高校學生公寓安全用電智能控制與管理系統研究

林進鵬， 蘇少琳

(廣州大學 后勤產業處基建處， 廣東 廣州 510006)

高校學生公寓安全用電智能控制與管理系統研究

林進鵬， 蘇少琳

(廣州大學 后勤產業處基建處， 廣東 廣州 510006)

為消除高校學生因違章使用大功率電器，導致宿舍用電線路過載，從而引發火災的隱患，文章將安全用電與用電管理統一考慮，設計并實施了安全用電智能控制與管理系統.對該系統的工作原理和功能進行了詳細介紹，并分析了實施該系統的主要優勢.結果表明，該系統對提高后勤部門管理效率，保障高校公寓的用電安全，降低學校的運營成本具有顯著的作用.

學生公寓； 智能管理系統； 惡性負載識別； 安全用電

隨著社會經濟的發展，物質生活水平不斷提高，高校學生公寓的住宿條件也逐步提高.公寓內的配置由過去滿足基本生活需求的設備，到如今擁有電熱水器、空調、電腦等較為現代的用電設備.另外，由于信息時代的到來，學生需要從電視、網絡中學習知識，了解信息動態，查找資料，這些需求導致學生公寓的供電方式也隨之發生改變，全天供電成為了學生日常生活的基本要求.以往對學生公寓的用電管理主要是采取限電流、定時間斷送電的用電管理模式，這顯然已經無法滿足大學生學習的需求[1].對高校公寓供電需求的調研結果表明，約 90%的學生對宿舍定時供電持不滿意態度，對全天供電滿意率則為 100%[2].值得注意的是，由于大量使用電器，尤其是一些大功率不安全的電器，如燒開水用的電爐、“熱得快”等產品的違規使用[3]，給學生公寓帶來了極大的安全隱患，對學生人生安全和財產安全造成了極大的威脅，若不加以限制，一旦發生電氣火災等重大事故，將帶來無法挽回的嚴重后果.

因此，對于學生公寓的用電管理，不能局限于一些傳統的用電管理方式上，需要充分考慮學生公寓用電的實際情況，采取更為科學而完善的技術手段，制定一種適合學生公寓用電特征的智能化用電管理方案[4-5].通過對學生公寓內用電監控進行更深入的研究，將安全用電和用電管理統一考慮，建立高效的安全用電智能控制管理系統，既保障公寓用電安全，又降低公寓能耗，同時提高學校后勤部門的管理工作效率.基于這一認識，本研究設計并實施了一個適合于高校學生公寓安全用電的智能控制與管理系統.

1 高校學生公寓用電管理現狀

本研究以廣東地區某高校學生公寓為對象，對該公寓的用電情況和用電管理進行了深入調查，并進行了實地考察走訪，發現該學校目前使用的電表均為機械表，計量效果不理想，在管理方式上也存在一些問題，主要體現在以下3個方面[6]：

(1)電表老化.該學生公寓采用老式機械計量電表，并已持續使用多年，超出了保質期，計量精度和安全都無法保證.不僅給學校帶來經濟損失，而且產生電氣安全事故隱患.

(2)管理功能單一.學生公寓用電管理基本上采用定時管理，入房檢查方式.這不僅無法滿足當今用電管理需求，而且難于管理違規用電.不能限制由于違規使用電熱器、電飯鍋、大功率電器導致的超負荷，易引發宿舍電氣火災.

(3)管理效率低下.主要依靠人工抄表方式統計耗電量，不能實時發現異常用電，消除隱患；在數據異常時，無法提供依據，導致爭議.

經過調查，以上現象是大多數高校學生公寓普遍存在的現象，也是困擾高校后勤管理部門的主要問題.因此，對高校學生公寓采用高效的智能化用電管理措施，消除違規用電帶來的安全隱患，提升后勤管理部門管理效益，通過技術管理措施降低學生公寓能耗是急需解決的問題.

2 安全用電智能控制管理系統設計

根據上述分析，本研究設計了一種針對高校學生公寓的安全用電智能控制管理系統，以期能夠解決目前存在的問題.

