探讨安全用电智能监控系统设计

时间：2021-12-13作者：安科瑞电子商务（上海）有限公司浏览：25

朱鹍

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：针对电气设备故障引发的各类火灾比例不断升高的问题，通过对电气基础数据、电气数据采集与上传、数据解析、异常数据分析、权限角色管理等进行研究，本文设计了一用电数据管理、预警提示的信息管理系统。系统采用B/S构架设计。Springboot+Mybatis整合框架建设后台，HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts实现前端，MySQL数据库存储数据。实现了基础数据管理、信息检索、数据可视化、系统安全、数据传输接口等功能，解决了用电数据难以远程监测和实时掌控的痛点。

关键词：SpringBoot；安全用电；数据管理。

0 引言

       随着**的发展，许多新兴电器设备出现在人们的视野中并被广泛接受使用[1]。伴随着智能化电气设备的普及，电气火灾问题也逐渐被人们所重视。中国公安部消防局火灾数据中心公布的数据显示，因电气设备故障引发的各类火灾报案占比高达34%。

       电气设备引发的火灾俨然已经成为人类生产生活中的拦路虎，有效遏制电气火灾高发势头势在必行，但是传统运行与维修模式存在着人工监测成本高、安全可靠性低、意外停电风险大、设备故障频次高等问题，难以满足现代发展的需求，在湖南师范大学电子技术相关实验基础上，设计了一套通过限电器采集学校、宿舍等公共场所的用电指标数据，如电流、电压、功率、温度、湿度、电阻等，从而判断电路短路、负载功率过高、电路温度升高或者电路进水等异常情况，并对其进行预警的安全用电智能监控系统。

1需求分析与关键技术

1.1需求分析

       安全用电智能监控系统是一套智能的电气数据采用监控系统。系统通过限电器采用节点的用电指标数据，然后通过物联网（IoT）数据传输模块将电气数据按约定的协议上传到服务器中，服务器接收到电气数据后数据进行解析、入库、分析、显示、预警等，本文的主要研究内容如下：

（1）电气数据采集，将限电器的指标数据，按约定协议通过物联网卡上传到云服务器中。

（2）在云端服务器研发UDP服务，与远程节点建立连接，接收并解析远程节点上传的数据，存储到数据库中。

（3）分析UDP服务器接收到的数据，根据电气数据指标所设定的阈值进行分析，对异常数据进行预警提示。

（4）对基础数据进行管理，包括电气指标、度量单位、用户信息、日志信息、权限信息、角色信息等。

（5）电气数据管理及可视化，对UDP服务器接收到的电气数据进行多维度查询与展示，方便用户直观的查、检索、导出所需要的数据，并对各指标数据进行可视化。

1.2关键技术

       系统采用B/S框架进行设计，Java语言进行开发，用Sprideatis作为软件开发平台。项目后端采用Springboot+Mybatis框架并进行整合，前端采用HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts进行开发，数据采用Mysql数据库进行存储。下面将对关键技术进行简单介绍。

       SpringBoot是基于Spring4.0设计，不仅继承了Spring框架原有的优秀特性，而且还通过简化配置来进一步简化了Spring应用的整个搭建和开发过程。SpringBoot通过集成大量的框架使得依赖包的版本冲突，以及引用的不稳定性等问题得到了很好的解决。

       MyBatis是一款优秀的持久层框架，它支持定制化SQL、存储过程以及映射。MyBatis避免了几乎所有的JDBC代码和手动设置参数以及获取结果集。MyBatis可以使用简单的XML或注解来配置和映射原生信息，将接口和Java的POJOs(PlainOrdinaryJavaObject,普通的Java对象)映射成数据库中的记录。

       ECharts是一个纯Javascript的可视化图表应用数据库，可以流畅的直接运行在所有PC和移动终端设备上，兼容当前绝大部分的网页浏览器(IE6/7/8/9/10/11，chrome，firefox，Safari等)，底层依赖轻量级的Canvas等类型的图表库ZRender，提供直观，生动，可人性化的交互，可高度使用的个性化量身定制的数据资源和可视化的图表。其的拖拽重计算、数据在线视图、值域在线漫游等功能特性大大程度增强了用户的体验。

       HTML5一直是互联网技术中较受关注的两个话题。HTML5用户带来了一组新的体验，如Web的音频和视频不再需要插件，通过Canvas可以灵活地完成图像绘制，而不必考虑屏幕的分辨率，流星器对可扩展矢量图（SVG）和数学标记语言（MathML）实现了本地支持等。

2系统设计

2.1设计目标

       安全用电智能监控系统以准确获取用电数据，解析存储电气数据，分析预警异常状态，及时提示管理用户，从而减少发生电气火灾为设计目标，设计一套集数据传输、数据解析、异常指标分析与预警、数据检测与可视化等功能的互联网安全用电智能监控系统。

2.2设计原则

       系统将设计时将采用合理、科学的系统架构，完整的功能层次框架，**系统的业务稳定、数据安全、简单易用，系统建设基于以下主要原则：

（1）易用性原则。系网站界面简洁明了,布局合理，页面浏览及操作提示直观清晰，适合电脑浏览器的使用习惯，帮助信息丰富，有利于用户获得相应信息及完成操作，有良好的用户体验。

