額等），用電管理（包含定時通斷電、違規(guī)電器管理、負(fù)荷限制等），用戶自助査詢等.管理平臺包括了 3個子系統(tǒng),即網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)、校園能 耗監(jiān)控系統(tǒng)、用電信息查詢系統(tǒng).用戶服務(wù)系統(tǒng)主 要是存儲整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，提供系統(tǒng)的人機(jī)界面，提供用戶查詢管理平臺等。其他的管理端也 可以直接連接到服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)管理；另外該系 統(tǒng)還有配套設(shè)備，主要用于預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)的功 能擴(kuò)展及補(bǔ)充，配套設(shè)備包括售電及查詢終端、LED顯示屏、自助充值終端等多種.管理系統(tǒng) 主要是連接學(xué)校相關(guān)職能部門，把系統(tǒng)的重要信息反饋到各主要職能部門，實現(xiàn)人員的有效管理。

圖2安全用電管理系統(tǒng)實施案例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2系統(tǒng)功能

安科瑞學(xué)生宿舍預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)具有以下功能：

1) 惡性負(fù)載控制：具備惡性負(fù)載識別功能，自動識別學(xué)院規(guī)定禁止使用的各類違章電器（如熱得快、電吹風(fēng)、電熱毯、暖手煲等）功能，自動斷電；斷電次數(shù)可設(shè)。

2) 功率限制：負(fù)載總功率限制：限制支路最大用電功率，支路功率超過設(shè)定值時，支路跳閘。夜間功率限制：需要與時間管理控制共同使用，在夜間模式下，支路電流超過設(shè)定值，支路跳閘。

3) 一進(jìn)三出：宿舍方案使用ADM130的儀表，可以分三路照明/插座/空調(diào)，三路單獨(dú)控制，單獨(dú)計量，單獨(dú)設(shè)置。

4) 基礎(chǔ)免費(fèi)電量：可根據(jù)管理要求，對各宿舍，不同區(qū)域獨(dú)立設(shè)置基礎(chǔ)電量，提供給學(xué)生一定的免費(fèi)電量。

5) 負(fù)控次數(shù)復(fù)位：超負(fù)荷斷電或使用禁用發(fā)熱電器自動斷電后可自動恢復(fù)供電，自動供電時間和次數(shù)可設(shè)。超過自動恢復(fù)次數(shù)后由管理員查明原因后臺恢復(fù)供電。

6) 定時通斷：根據(jù)生效日期設(shè)置、節(jié)假日設(shè)置、通斷時間段設(shè)置，來自動對宿舍供電進(jìn)行通斷。

7) 白名單管理：維護(hù)電器白名單的信息，自帶不低于30類學(xué)校常用電器使用特征的數(shù)據(jù)庫。支持學(xué)習(xí)其他電器使用特征，白名單負(fù)載不會識別惡性負(fù)載。

8) 夜間小電流：可以設(shè)置宿舍夜間小電流的使用，僅能供手機(jī)充電或夜燈使用。

9) 空調(diào)模式：當(dāng)一路設(shè)置為空調(diào)負(fù)載時，將會獨(dú)立判斷惡性負(fù)載。

針對公寓安全用電的隱患，本系統(tǒng)對違規(guī)用電提供了針對性制約控制功能，具備惡性負(fù)載控制、惡性負(fù)載失敗控制、分時段功率限制等措施，可有效制約違規(guī)用電，降低安全風(fēng)險。

