高校学生公寓安全用电智能控制与管理系统研究

林进鹏， 苏少琳

(广州大学 后勤产业处基建处， 广东 广州 510006)

高校学生公寓安全用电智能控制与管理系统研究

林进鹏， 苏少琳

(广州大学 后勤产业处基建处， 广东 广州 510006)

为消除高校学生因违章使用大功率电器，导致宿舍用电线路过载，从而引发火灾的隐患，文章将安全用电与用电管理统一考虑，设计并实施了安全用电智能控制与管理系统.对该系统的工作原理和功能进行了详细介绍，并分析了实施该系统的主要优势.结果表明，该系统对提高后勤部门管理效率，保障高校公寓的用电安全，降低学校的运营成本具有显著的作用.

学生公寓； 智能管理系统； 恶性负载识别； 安全用电

随着社会经济的发展，物质生活水平不断提高，高校学生公寓的住宿条件也逐步提高.公寓内的配置由过去满足基本生活需求的设备，到如今拥有电热水器、空调、电脑等较为现代的用电设备.另外，由于信息时代的到来，学生需要从电视、网络中学习知识，了解信息动态，查找资料，这些需求导致学生公寓的供电方式也随之发生改变，全天供电成为了学生日常生活的基本要求.以往对学生公寓的用电管理主要是采取限电流、定时间断送电的用电管理模式，这显然已经无法满足大学生学习的需求[1].对高校公寓供电需求的调研结果表明，约 90%的学生对宿舍定时供电持不满意态度，对全天供电满意率则为 100%[2].值得注意的是，由于大量使用电器，尤其是一些大功率不安全的电器，如烧开水用的电炉、“热得快”等产品的违规使用[3]，给学生公寓带来了极大的安全隐患，对学生人生安全和财产安全造成了极大的威胁，若不加以限制，一旦发生电气火灾等重大事故，将带来无法挽回的严重后果.

因此，对于学生公寓的用电管理，不能局限于一些传统的用电管理方式上，需要充分考虑学生公寓用电的实际情况，采取更为科学而完善的技术手段，制定一种适合学生公寓用电特征的智能化用电管理方案[4-5].通过对学生公寓内用电监控进行更深入的研究，将安全用电和用电管理统一考虑，建立高效的安全用电智能控制管理系统，既保障公寓用电安全，又降低公寓能耗，同时提高学校后勤部门的管理工作效率.基于这一认识，本研究设计并实施了一个适合于高校学生公寓安全用电的智能控制与管理系统.

1 高校学生公寓用电管理现状

本研究以广东地区某高校学生公寓为对象，对该公寓的用电情况和用电管理进行了深入调查，并进行了实地考察走访，发现该学校目前使用的电表均为机械表，计量效果不理想，在管理方式上也存在一些问题，主要体现在以下3个方面[6]：

(1)电表老化.该学生公寓采用老式机械计量电表，并已持续使用多年，超出了保质期，计量精度和安全都无法保证.不仅给学校带来经济损失，而且产生电气安全事故隐患.

(2)管理功能单一.学生公寓用电管理基本上采用定时管理，入房检查方式.这不仅无法满足当今用电管理需求，而且难于管理违规用电.不能限制由于违规使用电热器、电饭锅、大功率电器导致的超负荷，易引发宿舍电气火灾.

(3)管理效率低下.主要依靠人工抄表方式统计耗电量，不能实时发现异常用电，消除隐患；在数据异常时，无法提供依据，导致争议.

经过调查，以上现象是大多数高校学生公寓普遍存在的现象，也是困扰高校后勤管理部门的主要问题.因此，对高校学生公寓采用高效的智能化用电管理措施，消除违规用电带来的安全隐患，提升后勤管理部门管理效益，通过技术管理措施降低学生公寓能耗是急需解决的问题.

2 安全用电智能控制管理系统设计

根据上述分析，本研究设计了一种针对高校学生公寓的安全用电智能控制管理系统，以期能够解决目前存在的问题.

