摘要：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(fā)火災的隱患，文章將安全用電與用電管理統(tǒng)一考慮，設計高校學生公寓預付費電控系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的工作原理和功能進行了詳細介紹，并分析了實施該系統(tǒng)的主要勢。結果表明，該系統(tǒng)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。

關鍵詞:學生公寓；預付費電控系統(tǒng)；惡性負載識別；安全用電
 
0引言
隨著社會經濟的發(fā)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(xiàn)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(wǎng)絡中學習知識，了解信息動態(tài)，查找資料，這些需求導致學生公寓的供電方式也隨之發(fā)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。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(tài)度，對全天供電滿意率則為100％。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(guī)使用，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(fā)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(tǒng)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。通過對學生公寓內用電監(jiān)控進行深入的研究，將安全用電和用電管理統(tǒng)一考慮，建立高效的宿舍預付費電控系統(tǒng)，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，研究設計并實施了一個適合于高校學生公寓預付費電控系統(tǒng)。
 
1高校學生公寓用電管理現(xiàn)狀
本研究以廣東地區(qū)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(fā)現(xiàn)該學校目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(xiàn)在以下3個方面。
（1）電表老化  該學生公寓采用老式機械計量電表，并已持續(xù)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(guī)用電。不能限制由于違規(guī)使用電熱器、電飯鍋、大功率電器導致的超負荷，易引發(fā)宿舍電氣火災。
（3）管理效率低下  主要依靠人工抄表方式統(tǒng)計耗電量，不能實時發(fā)現(xiàn)異常用電，消除隱患；在數(shù)據(jù)異常時，無法提供依據(jù)，導致爭議。
經過調查，以上現(xiàn)象是大多數(shù)高校學生公寓普遍存在的現(xiàn)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(guī)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(tǒng)設計
根據(jù)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(tǒng)，以期能夠解決目存在的問題。
2.1系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)由以下幾部分構成：計量采集系統(tǒng)（計量設備），數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（通信設備），管理平臺（數(shù)據(jù)處理、用戶服務與管理）。該系統(tǒng)具備智能用電管理功能，可實時監(jiān)測學生公寓用電信息，并通過管理平臺的數(shù)據(jù)分析功能，為學校管理部門提供依據(jù)，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(xiàn)安全用電、便捷管理、高效穩(wěn)定運行的目的。該系統(tǒng)結構見下圖
 
計量采集系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和電能計量功能，并提供異常保護和預付費功能，實現(xiàn)用電計量、預付費、安全用電管理的基本功能。計量采集系統(tǒng)分戶設置，具備通信接口，可方便組構管理網(wǎng)絡。
數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集器將電表與系統(tǒng)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(wǎng)利用校園通信網(wǎng)絡以節(jié)省成本，從學校提供的網(wǎng)絡端口引到交換機。
管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)服務功能，提供預付費管理（包含充值、退電、財務統(tǒng)計等），用電分析，用電實時監(jiān)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(guī)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(tǒng)，即網(wǎng)絡預付費管理系統(tǒng)、校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)、用電信息查詢系統(tǒng)。用戶服務系統(tǒng)主要是存儲萬整方套數(shù)系據(jù)統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，提供系統(tǒng)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(tǒng)管理；另外該系統(tǒng)還有配套設備，主要用于預付費管理系統(tǒng)的功能擴展及補充，配套設備包括售電及查詢終端、ＬＥＤ 顯示屏、自助充值終端等多種。管理系統(tǒng)主要是連接學校相關職能部門，把系統(tǒng)的重要信息反饋到各主要職能部門，實現(xiàn)人員的有效管理。安全用電管理系統(tǒng)實施案例的系統(tǒng)結構見下圖
 