3.1惡性負(fù)載控制

惡性負(fù)載又稱阻性負(fù)載，主要是指純阻性的直熱式電器(電烙鐵、燒水棒、電爐、電飯煲、電炒鍋、電熱杯、電吹風(fēng)、發(fā)夾板等)，由于其容易引發(fā) 火災(zāi)，因此在各大院校明令禁止使用.學(xué)生公寓用 電智能管理系統(tǒng)在。~24時之間，全時段對電路中的惡性負(fù)載進(jìn)行實時監(jiān)控，一旦有惡性負(fù)載接入，通過對主繼電器進(jìn)行操作，及時進(jìn)行斷電.當(dāng)惡性負(fù)載接入時，電表總負(fù)荷上升到一定高度持續(xù)運(yùn)行，同時，由于惡性負(fù)載的功率因數(shù)接近1,電路總負(fù)載的功率因數(shù)增加，因此，可認(rèn)定功率因數(shù) 高于某一值,并且啟動后功率維持在高位的電器 為惡性負(fù)載.通過本安全用電控制系統(tǒng)，可以對接入的惡性負(fù)載進(jìn)行識別控制.

3.2惡性負(fù)載識別控制

惡性負(fù)載識別控制主要包括開關(guān)值、受控功率區(qū)間值、功率因數(shù)閾值、恢復(fù)供電間隔時間和每 日恢復(fù)供電限制次數(shù).

當(dāng)開關(guān)值處于“報警"時，啟用惡性負(fù)載識別限制功能,并在惡性負(fù)載使用時報警；當(dāng)開關(guān)值處 于“跳閘"時，啟用惡性負(fù)載識別限制功能,并在惡性負(fù)載使用時跳閘；當(dāng)開關(guān)值處于“關(guān)"時,不啟用惡性負(fù)載識別限制功能.惡性負(fù)載的功率區(qū)間可從30 W起到最大為電表額定負(fù)荷，最多可以設(shè)6 個區(qū)間，當(dāng)設(shè)定功率區(qū)間內(nèi)的阻性負(fù)載投入使用時，電表將跳閘停止供電.為保證正常使用的負(fù)載，如飲水機(jī)、電熱水器等，可以在設(shè)定受控區(qū)間時加以區(qū)分，從而不受負(fù)載識別限制。

惡性負(fù)載的功率因數(shù)設(shè)為0.997,當(dāng)功率因數(shù)大于等于此值的受控功率區(qū)間的電器投入使用 時,電表自動跳閘，考慮具體用電環(huán)境，可在跳閘后自動恢復(fù)供電，斷電時間間隔以秒為單位,設(shè)定惡性負(fù)載跳閘后每日自動恢復(fù)供電的次數(shù)(3 ~5 次)，這由管理計算機(jī)鎖定并將標(biāo)志下傳到電表內(nèi)，當(dāng)自動恢復(fù)供電次數(shù)超過設(shè)定次數(shù)時,不再自動恢復(fù)供電，需要用戶到管理部門說明原因后，通過管理平臺重新恢復(fù)供電。

3.3分時段功率限制

該系統(tǒng)允許用戶的個性化，在0 ~ 24時之間，將時間分為1 ~6個時間段,并分別對各個時間段進(jìn)行總功率限制。

當(dāng)開關(guān)值處于“報警"時，啟用分時段功率限制功能，并在分時段功率限制使用時報警；當(dāng)開關(guān) 值處于“跳閘"時，啟用分時段功率限制功能,并在分時段功率限制使用時跳閘；當(dāng)開關(guān)值處于“開"時,啟用分時段功率限制功能;當(dāng)開關(guān)值處于“關(guān)"時,不啟用功率限制功能.分時段表的時間段最多 可設(shè)6個，每個時間段的起始時間、終止時間可在 上位機(jī)上設(shè)定，并下傳存儲于電表內(nèi)，由電表根據(jù) 設(shè)定時間自動執(zhí)行.若設(shè)置2個時段，則時段1的后一個值需小于時段2的前一個值，以此類推;功率閾值6個，對應(yīng)6個時段，不同時間段的閾值可 能相同，也可能不同;超負(fù)荷跳電后自動恢復(fù)供電的時間間隔，以秒為單位，最大值為9 999.超負(fù)荷 跳電后每日自動恢復(fù)供電的次數(shù)(3 - 10次)(每日，第二天清零或累計，通過系統(tǒng)處理),由上位機(jī) 設(shè)定并下傳存儲于電表內(nèi)，當(dāng)自動恢復(fù)供電次數(shù) 超過設(shè)定次數(shù)時，不再自動恢復(fù)供電，只能通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行開電，遠(yuǎn)程開電后或跨0:00時自動清空電表內(nèi)的跳電記錄，上位機(jī)內(nèi)的跳電記錄保存1 ~6個月，且可清除。