2.1 系统结构

本系统由以下几部分构成：计量采集系统(计量设备)，数据传输系统(通信设备)，管理平台(数据处理、用户服务与管理).该系统具备智能用电管理功能，可实时监测学生公寓用电信息，并通过管理平台的数据分析功能，为学校管理部门提供依据，进而解决用电过程中存在的问题.通过科学化、智能化的用电管理，实现安全用电、便捷管理、高效稳定运行的目的.该系统结构见图1.

图1 安全用电管理系统结构图Fig.1 Structure of electrical safety management system

计量采集系统实现数据采集和电能计量功能，并提供异常保护和预付费功能，实现用电计量、预付费、安全用电管理的基本功能.计量采集系统分户设置，具备通信接口，可方便组构管理网络[7-8].

数据传输系统实现数据传输功能，采用以太网数据采集器将电表与系统管理平台服务器连通.每台采集器具备独立的 IP 地址.传输网利用校园通信网络以节省成本，从学校提供的网络端口引到交换机.

管理平台实现数据处理与数据服务功能，提供预付费管理(包含充值、退电、财务统计等)，用电分析，用电实时监控(包含电流、电压、功率、剩余金额等)，用电管理(包含定时通断电、违规电器管理、负荷限制等)，用户自助查询等.管理平台包括了3个子系统，即网络预付费管理系统、校园能耗监控系统、用电信息查询系统.用户服务系统主要是存储整套系统的数据信息，提供系统的人机界面，提供用户查询管理平台等.其他的管理端也可以直接连接到服务器进行系统管理；另外该系统还有配套设备，主要用于预付费管理系统的功能扩展及补充，配套设备包括售电及查询终端、短信猫、LED 显示屏、自助充值终端等多种.管理系统主要是连接学校相关职能部门，把系统的重要信息反馈到各主要职能部门，实现人员的有效管理.

图2 是安全用电管理系统实施案例的系统结构图.

2.2 系统功能

该系统具有以下功能：

(1)用电远程计量，提升效率

采用 DDZY1225-U 型单相网络预付费智能电能表进行用电计量.低功耗、长寿命、精度高、功能全、安全可靠.能耗数据自动上传，自动抄表.

(2)用电总功率限制，绿色用电

本功能主要用于学生宿舍的用电总功率限制，保证用电安全.可设置1 d内不同时间段允许的总功率不同(最多 6 个时间段).超功率后可设置报警提醒用户或者直接断电.这样，一方面可限制主用电时段学生的总用电功率.另一方面可实现夜间小电流运行模式，即夜间允许学生使用充电器、小台灯等低功率电器，而不允许使用电视机、电脑等大功率电器，从而在保障学生夜间正常休息的前提下，做到人性化的管理.

图2 安全用电管理系统实施案例的系统结构图
Fig.2 The system structure diagram of electrical safety management system

(3)恶性负载限制，保障安全

本功能主要用于学生宿舍违章电器的管理，有效地避免了发热电器及大功率电器引发的安全事故.当学生宿舍使用电炉、热得快、电烫斗等违规大功率电器时，系统将自动识别为恶性负载，自动切断电源或报警.如果自动切断供电，过一段时间(可设置)后可自动恢复，如果1 d内多处违章用电跳闸，则跳闸后只能由管理员再手动恢复.

(4)实时监控，智能管理

在设定的时段内电表主动跳闸断电，实现定时开关电功能.通过设置相关参数可灵活地设定定时开关电方案.本功能主要用于学生宿舍、公共用电(包括路灯、教室灯、景观用电等)的定时控制.1 d可设置最多 6 组定时开关电时间.不管电表在何种状态下，均可通过管理软件远程对电表进行通断电.实时查看系统下面所有表计的当前用电状态，包括剩余金额、总用电量、电流、电压、功率、功率因数等参数.查看的数据为实时数据，根据用电状态自动更新.并对电表进行实时通电、断电操作.

(5)违章记录，提升管理质量

用电检修、线路不安全用电等引起的电表进线端断电，电表会自动记录并告之服务器.学生使用热得快等违章电器时，电表会自动断电并记录，同时告之服务器.管理员可轻松地通过软件系统对上述断电及违章事件进行全面掌握.