2.2系統(tǒng)功能
該系統(tǒng)具有以下功能：
（1）用電遠程計量，提升效率采用單相網(wǎng)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(shù)據(jù)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 1d內不同時間段允許的總功率不同（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(xiàn)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提下，做到人性化的管理。
（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(fā)熱電器及大功率電器引發(fā)的安全事故。當學生宿舍使用電爐、熱得快、電燙斗等違規(guī)大功率電器時，系統(tǒng)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1d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(jiān)控，智能管理在設定的時段內電表主動跳閘斷電，實現(xiàn)定時開關電功能．通過設置相關參數(shù)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。1d可設置多6組定時開關電時間。不管電表在何種狀態(tài)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(tǒng)下面所有表計的當
用電狀態(tài)，包括剩余金額、總用電量、電流、電壓、功率、功率因數(shù)等參數(shù)。查看的數(shù)據(jù)為實時數(shù)據(jù)，根據(jù)用電狀態(tài)自動新。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(tǒng)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(shù)后，系統(tǒng)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(guī)用電記錄等信息。作為用電分析、結算、違章用電處理的數(shù)據(jù)源。同時，可根據(jù)管理規(guī)定定期向用戶自動贈送免費的用電額度?？梢栽O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）?？砂丛?、按季度、按學期贈送。１a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(tǒng)可設置多個管理端，各管理端通過內部網(wǎng)絡連接到服務器，同時進行數(shù)據(jù)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?？稍O置多個管理員級別，不同級別具有不同的管理權限。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?？砂唇o定的梯度執(zhí)行階梯電價，也可按照給定的時段及電價執(zhí)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(shù)據(jù)存儲電表數(shù)據(jù)，在電表斷電、表內電表沒電的狀態(tài)下，可保存10a 以上。電表突然停電等，不會影響數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)不丟失，且數(shù)據(jù)容量大、可靠性高、安全性強。所有數(shù)據(jù)采用*安全加密機制存儲。
（10）支持綠色校園管理該系統(tǒng)電表符合國家電網(wǎng)相關標準，通訊協(xié)議采用標準DL/T645 -2007協(xié)議。能為學校后續(xù)的節(jié)能監(jiān)管平臺提供基礎源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)無縫對接。
（11）網(wǎng)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(wǎng)與服務器連通，用戶充值后，系統(tǒng)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(tǒng)對違規(guī)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(guī)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(fā)夾板等），由于其容易引發(fā)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(tǒng)在0-24時之間，全時段對電路中的惡性負載進行實時監(jiān)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(xù)運行，同時，由于惡性負載的功率因數(shù)接近1，電路總負載的功率因數(shù)增加，因此，可認定功率因數(shù)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(tǒng)，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(qū)間值、功率因數(shù)閾值、恢復供電間隔時間和每日恢復供電限制次數(shù)。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(qū)間可
從30W起到大為電表額定負荷，多可以設6個區(qū)間，當設定功率區(qū)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(qū)間時加以區(qū)分，從而不受負載識別限制［9-10］。惡性負載的功率因數(shù)設為0-997，當功率因數(shù)大于等于此值的受控功率區(qū)間的電器投入使用時，電表自動跳閘，考慮具體用電環(huán)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(shù)（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(shù)超過設定次數(shù)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。
3.3分時段功率限制
該系統(tǒng)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(jù)設定時間自動執(zhí)行．若設置2個時段，則時段1的后一個值需小于時段2的一個值，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，大值為9999。超負荷跳電后每日自動恢復供電的次數(shù)（3-10次）（每日，第二天清零或累計，通過系統(tǒng)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(shù)超過設定次數(shù)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(tǒng)勢
與傳統(tǒng)的學生宿舍供電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有以下主要勢：
（1）用電安全 引進校園智能用電管理系統(tǒng)，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(xiàn)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(tǒng)后，可有效解決上述問題。該系統(tǒng)具有用電安全保護措施，能迅速發(fā)現(xiàn)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(fā)的火災隱患，減少學校損失。
（2）降低能耗 智能控制管理系統(tǒng)能分析用電，減少浪費，節(jié)約用電，降低能耗。目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(tǒng)后，可實時顯示用戶的用電量，自動分析用電明細，如果發(fā)現(xiàn)用電超標、故障等現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可直接與學校財務管理系統(tǒng)對接，提供安全便捷的數(shù)據(jù)輸出，有效提升后勤用電管理部門的工作效率，該系統(tǒng)實施后，受到學校后勤管理部門*，管理人員處理故障強度下降，效率提升。
 
5安科瑞宿舍預付費電控系統(tǒng)介紹
5.1 系統(tǒng)方案
  高校宿舍作為一個特殊應用場合，在傳統(tǒng)的電能管理需求的基礎上有著與其他應用場合所不同的要求，強調的是用電控制管理，如宿舍的時間管理（按時熄燈、按時送電，某一些設備如空調不能納入熄燈范圍）、惡性負載控制、基礎電量設置等。系統(tǒng)建設的意義：
  方便學校對宿舍的用電收費，學生群體眾多，傳統(tǒng)的后付費方式已無法滿足校方需求，收費管理可與校園一卡通對接，學生可以自助繳費。
  通過技術手段加強對宿舍的用電管理，可實現(xiàn)時間定時控制、惡性負載檢測、基礎電費下發(fā)等適合學校規(guī)范管理的功能。
  人性化的方案設計，可實現(xiàn)單一宿舍內的多個支路的獨立控制，讓學生可獲得高質量的宿舍生活提供了支持。
  惡性負載控制（如卷發(fā)棒、電吹風、電爐、熱得快、電熱杯等實施自動識別控制）、夜間小功率設置、移相插座識別、負載學習功能（白名單）。
5.2系統(tǒng)結構
  AcrelCloud-3100整合高校需求，在原有預付費基礎上增加了宿舍電能管理所需的各種功能，完美解決了高校宿舍電能管理問題。
 
