基于能耗監測的高校實驗室安全管理策略

支 琴， 熊順子， 彭華松

（上海交通大學a．招投標與政府采購辦公室；b．生命科學技術學院；c．資產管理與實驗室處，上海200240）

0 引 言

隨著高校實驗室安全管理逐步完善和研究項目范圍的不斷擴大，改革安全管理成為實驗室管理的核心。高校的實驗室建設和管理是一項系統工程。包括：樓宇管理（項目，融資，采購），信息管理（設備，實驗，研究）、人事、環境、安全管理和各類法規等。從管理角度來看，主要是人員、資金、產品、信息和項目等元素之間在不同組織空間、時間上的組合。這些因素包括多個實驗室工作子系統。安全管理是此子系統的優先事項。

實驗室安全管理主要包括設施和環境、人員、樣品處理和實驗儀器設備管理等。其中設施與環境管理主要是實驗室配套設施的運行、維護，在實驗環境安全的前提下提供規范、標準、安全的實驗條件。

本文從高校實驗室安全運行的要求出發，對實驗室復雜空間、設施設備的用電需求，以及實驗室用能負荷的要求進行梳理，提出了高校實驗室能耗監測平臺的架構，并通過實驗室各類能耗監測，對實驗室安全隱患進行識別并提出相應的平臺管理策略。

1 高校實驗室安全運行要求

1.1 實驗室用電負荷要求

實驗室必須滿足其內部設備的用電要求，實驗室的用電負荷有兩個特點：發展性與不確定性。發展性是指初始實驗室未充分利用，用電負荷低。隨著學科發展和實驗室建設規模的不斷擴大，實驗室使用時間和實驗設備數量與種類也在增加，從而增加了用電負載；不確定性主要針對電力負荷，即當實驗室作功能性調整或改進時，實驗裝置改變會導致電源類型和工作工況的改變。因此，實驗室能源系統的設計需充分考慮到預期的實驗室使用和功能計劃，并作擴展性的配置，以確保實驗室安全有效使用實驗室能源。

1.2 復雜空間的用電需求

實驗室面向不同學科的使用其供電需求也不同。由于實驗樓內坐落不同等級、不同學科的實驗室，因此實驗樓供電必須滿足復雜空間的用電需求。

根據國標GB19489-2008《實驗室生物安全通用要求》，不同實驗室所處對象、生物危害程度和采取的反復措施可分為4級；微生物生物安全實驗室4級。其采用BSL-1、BSL-2、BSL-3、BSL-4 表示；動物生物安全實驗室用ABSL-1、ABSL-2、ABSL-3、ABSL-4 表示相應級別。國標中對各等級實驗室的電力供應系統提出了要求：①電源符合實驗室的所有電氣要求，必需有冗余；②生物安全柜，鼓風機和排氣閥、照明系統、自動控制、監控和報警系統應配備連續電源（UPS），電源應至少保持30 min；③ 專用配電箱應安裝在安全的位置；④3級、4級實驗室供電管線應采用金屬管鋪設，穿過墻和樓板的電線管應加套管或采用專用電纜穿墻裝置。套管內用不收縮、不燃材料密封。

因此，根據各級實驗室復雜空間的布局，實驗室配電設計必須滿足規范要求，同時必須做好冗余。

1.3 實驗設備用電需求

實驗室內安裝有各種設備，其必須滿足各種設備的用電需求。這對供電系統設計、建造提出了更高的要求。比如，有些設備供電為220 V，有些為380 V供電。因此，在供電系統設計、建造時，必須把供電容量和電壓質量等納入考慮范圍。若供電不符合設備要求或電能質量考慮不足，會導致整個供電系統超負荷，供電線路過熱而引起安全事故。

電源的質量是指供電系統電源各參數的穩定性和可靠性，包括三相平衡、電壓波動幅度等，是實驗用電安全運行要求的重點與核心。

2 實驗室能耗監測平臺的構建

基于以上要求，高校實驗室的安全管理基礎是構建實驗室能耗監測平臺，本次改造以校生物藥學樓群為例，在全校節能監管平臺系統架構下，通過校園網絡資源，實現學院2級能耗數據的實時采集、遠程傳輸、動態管理等。