(6)灵活用电管理

在管理平台上配置好参数后，系统可自动记录和显示房间电表的总用电量、剩余金额、电流、电压、违规用电记录等信息.作为用电分析、结算、违章用电处理的数据源.同时，可根据管理规定定期向用户自动赠送免费的用电额度.可以设置每房每月赠送多少，或者每人每月赠送多少.不同类型的用户赠送额度可不一样(如本科生与研究生赠送额度不同、教师与学生赠送额度不同).可按月、按季度、按学期赠送.1 a内哪些月份需要赠送是可设的.对于没有使用完的补助电，既可选择清零，也可累加.

(7)多客户端分权设计

本系统可设置多个管理端，各管理端通过内部网络连接到服务器，同时进行数据共享.各个管理员可独立进行售电、退电、用电分析、基础信息维护等操作，用户可进行用电信息查询.可设置多个管理员级别，不同级别具有不同的管理权限.最高级管理员可进行下属所有的管理.同一级别可设置多个管理员.

(8)阶梯电价,分时电价

电表带阶梯电价、分时电价功能.可按给定的梯度执行阶梯电价，也可按照给定的时段及电价执行分时电价.梯度、分时时段、电价可设.本功能可选是否启用.

(9)安全的数据存储

电表数据，在电表断电、表内电表没电的状态下，可保存10 a以上.电表突然停电等，不会影响数据的存储，数据不丢失，且数据容量大、可靠性高、安全性强.所有数据采用独有安全加密机制存储.

(10)支持绿色校园管理

该系统电表符合国家电网相关标准，通讯协议采用标准 DL/T 645-2007 协议.能为学校后续的节能监管平台提供基础源数据，实现系统无缝对接.

(11)网络预付费

预付费，先充值后用电，欠费后自动跳闸断电，充值后立即将充值信息下传到电表，电表自动合闸送电.对于不需要预付费的用户，可设置为后付费工作模式.

远程充值，电表采用无卡式设计，通过 485 和校园网与服务器连通，用户充值后，系统自动充值.不需要接触电表实体，避免安全事故并延长电表使用寿命.

3 安全用电控制

针对公寓安全用电的隐患，本系统对违规用电提供了针对性制约控制功能，具备恶性负载控制、恶性负载失败控制、分时段功率限制等措施，可有效制约违规用电，降低安全风险.

3.1 恶性负载控制

恶性负载又称阻性负载，主要是指纯阻性的直热式电器(电烙铁、烧水棒、电炉、电饭煲、电炒锅、电热杯、电吹风、发夹板等)，由于其容易引发火灾，因此在各大院校明令禁止使用.学生公寓用电智能管理系统在 0～24 时之间，全时段对电路中的恶性负载进行实时监控，一旦有恶性负载接入，通过对主继电器进行操作，及时进行断电.当恶性负载接入时，电表总负荷上升到一定高度持续运行，同时，由于恶性负载的功率因数接近 1，电路总负载的功率因数增加，因此，可认定功率因数高于某一值，并且启动后功率维持在高位的电器为恶性负载.通过本安全用电控制系统，可以对接入的恶性负载进行识别控制.

3.2 恶性负载识别控制

恶性负载识别控制主要包括开关值、受控功率区间值、功率因数阈值、恢复供电间隔时间和每日恢复供电限制次数.

当开关值处于“报警”时，启用恶性负载识别限制功能，并在恶性负载使用时报警；当开关值处于“跳闸”时，启用恶性负载识别限制功能，并在恶性负载使用时跳闸；当开关值处于“关”时，不启用恶性负载识别限制功能.恶性负载的功率区间可从30 W 起到最大为电表额定负荷，最多可以设 6 个区间，当设定功率区间内的阻性负载投入使用时，电表将跳闸停止供电.为保证正常使用的负载，如饮水机、电热水器等，可以在设定受控区间时加以区分，从而不受负载识别限制[9-10].

