安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)的詳細(xì)說明

摘要：本文針對(duì)當(dāng)前校園、工廠、社區(qū)等場(chǎng)所的安全用電隱患，電力安全事故頻發(fā)，傳統(tǒng)的被動(dòng)安全用電保護(hù)措施已不能滿足社會(huì)的需要。該系統(tǒng)采用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于云的安全電力智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由智能監(jiān)控硬件終端、網(wǎng)關(guān)和云監(jiān)控系統(tǒng)組成。硬件終端實(shí)時(shí)采集電力參數(shù)，智能網(wǎng)關(guān)通過Lora無線接收數(shù)據(jù)過濾轉(zhuǎn)發(fā)到云。云系統(tǒng)還可以分析上傳的電力參數(shù)和信息

0引言

安全一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是校園、工廠和社區(qū)的安全。這些地方空間狹窄，人員密集。一旦發(fā)生安全事故，將造成不可預(yù)見的損失，電力安全是預(yù)防安全事故的重要措施。線路過載、短路、漏電是安全用電的首要考慮因素。由于當(dāng)時(shí)電氣保護(hù)裝置的電氣絕緣老化和技術(shù)水平，舊線路容易發(fā)生電氣安全事故。雖然新安裝的線路增加了大量的過載和漏電保護(hù)裝置，但由于保護(hù)裝置的質(zhì)量和人工安裝不規(guī)范，仍會(huì)發(fā)生電氣安全事故，導(dǎo)致火災(zāi)和觸電，造成人員傷亡。

電已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的必需品，但電是一把雙刃劍。在提供便利的同時(shí)，稍有不慎就會(huì)成為巨大的風(fēng)險(xiǎn)源，過載的電流會(huì)瞬間殺死人。隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，特別是當(dāng)代中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的興起，不僅改變了人們的生活方式，也極大地促進(jìn)了各行各業(yè)的發(fā)展。

該系統(tǒng)采用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于云的安全電力智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過對(duì)大數(shù)據(jù)的分析，可以判斷線路容易過載和泄漏的時(shí)間段和一般線路位置，準(zhǔn)確采取對(duì)策，快速排除故障；結(jié)合人工智能技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓、電流、泄漏電流和功率參數(shù)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地切斷和恢復(fù)故障線路，發(fā)出語音廣播警告等提示信息。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。

該系統(tǒng)由智能監(jiān)控硬件終端、智能網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器組成。智能終端采集線路的電參數(shù)，通過Rola無線傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)過濾數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)從GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到云服務(wù)器。云服務(wù)器存儲(chǔ)、分析和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。每個(gè)采集終端和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成一個(gè)星網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)之間的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是平等的，與云服務(wù)器直接通信。

2 硬件系統(tǒng)

2.1采集終端設(shè)計(jì)

2.1.1STM32F407ZET6微控制器。

STM32F4ZET6是一款高性能的單片機(jī)，其Flash容量512KB,RAM容量為192KB,CPU頻率達(dá)到168MHz，芯片內(nèi)嵌資源豐富。該采集終端需要采集大量的電量數(shù)據(jù)，且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理，所以本采集終端采用STM32F407ZET6作為主CPU。

2.1.2參數(shù)采集電路。

在采集端，采集電路的電能、功率、功率、電流、電壓等電參量進(jìn)行采集，以便準(zhǔn)確穩(wěn)定地采集電路參數(shù)；選擇ATT7022E型單片機(jī)，ATT7022E是一顆精密的三相電能測(cè)量芯片，該系統(tǒng)可用于三相三線及三相四線制系統(tǒng)，可滿足電路數(shù)據(jù)采集要求。

2.1.3LoRa通信技術(shù)。

采集完數(shù)據(jù)后，需要以無線方式傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上載至云服務(wù)器，因此，要求終端數(shù)據(jù)傳輸要穩(wěn)定可靠，考慮到部門節(jié)省成本以及部署采集終端的靈活性等因素，采用LoRa無線通信技術(shù)，LoRa無線技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、自由頻帶、易于部署的特點(diǎn)。

