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学生宿舍安全用电智能管理终端设计
摘要：针对高校学生宿舍用电管理的复杂性以及安全用电的管理需求，设计了一种学生宿舍安全用电智能管理终端。测试结果表明，智能管理终端可快速识别接入宿舍回路的恶性负载，组合控制逻辑共同对宿舍用电进行，以满足学校后勤管理部门对学生宿舍的用电管理需求。
关键词：宿舍用电；智能管理；逻辑控制；负载识别
0 引言
随着社会经济的发展及学生公寓的普及，学生宿舍的用电情况发生了变化。科学、合理地管理学生宿舍的用电，成为学校后勤管理部门面临的一个十分重要的课题。综合调查比较学校学生宿舍的用电情况，总结学校用电管理有以下几个需求：
（1）电力商品化。传统的供电方式和从住宿费中平均收取电费的方法不适应现在用电设备日趋增多的需求，采取按需购电的方式实行电力商品化是势在必行的管理手段。
（2）用电安全。为避免学生在使用非安全用电设备时引起火灾情况，所以应考虑超负荷及恶性负载识别自动断电的控制措施。
（3）按需控制。为培养学生良好的生活习惯，规范学生的作息，应结合学校管理需求对学生宿舍的用电回路实施定时控制。
本文设计一种学生宿舍安全用电智能管理终端，以满足学校后勤管理部门对学生宿舍的用电管理需求。
1 功能设计
结合计量计费、智能及识别、断送电控制管理的要求，宿舍安全用电智能管理终端设计功能如下：
（1）累加计量总用电量，递减计量剩余电量；
（2）可实时检测电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等电力参数；
（3）支持对3个输出回路（如照明、插座、空调）作立控制；
（4）支持预付费控制、负载识别控制、时间控制、强制控制等4种逻辑控制功能；
（5）可查询各种日志记录。
2 硬件组成
宿舍安全用电智能管理终端采用功能的微控制单元（Micro Control Unit，MCU）设计。整机的硬件系统实现依据各个功能模块而展开，包含微处理器、电阻分压网络电压采样、电流互感器电流采样、三路磁保持继电器控制输出、铁电数据存储、液晶显示、按键输入、有功电能脉冲指示输出等。
安科瑞用电安全隐患系统通过安装智慧用电安全在线监测前端装置，可对用电环境的电压、电流、漏电、线端温度等物理量进行实时，并在显示界面直接显示出来，通过无线通信模块把数据实时上传到后台进行，实现安全用电智慧。
学生宿舍安全用电智能管理终端设计
3.2 负载限制及负载识别算法
当学生使用纯阻性负载的违规电器（恶性负载）时，极易导致电器火灾等安全事故，对学生的生命和财产安全造成影响；当学生使用过多的常规电器，但累加用电负荷过高，同样会造成安全事故。
因此，该管理终端从大功率限制和恶性负载识别两方面需求出发来决定负载控制结果，以宿舍用电安全。
大功率限制的方法比较简单，若所有负载功率和超过总功率大值，则判断为功率超限，切断宿舍供电回路。
对于恶性负载的判断，若也采用总功率判断的方法，则不能够被准确识别。测试小功率纯阻性恶性负载工作特性时，可发现其功率因数很高。但若直接测试宿舍总供电回路功率因数并不会很高，故本设计终端采取增量判断法，即实时检测用电回路功率因数增量，作为判断恶性负载的依据。在宿舍总用电回路总功率为超限的情形下，功率因数增量超过大设定值，则判断为恶性负载接入。
3.3 逻辑控制方式。
3.3.1 强制控制
高校宿舍中有部分宿舍会安排给相关管理人员和留学生住宿。这些宿舍往往是不切断电供电且没有负载、时间限制等。这种情况下，强制控制功能打开，则其他的控制功能将不起作用。另外，高校在有大型活动安排时，需要对各宿舍回路做统一的断送电处理，也需通过强制控制功能实现。
3.3.2 时间控制