與傳統(tǒng)的學(xué)生宿舍供電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有以下主要優(yōu)勢：

(1) 用電安全.引進(jìn)校園智能用電管理系統(tǒng)， 提升了高校學(xué)生公寓用電管理效率和用電安全. 盡管有詳細(xì)的用電安全守則，但僅靠制度仍然難以避免超負(fù)荷用電、使用大功率高熱電器(電熱 棒、電磁爐、電暖器等)、線路私拉亂拉等現(xiàn)象.同時線路短路、漏電、電壓過高等不安全隱患也無法 預(yù)先消除.使用智能管理系統(tǒng)后，可有效解決上述問題。該系統(tǒng)具有用電安全保護(hù)措施，能迅速發(fā)現(xiàn) 不安全用電因素,及時主動上報管理員，并自動作出預(yù)定的制止措施，消除因?qū)W生亂用電器等行為 引發(fā)的火災(zāi)隱患，減少學(xué)校損失。

(2) 降低能耗.智能控制管理系統(tǒng)能分析用電，減少浪費(fèi)，節(jié)約用電，降低能耗。目前高校管理部門對用電狀況的了解程度不夠細(xì)致，不了解能 耗構(gòu)成，導(dǎo)致浪費(fèi)嚴(yán)重卻找不到源頭，采用智能管理系統(tǒng)后，可實時顯示用戶的用電量，自動分析用電明細(xì)，如果發(fā)現(xiàn)用電超標(biāo)、故障等現(xiàn)象，可以在平臺上報警，通知管理人員釆取措施，杜絕不合理用電,有效降低能耗.超標(biāo)、故障信息自動建立文 檔,供管理部門進(jìn)一步分析原因，釆取對策。

(3) 智能管理.該系統(tǒng)提供電腦終端遠(yuǎn)程自動抄表、遠(yuǎn)程充值、電腦自動換算電費(fèi)電量等功能, 不需要人工管理抄表，避免了由于系統(tǒng)問題與人員錯誤操作,減少了收費(fèi)管理日常用電管理等工作量;同時該系統(tǒng)可直接與學(xué)校財務(wù)管理系統(tǒng)對 接，提供安全便捷的數(shù)據(jù)輸出，有效提升后勤用電管理部門的工作效率，該系統(tǒng)實施后，受到學(xué)校后勤管理部門好評,管理人員處理故障強(qiáng)度下降，效率提升。

5.1平臺概述

AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對校園能源統(tǒng)計、后勤計費(fèi)管理、校園運(yùn)維管理等提供高校的信息化管理平臺。從“源、網(wǎng)、荷、儲、充"多個角度解析高校當(dāng)下及未來的用能問題及用能需求，在統(tǒng)一的需求下“實現(xiàn)能源互補(bǔ)、信息互通"等管理模式。助力學(xué)校管理智能化、數(shù)字化、綜合化，實現(xiàn)節(jié)能校園、綠色校園、低碳校園。

5.2平臺組成

AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺采用開放的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由設(shè)備層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層組成。AcrelEMS-EDU高校綜合能效平臺提供校園用能實時在線監(jiān)控、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、空調(diào)智能管理、用能排名、節(jié)能評估、宿舍惡性負(fù)載監(jiān)管等功能。

5.3平臺架構(gòu)