2.1 系統結構

本系統由以下幾部分構成：計量采集系統(計量設備)，數據傳輸系統(通信設備)，管理平臺(數據處理、用戶服務與管理).該系統具備智能用電管理功能，可實時監測學生公寓用電信息，并通過管理平臺的數據分析功能，為學校管理部門提供依據，進而解決用電過程中存在的問題.通過科學化、智能化的用電管理，實現安全用電、便捷管理、高效穩定運行的目的.該系統結構見圖1.

圖1 安全用電管理系統結構圖Fig.1 Structure of electrical safety management system

計量采集系統實現數據采集和電能計量功能，并提供異常保護和預付費功能，實現用電計量、預付費、安全用電管理的基本功能.計量采集系統分戶設置，具備通信接口，可方便組構管理網絡[7-8].

數據傳輸系統實現數據傳輸功能，采用以太網數據采集器將電表與系統管理平臺服務器連通.每臺采集器具備獨立的 IP 地址.傳輸網利用校園通信網絡以節省成本，從學校提供的網絡端口引到交換機.

管理平臺實現數據處理與數據服務功能，提供預付費管理(包含充值、退電、財務統計等)，用電分析，用電實時監控(包含電流、電壓、功率、剩余金額等)，用電管理(包含定時通斷電、違規電器管理、負荷限制等)，用戶自助查詢等.管理平臺包括了3個子系統，即網絡預付費管理系統、校園能耗監控系統、用電信息查詢系統.用戶服務系統主要是存儲整套系統的數據信息，提供系統的人機界面，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器進行系統管理；另外該系統還有配套設備，主要用于預付費管理系統的功能擴展及補充，配套設備包括售電及查詢終端、短信貓、LED 顯示屏、自助充值終端等多種.管理系統主要是連接學校相關職能部門，把系統的重要信息反饋到各主要職能部門，實現人員的有效管理.

圖2 是安全用電管理系統實施案例的系統結構圖.

2.2 系統功能

該系統具有以下功能：

(1)用電遠程計量，提升效率

采用 DDZY1225-U 型單相網絡預付費智能電能表進行用電計量.低功耗、長壽命、精度高、功能全、安全可靠.能耗數據自動上傳，自動抄表.

(2)用電總功率限制，綠色用電

本功能主要用于學生宿舍的用電總功率限制，保證用電安全.可設置1 d內不同時間段允許的總功率不同(最多 6 個時間段).超功率后可設置報警提醒用戶或者直接斷電.這樣，一方面可限制主用電時段學生的總用電功率.另一方面可實現夜間小電流運行模式，即夜間允許學生使用充電器、小臺燈等低功率電器，而不允許使用電視機、電腦等大功率電器，從而在保障學生夜間正常休息的前提下，做到人性化的管理.

圖2 安全用電管理系統實施案例的系統結構圖
Fig.2 The system structure diagram of electrical safety management system

(3)惡性負載限制，保障安全

本功能主要用于學生宿舍違章電器的管理，有效地避免了發熱電器及大功率電器引發的安全事故.當學生宿舍使用電爐、熱得快、電燙斗等違規大功率電器時，系統將自動識別為惡性負載，自動切斷電源或報警.如果自動切斷供電，過一段時間(可設置)后可自動恢復，如果1 d內多處違章用電跳閘，則跳閘后只能由管理員再手動恢復.

(4)實時監控，智能管理

在設定的時段內電表主動跳閘斷電，實現定時開關電功能.通過設置相關參數可靈活地設定定時開關電方案.本功能主要用于學生宿舍、公共用電(包括路燈、教室燈、景觀用電等)的定時控制.1 d可設置最多 6 組定時開關電時間.不管電表在何種狀態下，均可通過管理軟件遠程對電表進行通斷電.實時查看系統下面所有表計的當前用電狀態，包括剩余金額、總用電量、電流、電壓、功率、功率因數等參數.查看的數據為實時數據，根據用電狀態自動更新.并對電表進行實時通電、斷電操作.

(5)違章記錄，提升管理質量

用電檢修、線路不安全用電等引起的電表進線端斷電，電表會自動記錄并告之服務器.學生使用熱得快等違章電器時，電表會自動斷電并記錄，同時告之服務器.管理員可輕松地通過軟件系統對上述斷電及違章事件進行全面掌握.