（2）实用性原则。以完成为相关工作的业务需求为首要目标，避免贪大求全、盲目建设，避免盲目追求、新技术。

（3）高可靠性原则。在实用性的前提下，所采用的网络和信息化技术应是国际公认的主流技术，具有持续发展的潜力。

（4）适度和可扩展性原则。确定项目的硬件环境和基本配置，综合考虑项目实施后一段时间内信息容量、网络状况、信息存储、数据挖掘算法对硬件的需求等因素，为了避免硬件资源的浪费，制定的硬件平台应具有适当的规模，以及一定的前瞻性和扩展性。

2.3系统总体设计

       安全用电智能监控系统将分为四层进行设计：基础设施、数据中心、业务流程和信息服务，系统总体设计框图如图1所示。

 

2.4功能结构设计

       本系统功能结构设计包括数据接口（数据发送、数据接收、数据解析、数据入库），基础数据管理（指标管理、单位管理、阈值管理），信息查询（电气数据查询、异常数据查询），数据可视化（数据监控、数据趋势性分析），系统安全（权限管理、用户管理、角色管理、日志管理），系统功能结构图如图2所示。

 

（1）数据接口功能是实现限电器将节点上采集到的数据通过物联网卡上传到服务器中，服务器通过UDP服务接收到数据后按约定的协议进行数据解析，并将数组以设计的数据结构存储到数据库表中。

（2）基础数据管理功能主要实现采集的指标管理（如：电流、电压、功率、温度、湿度、电阻等）、度量单位管理以及指标的阈值设置管理。

（3）信息查询功能实现对数据库存储的电气数据进行多条件组合查询和异常数据的检索功能。

（4）数据可视化以图形可视化的形式实现用电数据实时变化情况，以及对用电数据的趋势性分析，方便用户直观的体验数据的变化情况。

（5）系统安全实现用户权限管理、用户管理、角色管理、日志管理等功能。管理员可以根据业务需要建立不同的角色，并给该角色分配不同的权限，当用户拥有该角色时，即可操作角色所包含的权限菜单。

2.5数据库设计

       系统采用MySQL数据库对数据进行数据存储。通过对系统业务流程及需求进行分析后，得出系统需要以下数据表结构来存储信息：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。系统数据库表关系ER图如图3所示：

 

3 系统应用与功能展示

       本系统采用Springboot、Mybatis、H5、CSS3、Echarts等技术实现了一套安全用电智能监控系统，系统通过限电器采集监控节点的电气指标数据，数据按约定协议上传到服务器后，再对数据进行解析、入库、分析、预警等一系列操作，通过电气数据分析判断客户用电安全情况，系统实现了数据传输接口、基础数据管理、数据查询、数据可视化、系统安全等功能。通过应用本系统能够有效地对硬件方面传输过来的数据进行准确判断，对出现异常的数据能够非常及时的发送预警信息，有效地降低用电带来的安全隐患，较大程度上保护用户的财产安全。如下图4实现了电气指标阈值配置功能，图5实现了电气指标数据异常预警功能。




4安科瑞安全用电云平台功能介绍及选型

4.1 安科瑞安全用电云平台介绍

       Acrelcloud-6000安全用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另一方面，云平台提供大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。




平台的整体结构图




具体功能如下：

（1）安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。

（2）安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。

（3）手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。

（4）能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气安全运行分析报告。

（5）监控探测终端产品满足法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。

（6）漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。

4.2 产品选型

4.2.1漏电火灾监控探测器




4.2.2故障电弧探测器

       安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD，共有两种电流等级，可监测回路故障电弧的发生，并及时预警，提醒用户处理，防止电弧导致的火灾的发生。

AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，该产品不可在同一台AF-GSM400下与ARCM混接。如图：




4.2.3限流式保护器

       安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1，有三种电流等级，可监测回路短路过载等故障信息，发生故障时预警和产生灭弧效果，防止电弧导致的火灾的发生。

       ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。

       以下是ASCP200-1的主要功能：

       短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现限流保护，并发出声光报警信号。

       过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间过动作时间（3…60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。

       表内温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器启动温限流保护，并发出声光报警信号。

       过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

       配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

       漏电流监测功能。当被监测的线路漏电过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

       保护器具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。

4.2.4剩余电流互感器




4.2.5 AF-GSM400-2G/4G无线上传模块

       AF-GSM400-2G/4G/CE模块是一款2G/4G有线无线模块，该无线模块为安全用电云平台**模块。

       AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月，单个模块可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟，如发生报警，会实时上传数据。

4.2.6 温度传感器




       温度传感器为一热敏电阻NTC，它提供0-120°的温度监控基准，可以用来监测线缆或配电箱体的温度，提供温度保护。



5 结论

       根据我国《民用电气设计标准》，低压配电系统主要分为三种：IT型式、TT型式和TN型式，在实际应用中，低压配电系统的保护接零、保护接地是控制人体触电的重要保护措施，这两种保护方式的技术原理存在较大差异，因此，对于不同的低压配电系统应采用不同接地形式，TN型式系统采用保护接零方式，TT、IT型式系统采用保护接地方式。

参考文献

[1] 张美琪.兼容分布式电源的直流配电系统的分析研究[D].北京交通大学,2014.

[2] 何鸿远.惠阳区中低压配电网规划研究[D].华南理工大学,2014.

[3] 朱玉滢.高层建筑电气中低压配电设计[J].价值工程,2014,28:49-50.

[4] 周方建.建筑电气工程中低压配电系统的安装与调试[J].山西建筑,2014,34:139-140.

[5] 马亮.针对低压配电系统的安全用电探讨

[6] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版

作者简介：

朱鹍，女，就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为企业能源管控

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