圖1 安科瑞能效管理方案架構(gòu)拓?fù)?/p>

學(xué)生宿舍用電管理系統(tǒng)主要基于2個主要目的：用電安全和預(yù)付費(fèi)管理。

宿舍用電主要有以下幾個需要解決的問題：

1) 違規(guī)使用惡性負(fù)載：首先大功率違章電器屢禁不止，冬天的電熱毯、電取暖器，夏天的電風(fēng)扇，日常的電熱水壺、熱得快，做飯的電飯煲、電磁爐，學(xué)習(xí)用的電腦，還有各種其它發(fā)熱的小家電。在使用完這些電器之后，如果忘記拔掉電源，電器在長時間使用后往往會導(dǎo)致火災(zāi)。

2) 設(shè)施老化：很多學(xué)校早期修建的宿舍樓，在當(dāng)時設(shè)計時，防火等方面做的不規(guī)范，宿舍供電線路負(fù)荷小，電源插座設(shè)計不合理或數(shù)量較少，多年使用線路老化等等多方面的原因。宿舍用電設(shè)備多，一旦負(fù)荷過大，會引起火災(zāi)的隱患。

3) 為了鼓勵節(jié)約用能，學(xué)校宿舍電費(fèi)水費(fèi)有一定的基礎(chǔ)補(bǔ)貼，補(bǔ)貼之外的需要學(xué)生自己承擔(dān)?；A(chǔ)補(bǔ)貼如何下發(fā)，如何通過校園一卡通繳費(fèi)都需要由系統(tǒng)來完成。

4) 學(xué)生宿舍有作息時間管理的要求，什么時候熄燈、開燈，那些負(fù)荷夜間要關(guān)閉哪些不能關(guān)都需要由系統(tǒng)來實現(xiàn)自動控制。

微信查詢功能

學(xué)生可以用手機(jī)在新中新一卡通微信平臺上，進(jìn)行用電充值、查詢用電情況。平臺具有用戶剩余電量微信提醒功能。

分時控制、三回路獨(dú)立控制用電管理

每間宿舍分空調(diào)、插座照明、衛(wèi)生間照明三路獨(dú)立電源配電，三路電源的供電保護(hù)、供電控制、供電時間相互獨(dú)立，可以由學(xué)院根據(jù)管理需要決定三條用電回路各自供電時間。

遠(yuǎn)程實時抄表計量功能

系統(tǒng)應(yīng)能夠遠(yuǎn)程實時讀取電能數(shù)據(jù)，電能數(shù)據(jù)采用通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)上傳至管理計算機(jī)。

違章電器實時監(jiān)控識別預(yù)警控制

系統(tǒng)應(yīng)具備惡性負(fù)載識別功能，自動識別學(xué)院規(guī)定禁止使用的各類違章電器（如熱得快、電吹風(fēng)、電熱毯、暖手煲等）功能，并及時自動斷電。

自動恢復(fù)供電功能

超負(fù)荷斷電或使用禁用發(fā)熱電器自動斷電后可自動恢復(fù)供電，自動供電時間可設(shè)。管理者可設(shè)定自動供電的次數(shù)，超過設(shè)定次數(shù)后系統(tǒng)不能再自動供電，需找管理者查明斷電原因后，由供電管理人員恢復(fù)供電。

控制權(quán)限管理

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)總體控制和分類控制管理。學(xué)院管理員可以管理全院學(xué)生公寓能耗對象，各樓幢管理員只能負(fù)責(zé)管理本樓幢能耗對象。

分戶計費(fèi)管理

可以進(jìn)行免費(fèi)基礎(chǔ)電量設(shè)置、預(yù)購電量、無費(fèi)關(guān)斷、用電情況查詢、退費(fèi)管理、房間調(diào)換進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、支持中途更換操作員、打印能耗管理報表等。

系統(tǒng)學(xué)習(xí)功能

自帶不低于30類學(xué)校常用電器使用特征的數(shù)據(jù)庫。不在特征數(shù)據(jù)庫的電器可以通過現(xiàn)場學(xué)習(xí)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。

7.1宿舍預(yù)付費(fèi)平臺