(6)靈活用電管理

在管理平臺上配置好參數后，系統可自動記錄和顯示房間電表的總用電量、剩余金額、電流、電壓、違規用電記錄等信息.作為用電分析、結算、違章用電處理的數據源.同時，可根據管理規定定期向用戶自動贈送免費的用電額度.可以設置每房每月贈送多少，或者每人每月贈送多少.不同類型的用戶贈送額度可不一樣(如本科生與研究生贈送額度不同、教師與學生贈送額度不同).可按月、按季度、按學期贈送.1 a內哪些月份需要贈送是可設的.對于沒有使用完的補助電，既可選擇清零，也可累加.

(7)多客戶端分權設計

本系統可設置多個管理端，各管理端通過內部網絡連接到服務器，同時進行數據共享.各個管理員可獨立進行售電、退電、用電分析、基礎信息維護等操作，用戶可進行用電信息查詢.可設置多個管理員級別，不同級別具有不同的管理權限.最高級管理員可進行下屬所有的管理.同一級別可設置多個管理員.

(8)階梯電價,分時電價

電表帶階梯電價、分時電價功能.可按給定的梯度執行階梯電價，也可按照給定的時段及電價執行分時電價.梯度、分時時段、電價可設.本功能可選是否啟用.

(9)安全的數據存儲

電表數據，在電表斷電、表內電表沒電的狀態下，可保存10 a以上.電表突然停電等，不會影響數據的存儲，數據不丟失，且數據容量大、可靠性高、安全性強.所有數據采用獨有安全加密機制存儲.

(10)支持綠色校園管理

該系統電表符合國家電網相關標準，通訊協議采用標準 DL/T 645-2007 協議.能為學校后續的節能監管平臺提供基礎源數據，實現系統無縫對接.

(11)網絡預付費

預付費，先充值后用電，欠費后自動跳閘斷電，充值后立即將充值信息下傳到電表，電表自動合閘送電.對于不需要預付費的用戶，可設置為后付費工作模式.

遠程充值，電表采用無卡式設計，通過 485 和校園網與服務器連通，用戶充值后，系統自動充值.不需要接觸電表實體，避免安全事故并延長電表使用壽命.

3 安全用電控制

針對公寓安全用電的隱患，本系統對違規用電提供了針對性制約控制功能，具備惡性負載控制、惡性負載失敗控制、分時段功率限制等措施，可有效制約違規用電，降低安全風險.

3.1 惡性負載控制

惡性負載又稱阻性負載，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、發夾板等)，由于其容易引發火災，因此在各大院校明令禁止使用.學生公寓用電智能管理系統在 0～24 時之間，全時段對電路中的惡性負載進行實時監控，一旦有惡性負載接入，通過對主繼電器進行操作，及時進行斷電.當惡性負載接入時，電表總負荷上升到一定高度持續運行，同時，由于惡性負載的功率因數接近 1，電路總負載的功率因數增加，因此，可認定功率因數高于某一值，并且啟動后功率維持在高位的電器為惡性負載.通過本安全用電控制系統，可以對接入的惡性負載進行識別控制.

3.2 惡性負載識別控制

惡性負載識別控制主要包括開關值、受控功率區間值、功率因數閾值、恢復供電間隔時間和每日恢復供電限制次數.

當開關值處于“報警”時，啟用惡性負載識別限制功能，并在惡性負載使用時報警；當開關值處于“跳閘”時，啟用惡性負載識別限制功能，并在惡性負載使用時跳閘；當開關值處于“關”時，不啟用惡性負載識別限制功能.惡性負載的功率區間可從30 W 起到最大為電表額定負荷，最多可以設 6 個區間，當設定功率區間內的阻性負載投入使用時，電表將跳閘停止供電.為保證正常使用的負載，如飲水機、電熱水器等，可以在設定受控區間時加以區分，從而不受負載識別限制[9-10].

惡性負載的功率因數設為 0.997，當功率因數大于等于此值的受控功率區間的電器投入使用時，電表自動跳閘，考慮具體用電環境，可在跳閘后自動恢復供電，斷電時間間隔以秒為單位，設定惡性負載跳閘后每日自動恢復供電的次數(3～5 次)，這由管理計算機鎖定并將標志下傳到電表內，當自動恢復供電次數超過設定次數時，不再自動恢復供電，需要用戶到管理部門說明原因后，通過管理平臺重新恢復供電.圖3是惡性負載識別設置界面.