恶性负载的功率因数设为 0.997，当功率因数大于等于此值的受控功率区间的电器投入使用时，电表自动跳闸，考虑具体用电环境，可在跳闸后自动恢复供电，断电时间间隔以秒为单位，设定恶性负载跳闸后每日自动恢复供电的次数(3～5 次)，这由管理计算机锁定并将标志下传到电表内，当自动恢复供电次数超过设定次数时，不再自动恢复供电，需要用户到管理部门说明原因后，通过管理平台重新恢复供电.图3是恶性负载识别设置界面.

图3 恶性负载识别设置界面Fig.3 Settings interface of malignant load identification

3.3 分时段功率限制

该系统允许用户的个性化，在0～24时之间，将时间分为1～6个时间段，并分别对各个时间段进行总功率限制.

当开关值处于“报警”时，启用分时段功率限制功能，并在分时段功率限制使用时报警；当开关值处于“跳闸”时，启用分时段功率限制功能，并在分时段功率限制使用时跳闸；当开关值处于“开”时，启用分时段功率限制功能；当开关值处于“关”时，不启用功率限制功能.分时段表的时间段最多可设 6 个，每个时间段的起始时间、终止时间可在上位机上设定，并下传存储于电表内，由电表根据设定时间自动执行.若设置 2 个时段，则时段1 的后一个值需小于时段 2 的前一个值，以此类推；功率阈值 6 个，对应6个时段，不同时间段的阈值可能相同，也可能不同；超负荷跳电后自动恢复供电的时间间隔，以秒为单位，最大值为9 999.超负荷跳电后每日自动恢复供电的次数(3～10次)(每日，第二天清零或累计，通过系统处理)，由上位机设定并下传存储于电表内，当自动恢复供电次数超过设定次数时，不再自动恢复供电，只能通过上位机远程控制进行开电，远程开电后或跨0:00时自动清空电表内的跳电记录，上位机内的跳电记录保存1～6个月，且可清除.

4 安全用电管理系统优势

与传统的学生宿舍供电系统相比，该系统具有以下主要优势：

(1)用电安全.引进校园智能用电管理系统，提升了高校学生公寓用电管理效率和用电安全.尽管有详细的用电安全守则，但仅靠制度仍然难以避免超负荷用电、使用大功率高热电器(电热棒、电磁炉、电暖器等)、线路私拉乱拉等现象.同时线路短路、漏电、电压过高等不安全隐患也无法预先消除.使用智能管理系统后，可有效解决上述问题.该系统具有用电安全保护措施，能迅速发现不安全用电因素，及时主动上报管理员，并自动作出预定的制止措施，消除因学生乱用电器等行为引发的火灾隐患，减少学校损失.

(2)降低能耗.智能控制管理系统能分析用电，减少浪费，节约用电，降低能耗.目前高校管理部门对用电状况的了解程度不够细致，不了解能耗构成，导致浪费严重却找不到源头，采用智能管理系统后，可实时显示用户的用电量，自动分析用电明细，如果发现用电超标、故障等现象，可以在平台上报警，通知管理人员采取措施，杜绝不合理用电，有效降低能耗.超标、故障信息自动建立文档，供管理部门进一步分析原因，采取对策.

(3)智能管理.该系统提供电脑终端远程自动抄表、远程充值、电脑自动换算电费电量等功能，不需要人工管理抄表，避免了由于系统问题与人员错误操作，减少了收费管理日常用电管理等工作量；同时该系统可直接与学校财务管理系统对接，提供安全便捷的数据输出，有效提升后勤用电管理部门的工作效率，该系统实施后，受到学校后勤管理部门一致好评，管理人员处理故障强度下降，效率提升.

5 结束语

针对当前高校学生公寓的用电现状和亟待解决的安全问题，本研究提出并设计了高校学生公寓用电安全智能控制管理系统技术解决方案，本文对该系统的功能和特征进行了分析和说明，该系统对提高学校后勤部门的管理效率，保障高校公寓的用电安全，降低学校的运营成本具有明显的作用.

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【责任编辑： 陈 钢】

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

林进鹏(1966-)，男，高级工程师，E-mail:80401633@qq.com

1671- 4229(2016)06-0073-06

TM 933