【節(jié)能學(xué)院】高校學(xué)生公寓智慧用電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

摘 要：為消除高校學(xué)生因違章使用大功率電器，導(dǎo)致宿舍用電線路過載，從而引發(fā)火災(zāi)的隱患，文章將安全用電與用電管理統(tǒng)一考慮，設(shè)計并實施了安全用電智能控制與管理系統(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)的主要優(yōu)勢。結(jié)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(xué)校的運營成本具有顯著的作用。

關(guān)鍵詞：學(xué)生公寓；智能管理系統(tǒng)；惡性負載識別；安全用電

前言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，物質(zhì)生活水平不斷提高，高校學(xué)生公寓的住宿條件也逐步提高.公寓內(nèi)的配置由過去滿足基本生活需求的設(shè)備,到如今擁有電熱水器、空調(diào)、電腦等較為現(xiàn)代的用電設(shè)備。另外，由于信息時代的到來，學(xué)生需要從電視、網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)知識，了解信息動態(tài)，查找資料，這些需求導(dǎo)致學(xué)生公寓的供電方式也隨之發(fā)生改變，全天供電成為了學(xué)生日常生活的基本要求。以往對學(xué)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(jīng)無法滿足大學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。對高校公寓供電需求的調(diào)研結(jié)果表明，約90%的學(xué)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(chǎn) 品的違規(guī)使用，給學(xué)生公寓帶來了安全隱患，對學(xué)生人生安全和財產(chǎn)安全造成了威脅，若不加以限制,一旦發(fā)生電氣火災(zāi)等重大事故，將帶來無法挽回的嚴重后果。

因此，對于學(xué)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(xué)生公寓用電的實際情況，采取更為科學(xué)而完善的技術(shù)手段，制定一種適合學(xué)生公寓用電特征的智能化用電管理方案。通過對學(xué)生公寓內(nèi)用電監(jiān)控進行更深入的研究，將安全用電和用電管理統(tǒng)一考慮，建立安全用電智能控制管理系統(tǒng)，既保障公寓用電安全，又降低公寓能耗，同時提高學(xué)校后勤部門的管理工作效率?；谶@一認識，本研究設(shè)計并實施了一個適合于高校學(xué)生公寓安全用電的智能控制與管理系統(tǒng)。

高校學(xué)生公寓用電管理現(xiàn)狀

本研究以江蘇地區(qū)某高校學(xué)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(diào)查，并進行了實地考察走訪，發(fā)現(xiàn)該學(xué)校目前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(xué)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(zhì)期，計量精度和安全都無法保證，不僅給學(xué)校帶來經(jīng)濟損失，而且產(chǎn)生電氣安全事故隱患。

（2）管理功能單一：學(xué)生公寓用電管理基本上釆用定時管理，入房檢查方式。這不僅無法滿足當(dāng)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(dǎo)致的超負荷，易引發(fā)宿舍電氣火災(zāi)。

（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(dǎo)致爭議。

經(jīng)過調(diào)查，以上現(xiàn)象是大多數(shù)高校學(xué)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(xué)生公寓采用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(shù)管理措施降低學(xué)生公寓能耗是急需解決的問題。

安全用電智能控制管理系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述分析，本公司設(shè)計了一種針對高校學(xué)生公寓的安全用電智能控制管理系統(tǒng)，以期能夠解決目前存在的問題。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成:計量采集系統(tǒng)（計量設(shè)備），數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（通信設(shè)備），管理平臺（數(shù)據(jù)處理、用戶服務(wù)與管理）。該系統(tǒng)具備智能用電管理功能，可實時監(jiān)測學(xué)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(xué)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(xué)化、智能化的用電管理，實現(xiàn)安全用電、便捷管理、穩(wěn)定運行的目的。

圖1 安全用電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yù)付費功能，實現(xiàn)用電計量、預(yù)付費、安全用電管理的基本功能。計量采集系統(tǒng)分戶設(shè)置，具備通信接口，可方便組構(gòu)管理網(wǎng)絡(luò)。

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(wù)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(luò)以節(jié)省成本，從學(xué)校提供的網(wǎng)絡(luò)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(wù)功能，提供預(yù)付費管理（包含充值、退電、財務(wù)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），用戶自助査詢等。管理平臺包括了3個子系統(tǒng)，即網(wǎng)絡(luò)預(yù)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(wù)系統(tǒng)主要是存儲整套系統(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(wù)器進行系統(tǒng)管理；另外該系統(tǒng)還有配套設(shè)備，主要用于預(yù)付費管理系統(tǒng)的功能擴展及補充，配套設(shè)備包括售電及查詢終端、短信貓、LED顯示屏、自助充值終端等多種。管理系統(tǒng)主要是連接學(xué)校相關(guān)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。