圖3 惡性負載識別設置界面Fig.3 Settings interface of malignant load identification

3.3 分時段功率限制

該系統允許用戶的個性化，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行總功率限制.

當開關值處于“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；當開關值處于“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；當開關值處于“開”時，啟用分時段功率限制功能；當開關值處于“關”時，不啟用功率限制功能.分時段表的時間段最多可設 6 個，每個時間段的起始時間、終止時間可在上位機上設定，并下傳存儲于電表內，由電表根據設定時間自動執行.若設置 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6個時段，不同時間段的閾值可能相同，也可能不同；超負荷跳電后自動恢復供電的時間間隔，以秒為單位，最大值為9 999.超負荷跳電后每日自動恢復供電的次數(3～10次)(每日，第二天清零或累計，通過系統處理)，由上位機設定并下傳存儲于電表內，當自動恢復供電次數超過設定次數時，不再自動恢復供電，只能通過上位機遠程控制進行開電，遠程開電后或跨0:00時自動清空電表內的跳電記錄，上位機內的跳電記錄保存1～6個月，且可清除.

4 安全用電管理系統優勢

與傳統的學生宿舍供電系統相比，該系統具有以下主要優勢：

(1)用電安全.引進校園智能用電管理系統，提升了高校學生公寓用電管理效率和用電安全.盡管有詳細的用電安全守則，但僅靠制度仍然難以避免超負荷用電、使用大功率高熱電器(電熱棒、電磁爐、電暖器等)、線路私拉亂拉等現象.同時線路短路、漏電、電壓過高等不安全隱患也無法預先消除.使用智能管理系統后，可有效解決上述問題.該系統具有用電安全保護措施，能迅速發現不安全用電因素，及時主動上報管理員，并自動作出預定的制止措施，消除因學生亂用電器等行為引發的火災隱患，減少學校損失.

(2)降低能耗.智能控制管理系統能分析用電，減少浪費，節約用電，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致，不了解能耗構成，導致浪費嚴重卻找不到源頭，采用智能管理系統后，可實時顯示用戶的用電量，自動分析用電明細，如果發現用電超標、故障等現象，可以在平臺上報警，通知管理人員采取措施，杜絕不合理用電，有效降低能耗.超標、故障信息自動建立文檔，供管理部門進一步分析原因，采取對策.

(3)智能管理.該系統提供電腦終端遠程自動抄表、遠程充值、電腦自動換算電費電量等功能，不需要人工管理抄表，避免了由于系統問題與人員錯誤操作，減少了收費管理日常用電管理等工作量；同時該系統可直接與學校財務管理系統對接，提供安全便捷的數據輸出，有效提升后勤用電管理部門的工作效率，該系統實施后，受到學校后勤管理部門一致好評，管理人員處理故障強度下降，效率提升.

5 結束語

針對當前高校學生公寓的用電現狀和亟待解決的安全問題，本研究提出并設計了高校學生公寓用電安全智能控制管理系統技術解決方案，本文對該系統的功能和特征進行了分析和說明，該系統對提高學校后勤部門的管理效率，保障高校公寓的用電安全，降低學校的運營成本具有明顯的作用.

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【責任編輯： 陳 鋼】

Research on intelligent control and management system of electricity safety in the university apartments

LIN Jin-peng, SU shao-lin

(Department of Logistics Industry and Infrastructure Construction, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

In order to avoid the fire danger caused by violation in using high-power electricity appliances in the University apartments, the electricity security and electricity management are considered together and the intelligent control management system is designed and applied. The operational principle and function about the system are introduced in detail and the benefits about using the system are analyzed in the paper. The results show that the system has a significant effect on improving the management efficiency, ensuring the electric safety in the University apartments and reducing the operating cost of University.

university student apartments; intelligent control and management system; malignant load identification; electricity safety

2016-09-12;

2016-09-27

林進鵬(1966-)，男，高級工程師，E-mail:80401633@qq.com

1671- 4229(2016)06-0073-06

TM 933