2.1 項目概況

生物醫藥樓群位于閔行校區，共有9棟建筑組成，每棟建筑各層設有獨立的強電間及配電柜，配電柜可分為樓層照明插座專用、樓層動力專用（空調及插座）。樓群建有2間獨立的400 V配電室（09-1、09-2站）為本大樓供電，4臺10 kV、400 V變壓器容量分別為1 600 kVA。共有52個配電回路已安裝有施耐德PM800系列智能電表，作為1級計量已納入學校原有的校園節能監管平臺。樓群內部計量尚不完備。

2.2 建設內容

為提升管理精度，須定位實驗室安全隱患點，生物醫藥樓群能耗監測平臺以實驗室重點用能設施、設備以及復雜區域與監測對象，通過增加數據采集模塊，實驗室計量表進行改造，其主要建設內容：① 分項計量改造。安裝大樓總表以及動力照明、空調、插座以及特殊用電進行分項計量改造。② 分戶計量改造。部分房間供電線路重新設計，并添加分戶電表，以獨立控制和管理每個房間能耗。③復雜空間線路及計量改造：大樓內公共部分用電由于配電房空間及線路復雜的原因（如：走廊、衛生間、電梯、開水器等）安裝相應計量表，對相應能耗進行監測。④線路梳理與調整。統籌供電線路，減少額外用電控制回路，實現房間用電高效計量。同時，對現有房間用電計量線路亂拉亂接現狀進行調整，接到相對應的控制箱上，盡可能減少因用電超載而造成的用電安全隱患；⑤監測系統建設。

2.3 平臺架構

實驗室能耗監測系統建設采用分層分布式的銜接方式，根據各物理設備可劃分為4個層級：監管層、管理層、通信層及設備層。平臺架構如圖1所示。

圖1 平臺架構

其中監管層由校級能耗監管平臺組成；管理層由各2級單位實驗室能耗數據中心、數據中轉站兩部分組成；通信層主要由數據采集網關及交換機等通信設備組成；設備層由各類智能電表組成。各層級的詳細物理設備組成情況如下：

能耗數據中心設有數據庫服務器、分析數據庫、運維工作站、UPS電源、物理防火墻等硬件配置。能耗監測數據中心負責將本學校范圍內的監測對象，采集其設備層傳輸的用能數據，執行數據整合、存儲、分析、計算，輸出至終端顯示設備、并最終上傳至數據監管層。

數據中轉站設有數據中轉服務器、數據中轉軟件等設備。數據中轉站負責將監測數據實時匯總、分析處理與分戶計量數據中心實現兼容，共享系統數據。

通信層包括數據采集網關、工業交換機等，主要負責連接管理層和設備層之間的信號傳輸和數據共享。

設備層主要是用來監測和采集現場電表數據，由本項目安裝的智能遠程電表組成。

2.4 功能設計

校園節能監管系統是指對校園建筑及設施安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時采集能耗數據，實現校園建筑及設施能耗的實時監測和動態分析等功能的硬件和軟件系統總稱。系統由數據采集、數據傳輸系統和數據中心組成。數據采集系統包括計量裝置、現場總線、數據網關設備等；數據傳輸系統包括數據傳輸網絡和數據中轉站等；數據中心包括數據存儲與處理、管理平臺、數據上傳接口軟件以及服務器、網絡設備、存儲設備等。

校園節能監管系統基于互聯網技術，采用B／S軟件架構。數據網絡傳輸應優先并充分利用校園網作為數據傳輸網絡，采用TCP／IP協議。

校園節能監管系統應具備能耗數據采集、遠程傳輸、自動分類統計、數據分析、指標比對、圖表顯示、報表管理、數據儲存、數據上傳等功能，滿足校園節能監管要求。

本軟件采用標準的B／S（Browser／Server）架構，即瀏覽器和服務器結構。它是一次性到位開發，能實現不同人員，從不同地點，以不同接入方式（比如LAN，WAN，Internet／Intranet等）訪問和操作共同的數據庫；它能有效地保護數據平臺和管理訪問權限，服務器數據庫也很安全。

B／S架構維護和升級方式簡單。目前，軟件系統改進和升級越來越頻繁，B／S架構產品明顯體現著更為方便特性。B／S架構的軟件只需管理服務器，所有客戶端只是瀏覽器，根本不需做任何維護。無論用戶規模有多大，有多少分支機構都不會增加任何維護升級的工作量，所有操作只需針對服務器進行。