5.3系統(tǒng)功能
  AcrelCloud-3100學生宿舍版預付費云平臺是與ADM130（一進三出）或ADF300L（多回路計量箱）預付費電能表配套的云平臺。它是以電能管理和集中抄表軟件為主，包括服務器，通訊管理機在內的集成系統(tǒng)。針對高校宿舍這一特殊應用場合研發(fā)，主要實現(xiàn)電能監(jiān)控、時間管理、惡性負載管理、預付費管理等在高校宿舍中存在的特殊需求。
 
批量操作：系統(tǒng)支持對宿舍進行批量設置，批量初始化、批量下發(fā)基礎電量、批量設置負控、批量設置時控等，方便學校進行統(tǒng)一管理。
 
惡性負載自動識別控制：對不允許使用的發(fā)熱電器（如電爐、熱得快、電熱杯等）實施自動識別控制，發(fā)現(xiàn)這些發(fā)熱電器自動斷電。惡性負載暫停時間和次數(shù)可通過軟件設定。 
 
基礎電費：可以設置每月給學生下發(fā)的免費輔助電費，覆蓋式下發(fā)，不累計。
時間控制功能：支持多8個時段設置宿舍供電斷電，方便管理學生宿舍作息 。
 
 
對接一卡通支付：系統(tǒng)支持中間庫，接口等方式對接學校一卡通，方便學生自助購電 。
一進三出：ADM130電表支持多三回路輸出，各回路單獨分合閘、惡性負載、時控等設置。
 
 
 
遠程售電：操作員可以通過后臺給宿舍進行電費充值，學生也可以通過學習一卡通、學校公眾號進行自助充值。
遠程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。
遠程控制：可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。
 
6安科瑞故障電弧產品介紹
6.1概述
安科瑞AAFD-4*電弧探測器（以下簡稱探測器）對接入線路中的故障電?。òü收喜⒙?lián)電弧、故障串聯(lián)電?。┻M行有效的檢測，當檢測到線路中存在引起火災的故障電弧時，可以進行現(xiàn)場的聲光報警，并將報警信息傳輸給上端監(jiān)控設備，以實現(xiàn)預警火災發(fā)生的目的。故障電弧探測器適用于工業(yè)與民用建筑中10KW及其以下的電氣線路，其保護線路長度不宜大于100米。
產品遵循國標GB 14287.4-2014，可適用于養(yǎng)老院、學校、商業(yè)建筑、賓館、工廠、庫房、圖書館、辦公室、家庭住宅、以及娛樂場所等。
 
6.2 功能應用
（1）故障電弧檢測 故障電弧探測器對接入線路中的故障電弧（包括故障并聯(lián)電弧、故障串聯(lián)電?。┻M行有效的檢測，當檢測到線路中存在引起火災的故障電弧時，發(fā)出聲光報警信號。
出廠默認電流保護設定值為2.5A，聯(lián)動DO開關打開。
（2）自檢功能 探測器具備自檢功能，在主界面下長按/自檢鍵，系統(tǒng)將進入自檢狀態(tài)，查看設備是否完好。
（3）消音功能 在報警狀態(tài)下，長按消音鍵，探測器報警聲音消除。
（4）報警復位（解除報警）當發(fā)生報警時，可通過長按復位解除報警；如果在進行復位操作后未排除報警故障，探測器將再次進入故障報警狀態(tài)。
（5）集中監(jiān)控 集中監(jiān)控計算機通過RS485，接受現(xiàn)場采集信號，發(fā)出報警信號及控制指令。采用Modbus-RTU 協(xié)議通訊，通訊距離為500米，同一鏈路可監(jiān)控32臺探測器。
 
7結束語
針對當高校學生公寓的用電現(xiàn)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(tǒng)技術解決方案，本文對該系統(tǒng)的功能和特征進行了分析和說明，該系統(tǒng)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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