高校学生较多，为统一安排作息，需统一按时通/断电，例如06:00~08:00为学生早晨起床洗漱时间，应保持照明和插座回路处于通电状态；08:00~11:00为学生上课时间，学生一般不在宿舍，切断所有回路；23:00~06:00为学生休息时间，应切断照明用电，但插座和空调用电回路正常供电；在周末，08:00~23:00，一般学生不用上课，大多数时间均在宿舍，此时应所有相关回路供电。
终端为照明、插座、空调回路均提供立的两套控制时段表，方便学校管理部门根据实际情况在不同的时刻控制不同的回路通/断电，满足定时控制管理的要求。
3.3.3 负载控制
终端为宿舍用电总回路提供负载控制，可识别恶性负载并迅速作出响应。
3.3.4 预付费控制
终端配合远程预付费售电管理系统可实现先交费后用电的功能。学生可根据宿舍用电情况自行，用以宿舍正常用电。当学生用完的电能后，终端会自行切除宿舍用电。学生若及时，可及时恢复供电。
3.3.5 组合控制
以上4种逻辑控制方式可单使用，也可组合使用。终端可根据强制控制、时间控制、负载控制、预付费控制的组合控制逻辑及级共同决定供电输出回路的通或断。
4 试验结果
恶性负载识别测试结果如表1所示。
由表1可知，管理终端可快速识别学生接入宿舍回路的恶性负载，并给出分闸命令。组合控制逻辑如表2所示，可实现时间段控制、负载控制、预付费控制等组合逻辑控制，共同对宿舍进行用电。
3 系统架构
安全用电管理平台采用分层分布式结构进行设计，即现场设备层、网络通讯层和站控管理层，详细拓扑结构如下：
各场所配电现场配电柜内安装漏电火灾探测器、剩余电流互感器、温度传感器以及电流互感器，用于采集并监测当前电气回路运行状况，当漏电火灾探测器加监测到电气回路中剩余电流、运行电流、温度、电压等参数超标时，马上发出声光报警信号，并将信号通过无线DTU进一步上传至云端服务器，通过云端服务器提醒智能调度技术人员；每个配电箱内配置一台无线DTU，无线DTU采用2G网络传输数据接收来自漏电火灾探测器的电气参数，并进一步上传至云端服务器；云端服务器通过租借阿里云服务器的模式，安装安全用电平台软件，智能调度技术人员通过客户端（本地电脑、手机APP、短信）接收平台软件提供的各种运行数据以及报警信息，及时提供运维服务。
4 安全用电平台功能
安全用电管理软件采用纯B/S结构，智能调度技术人员在客户端可通过IE浏览器访问所有软件功能，客户端无需安装任何客户端软件，支持多种平台访问，Web终端显示系统、APP终端软件、电气安全终端设备，手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本。
4.1 平台登陆
用户通过客户端电脑浏览器直接输入云服务器域名，通过用户名及授权密码，可以直接远程登陆安全用电管理软件。
4.2 平台首页
通过平台首页可以快速浏览隐患巡查界面或隐理界面、本月隐患、故障统计以及项目信息地图导航，智能调度技术人员可以及时通过曲线、地图等各种方式查看隐患数量、隐患位置、隐患发生频率以及任务的接收、下况，并可以通过项目列表、地图快速查定位需要查询的项目情况。
4.3 实时
通过实时界面，除了可以实时显示项目所属客户、地址、建筑面积、消防设施、安全责任人、联系电话、设备数量、探测器数量等信息，还以更醒目的方式显示了未处理报警和未处理故障信息，下属设备和探测器，并可以查看各设备以及探测器基本信息、开关操作、数据、实时数据、参数设置、历史信息和报警信息等。
4.4 隐患管理
隐患管理包括隐患巡查、隐理、和隐患记录，隐患巡查的目的是为了隐患产生之后下发工单，所以页面中只显示未下发工单的隐患记录，包括隐患类型、创建时间、项目名称、设备ID、位置、故障原因等记录，并且可以通过“派发”按钮，派发工作任务；隐理即工单处理，表示工单需要当前登录用户确认，形成隐理的闭环，页面中只显示发给当前登录用户且未处理的工单记录；隐患记录显示所有的隐患记录，可以按照隐患类型（报警、故障）、状态（未派发、已派发未处理、已派发已处理）分类显示，支持按照创建时间、项目名称、所在区域等条件来对隐患记录信息进行针对性的查询操作。