系統邏輯架構分為數據層、應用層和訪問層3個層次。目的是將系統各個運轉功能獨立分開，達到靈活擴充系統功能、降低故障率為目的，盡量減少各個子系統之間的耦合度，可以靈活地調整各子系統功能，彼此獨立運行，方便后續維護工作，增強系統的一致性、擴展性和兼容性。

數據層包括數據存儲、數據讀取、數據備份和讀寫分離中間件子系統，讀寫分離中間件通過mysql-proxy實現，主要目的是提高整個能耗系統的訪問速度，讀寫分離是把對數據庫讀和寫的操作分開對應不同的數據庫服務器，這樣可有效減輕數據庫壓力，也可減輕IO壓力。主數據庫提供寫操作，從數據庫提供讀操作，在能耗監管系統中，讀取數據庫的時間占據很大部分。當主數據庫進行寫操作時，數據要同步到從數據庫，這樣才能有效保證數據庫完整性。

應用層從邏輯上可劃分為數據處理、消息管理、分析展示和后臺管理等大類，每類下有一個或多個子系統。將應用層軟件系統劃分成各個相對獨立的子系統，盡量減少各個子系統之間的耦合度，可以靈活地調整各子系統功能，彼此獨立運行，方便后續的維護工作，增強系統的一致性、擴展性和兼容性。

訪問層可以同時實現網頁和移動客戶端訪問，網頁使用HTML、JS、PHP、WebGL等語言和技術進行開發，用戶訪問時無需安裝任何插件，支持所有分辨率自動切換，移動客戶端通過swift和java進行開發。

3 實驗室安全隱患識別及其管理策略

通過能耗監測平臺，對實驗室用能設施設備進行數據采集、數據監測和數據分析，針對實驗室的用能特點，提出諧波處理、三相平衡等處理措施，同時通過平臺實現違規用電、突發斷電等情況的識別和處理，為實驗室安全用能管理提供多種管理和技術處理措施。

3.1 諧波處理

供電系統中的諧波是對周期性非正弦電量進行傅里葉級數分解，得到與電網基波頻率相同的分量和一系列大于電網基波頻率的分量，這些分量稱為諧波。在實際應用中諧波的產生主要是由于供電系統中存在大容量整流或換流設備以及非線性負荷，導致電流波形畸變而造成的。大量諧波的存在給供電系統帶來了巨大的危害，具體體現在：① 諧波會增加用電設備的功率損耗和電能損耗；電流不穩定會導致設備過熱，降低設備利用率。如，過熱的電力布線，絕緣老化，照明設備的閃爍顯示等；②供電系統產生的諧波可能與某些實驗設備電器元件發生諧振，形成諧波放大現象，從而導致產生數據的不正確；③大量諧波會引起開關發生故障，開關柜中斷，嚴重時損壞設備，電力系統的安全使用受到威脅。

基于以上問題，本次改造采用了有源濾波的方式對諧波進行治理。APF有源濾波器具有工作環境廣泛、動態管理等特點，其中重點是高控制和快速響應。APF不僅可以過濾，還可以自動監控并快速響應；不產生對系統的阻抗，使其過濾效率穩定。隨著大功率自動關閉裝置的不斷發展，特別是在引入微控制器技術之后，有源濾波技術得到了高度發展，并逐漸從用戶自身的諧波抑制擴展到整個電力系統的電能質量控制。同時，平臺輔助有源濾波器對電力諧波進行檢測。在重點用能時間中，任何電力諧波異常都會以警告形式在首頁表現。改造中，對該樓群進行了一次諧波檢測，結果如表1所示。

表1 諧波檢測表

從表1可以看出，該樓群總用電質量較好。諧波大多出現在17次以下的奇數部分，且占比較少。

3.2 三相平衡

三相不平衡是指由各項功率不平衡引起的非對稱三相電源現象，這是基本的負載不平衡問題。根據國標的現行規定（GB-T 15543—1995《三相電壓允許不平衡度》），供電系統中各接口正常電壓允許在2%以內波動、短時間內電壓波動不得超過4%。其中為確保交換保護和自動設備發出正確的行動，短期允許值一詞并不意味著應始終假設規定的限值。對每個用戶接入公共連接點的正常電壓不平衡度允許值一般為1．3%。