圖2 安全用電管理系統(tǒng)實施案例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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DDSY1352單相網(wǎng)絡(luò)預(yù)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(xué)生宿舍的用電總功率限制，保證用電安全?？稍O(shè)置Id內(nèi)不同時間段允許的總功率不同(6個時間段)。超功率后可設(shè)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(xué)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(xué)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(xué)生夜間正常休息的前提下，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(xué)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(dāng)學(xué)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(shè)置)后可自動恢復(fù)，如果Id內(nèi)多處違章用電跳閘，則跳閘后只能由管理員再手動恢復(fù)。

（4）實時監(jiān)控，智能管理

在設(shè)定的時段內(nèi)電表主動跳閘斷電，實現(xiàn)定時開關(guān)電功能。通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)可靈活地設(shè)定定時開關(guān)電方案。本功能主要用于學(xué)生宿舍、公共用電(包括路燈、教室燈、景觀用電等)的定時控制。ID可設(shè)置6組定時開關(guān)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。實時査看系統(tǒng)下面所有表計的當(dāng)前用電狀態(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)自動更新.并對電表進行實時通電、斷電操作。

（5）違章記錄,提升管理質(zhì)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(wù)器。學(xué)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(wù)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(jié)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。可以設(shè)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(xué)生贈送額度不同)，可按月、按季度、按學(xué)期贈送.1年內(nèi)哪些月份需要贈送是可設(shè)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(quán)設(shè)計

本系統(tǒng)可設(shè)置多個管理端，各管理端通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)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(chǔ)信息維護等操作，用戶可進行用電信息查詢?？稍O(shè)置多個管理員級別，不同級別具有不同的管理權(quán)限。管理員可進行下屬所有的管理，同一級別可設(shè)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，可按給定的梯度執(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(shè)，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(nèi)電表沒電的狀態(tài)下,可保存多年以上。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(guān)標準，通訊協(xié)議釆用標準DL/T 645-2007協(xié)議。能為學(xué)校后續(xù)的節(jié)能監(jiān)管平臺提供基礎(chǔ)源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)無縫對接。

（11）網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費

預(yù)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(yù)付費的用戶，可設(shè)置為后付費工作模式。

遠程充值，電表采用無卡式設(shè)計，通過485和校園網(wǎng)與服務(wù)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。

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(fēng)險。

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(fēng)、發(fā)夾板等)，由于其容易引發(fā)火災(zāi)，因此在各大院校明令禁止使用。學(xué)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(dāng)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。

惡性負載識別控制

惡性負載識別控制主要包括開關(guān)值、受控功率區(qū)間值、功率因數(shù)閾值、恢復(fù)供電間隔時間和每日恢復(fù)供電限制次數(shù)。

當(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)值處于“關(guān)”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起的電表額定負荷，可以設(shè)6個區(qū)間，當(dāng)設(shè)定功率區(qū)間內(nèi)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(shè)定受控區(qū)間時加以區(qū)分，從而不受負載識別限制。

惡性負載的功率因數(shù)設(shè)為0.997，當(dāng)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(fù)供電，斷電時間間隔以秒為單位，設(shè)定惡性負載跳閘后每日自動恢復(fù)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(nèi)，當(dāng)自動恢復(fù)供電次數(shù)超過設(shè)定次數(shù)時，不再自動恢復(fù)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(fù)供電。

圖3 惡性負載識別設(shè)置界面

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(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)值處于“開”時，啟用分時段功率限制功能；當(dāng)開關(guān)值處于“關(guān)”時,不啟用功率限制功能。分時段表的時間段可設(shè)6個，每個時間段的起始時間、終止時間可在上位機上設(shè)定，并下傳存儲于電表內(nèi)，由電表根據(jù)設(shè)定時間自動執(zhí)行。若設(shè)置2個時段，則時段1的后一個值需小于時段2的前一個值，以此類推；功率閾值6個，對應(yīng)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(fù)供電的時間間隔，以秒為單位，數(shù)值為9999。超負荷跳電后每日自動恢復(fù)供電的次數(shù)(3 -10次)(每日，翌日清零或累計，通過系統(tǒng)處理)，由上位機設(shè)定并下傳存儲于電表內(nèi)，當(dāng)自動恢復(fù)供電次數(shù)超過設(shè)定次數(shù)時，不再自動恢復(fù)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(nèi)的跳電記錄，上位機內(nèi)的跳電記錄保存1-6個月，且可清除。

預(yù)付費安全用電管理系統(tǒng)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的學(xué)生宿舍供電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有以下主要優(yōu)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(xué)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(yù)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(yù)定的制止措施，消除因?qū)W生亂用電器等行為引發(fā)的火災(zāi)隱患，減少學(xué)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。目前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(gòu)成，導(dǎo)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，通知管理人員釆取措施，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，釆取對策。