三相不平衡是電能質量分析的關鍵指標。在高校實驗室設施設備運行場景中，實驗室設施設備的運行遵循科研活動規律，具有負載形式多樣、運行不確定等特點，其供電系統存在一定的三相不平衡情況。各相之間的不平衡會導致用電設備使用壽命縮短，加速部件的更換頻率，增加設備維護的成本。在三相電壓不平衡的情況下供電也會嚴重危及用電設備的安全運行。

因此，本次能耗監測系統建設加裝了電壓監控模塊，跟蹤監控學院樓群各區域三相電壓情況。通過直觀展示各位置三線電壓情況，解決接線問題導致的單相大負荷、不平衡。通過改變樓群各項界限負荷，加強對各樓層實驗室用電的就地管理。同時，電壓監控模塊還有報警功能，對短時間電壓不平衡度大于2%的情況在平臺中進行告警通知，從而加強設備的運行管理。

表2 三相電壓不平衡表

通過NEMA定義、平臺線電壓檢測數據計算得到電壓不平衡表。該樓于9：00—18：00電壓不穩定度存在一個長時間的震蕩，由此平臺分析本日重點用電管理時間為9：00—18：00。每日的數據都會儲存入數據庫，每月平臺會將全月數據進行整合取平均重點用電管理時間作為下月的參考數據。在重點用電管理時間中，平臺將重點區域的用能情況展示在首頁以便查看并作出應對處理。

3.3 違規用電

減少實驗室中違規用電一直是用電管理的重點。如果沒有正確安裝實驗室線路，導線被打結、劃傷、切割、擠壓或被腐蝕受潮，導致線路外包絕緣層破壞。長此以往，導致火線與零線相碰引起短路，有巨大的危險；插座、插線板使用不當同樣會引起短路。如果插線板使用時間過長，或接入過多用電器而超過插線板使用范圍，造成插線板損壞、發熱、挑火。實驗室的插頭經過長時間使用，產生老化、接觸不良等狀態，對整個實驗樓供電線系統造成損害。短路時，電流強度很大。巨大的電流會產生極高的溫度，使電線的絕緣保護層融化，點燃周圍的易燃物導致火災。

本次改造在樓宇分項電表中加入電流檢測功能，實時傳輸電流數據到能耗監測系統中，物業管理人員可以在網頁上統籌管理電流狀態。同時，還加裝了電流報警功能面對超過平時電流100%的檢測位點，及時與物業管理人員報告，減少事故風險。

3.4 突發斷電

不同實驗室的運行時間也是不同的。某一些實驗室中存在樣品保存設備（如冰箱、烘箱等），必須保障其24 h運行。因此，對于突發斷電的處理也是實驗室安全用電管理的一部分。管理者需要為電路設施保障穩定的電力供應，避免因停電而造成經濟損失或者事故。高校普遍使用UPS（不間斷電源）作為斷電保護措施；UPS保護時間較短，無法面對發生在夜晚、斷電時間較長的情況。

本次改造建立斷電報警系統，包括信號采集、電路識別等，報警器的信息大部分來源于電壓或者電流。關聯管理人員移動電話或管理平臺計算機屏幕由GSM消息單元可以提供。在正常情況下，系統通道不會發送警告消息。當供電參數超過正常范圍時，分戶計量平臺首頁上將產生警報。當警報事件持續時間超過半個小時后，警報信息會立即通過GSM系統對管理人員進行通知，以便及時采取必要的保護與保障措施，從而保障實驗室設備與人員的安全。

4 結 語

實驗室管理是大學教育和科研順利進行的重要保障，也是大學管理的重要組成部分。作為高校管理的重要組成部分，實驗室管理質量反映了高校自身管理水平。該系統投入運行后，實現了科研樓群的各實驗室用電分項的實時監測和記錄、不同時段電能分項的統計與計費、用電設備的使用登記與檔案管理。其在安全工作，節約能源，用電管理方面有著重大意義；同時用電狀況檢測模塊實現了整樓電流、電壓的實時監測，減少了實驗室安全事件，保護了實驗室中的人員與儀器，也具有重大的社會意義。

運用能耗監測平臺實現高校實驗室安全、精確的管理，已逐漸成為未來高校實驗室管理的主要趨勢。后續，院系能耗平臺監測平臺與校區規模的能耗管理平臺對接建立全校的實驗室用電管理體系，達到統一管理、統一保障的效果。

·名人名言·

科學實驗是科學理論的源泉，是自然科學的根本，也是工程技術的基礎。

——張文裕