（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(xué)校財務(wù)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(xué)校后勤管理部門一致好評，管理人員處理故障強度下降，效率提升。

安科瑞預(yù)付費管理系統(tǒng)及現(xiàn)場硬件選型

平臺簡介

房間監(jiān)控

清晰簡潔的展示所有房間狀態(tài)信息，所屬樓棟樓層，在線失連情況，費用狀態(tài)等，進入房間詳情可對房間當(dāng)前實時信息進行查看，并可了解當(dāng)天用電量和使用金額情況，可對房間內(nèi)的電表進行各種遠程控制操作，比如開戶、電價設(shè)置，售電、退電、報警金額設(shè)置、分合閘操作等等。

電戶開表

系統(tǒng)針對商鋪開戶不僅支持一戶一表，也支持一戶掛多表的需要;支持自定義電價方案，單一電價、尖峰平谷電價、階梯電價等:支持預(yù)先設(shè)置開戶信息后期一鍵開戶;支持設(shè)置電表合額告警默認三級告警，告警金額和次也可以自定義，推送方式支持手機短信，APP推送，郵件、語音外呼、公眾號推送等。

充電繳費

可以對已開戶的電表進行遠程充值，電費實時下發(fā)到電表。電表會根據(jù)電度走字實時扣除電費同時系統(tǒng)也支持早臺計費，金額下發(fā)到系統(tǒng)賬戶，到賬快速穩(wěn)定。

財務(wù)管理

訂單總覽，包含系統(tǒng)里所有水電充值退費記錄，以及物業(yè)費扣費流水記錄。收入概況，可以從日，月，年，時間跨度等不同維度統(tǒng)計水電費收入情況，收入組成。

報表

系統(tǒng)還提供了多個報表以供查詢。用電綜合報表，幫助財務(wù)統(tǒng)計每個月商鋪總用電量，尖峰平谷用電量以及電費，能耗同比分析，可以比較每個月份與去年同期相比的用能差距。能耗日月年報表，按日，月，年三個不同維度查詢電表每個階段的用能情

批量操作

為了方便用戶對大量儀表進行管理和設(shè)置，可以在系統(tǒng)中新建批量操作任務(wù)，比如設(shè)置電價、電表控制、儀表設(shè)置、充值等，批量任務(wù)可以立即執(zhí)行，也可以定時執(zhí)行。

自定義收費方案

為了靈活應(yīng)對用戶多種多樣的收費方案，比如物業(yè)費，房租，服務(wù)費等，系統(tǒng)支持用戶自定義收費項目。收費方式可設(shè)置直接從賬戶扣除或者生成催繳賬單，可設(shè)置周期性收費或者一次性收費，可以按固定金額收費或者按房間面積換算等等。

負載控制

系統(tǒng)具備惡性負載識別功能，自動識別學(xué)院規(guī)定禁止使用的各類違章電器（如熱得快、電吹風(fēng)、電熱毯、暖手煲等）功能，并及時自動斷電。

基礎(chǔ)電量

可根據(jù)管理要求，對各宿舍，不同區(qū)域獨立設(shè)置基礎(chǔ)電量，提供給學(xué)生一定的免費電量。

負控復(fù)位

超負荷斷電或使用禁用發(fā)熱電器自動斷電后可自動恢復(fù)供電，自動供電時間可設(shè)。管理者可設(shè)定自動供電的次數(shù)，超過設(shè)定次數(shù)后系統(tǒng)不能再自動供電，需找管理者查明斷電原因后，由供電管理人員恢復(fù)供電。

時間控制

可根據(jù)學(xué)校實際要求，進行生效日期設(shè)置、節(jié)假日設(shè)置、通斷設(shè)置和備注，并對已經(jīng)設(shè)置的進行篩選查看。

白名單管理

該功能用于維護電器白名單的信息，系統(tǒng)支持學(xué)習(xí)功能，自帶不低于30類學(xué)校常用電器使用特征的數(shù)據(jù)庫。不在特征數(shù)據(jù)庫的電器可以通過現(xiàn)場學(xué)習(xí)進入數(shù)據(jù)庫，從而區(qū)分惡性負載及白名單負載。

公眾號在線支付

用戶可以在微信小程序或者微信公眾號自助查詢電表使用情況以及繳費。

系統(tǒng)硬件配置

結(jié)束語

針對當(dāng)前高校學(xué)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(shè)計了高校學(xué)生公寓用電安全智能控制管理系統(tǒng)技術(shù)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(xué)校后勤部門的管理效率，保障高校公寓的用電安全，降低學(xué)校的運營成本具有明顯的作用。