2.2智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。

SIM7600CE是一款可實(shí)現(xiàn)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)通信的全網(wǎng)通模塊，該系統(tǒng)采用STM32F103作為核心處理器，外接全網(wǎng)通模塊SIM7600CE和LoRa通信模塊組成。利用自己開發(fā)的軟件算法，將LoRa模塊接收到的數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地上載至云服務(wù)器，同時(shí)該網(wǎng)關(guān)還具有斷線自動(dòng)重連、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能，保證網(wǎng)關(guān)安全、可靠地工作。圖2顯示了智能網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)。智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸都是通過自主設(shè)定的加密算法進(jìn)行加密操作，以保證重要數(shù)據(jù)的安全。

3 軟件系統(tǒng)

對(duì)服務(wù)器軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為HTTP服務(wù)和Socket服務(wù)。通過HTTP服務(wù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)顯示等功能，通過Socket服務(wù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)終端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。

3.1HTTP服務(wù)。

HTTP服務(wù)是用PHP語言設(shè)計(jì)的，PHP易于學(xué)習(xí)，應(yīng)用廣泛，主要用于Web開發(fā)；NGINX是一種高性能的HTTP和反向代理服務(wù)器，該系統(tǒng)通過PHP7和NGINX實(shí)現(xiàn)HTTP服務(wù)。

3.2ocket服務(wù)。

因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)終端到云服務(wù)器的TCP長(zhǎng)時(shí)間連接，因此要求網(wǎng)關(guān)終端必須實(shí)時(shí)連接服務(wù)器，為了方便數(shù)據(jù)的及時(shí)處理和監(jiān)測(cè)采集終端，Swoole引擎開發(fā)了Socket服務(wù)，Swoole是一種產(chǎn)品導(dǎo)向型PHP異步網(wǎng)絡(luò)通信引擎，它能編寫高性能的異步并發(fā)TCP服務(wù)。

3.3B/S架構(gòu)的服務(wù)器設(shè)計(jì)。

為降低開發(fā)工作量，滿足系統(tǒng)跨平臺(tái)、多終端使用的需要，并提高系統(tǒng)使用的便捷性，云端監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，云監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖見圖3。

在采集到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，并通過自主制定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到Swoole引擎編寫的高性能Socket服務(wù)器，然后Socket服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

采集終端上傳的各種用電參數(shù)數(shù)據(jù)，利用自主開發(fā)的軟件算法，對(duì)線路運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的分析。再次利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析處理，可以預(yù)測(cè)可能發(fā)生安全用電事故的線路位置，及時(shí)通知維修人員進(jìn)行維修處理。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果和性能驗(yàn)證

系統(tǒng)部署某公園的照明電路線路中，監(jiān)控照明線路的電參數(shù)情況，測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。在線路發(fā)生漏電、過流和過壓等不正常的情況時(shí)，智能終端能迅速切斷線路，防止發(fā)生嚴(yán)重的電類事故，異常報(bào)警動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確率如表1所示。

通過出現(xiàn)各類安全事情，智能終端的運(yùn)行情況，可以得出智能終端能在電路發(fā)生不安全狀況時(shí)，能在2秒以內(nèi)迅速切斷線路，符合要求。而且通過研發(fā)的干擾過濾算法，能讓智能終端報(bào)警準(zhǔn)確率保持100%。

5安科瑞安全用電云平臺(tái)功能介紹及選型

5.1 安科瑞安全用電云平臺(tái)介紹
? ?該系統(tǒng)可對(duì)剩余電流、設(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、記錄，并可在云上遠(yuǎn)程監(jiān)控。該設(shè)備與云中的通信方向不受限制，可以上載數(shù)據(jù)，傳輸指令，并在時(shí)間上顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。它通過對(duì)上載到云的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為用戶提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以盡早發(fā)現(xiàn)問題，實(shí)施排查，避免火災(zāi)發(fā)生。另外，云平臺(tái)還能提供超大容量的存儲(chǔ)和穩(wěn)定的服務(wù)，提高服務(wù)質(zhì)量，對(duì)用戶長(zhǎng)期發(fā)展有重要的戰(zhàn)略意義。另外，通過集中監(jiān)測(cè)，使各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送到云上集中管理和監(jiān)控，主控端布置在城市消防大隊(duì)，從而使采集的信息能夠得到統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)和管理。

平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖

具體功能如下：

（1）安全電力監(jiān)督服務(wù)系統(tǒng)包括安全電力管理云平臺(tái)、計(jì)算機(jī)終端顯示系統(tǒng)、移動(dòng)應(yīng)用程序、漏電探測(cè)器、漏電互感器、電流互感器等。

（2）安全電力監(jiān)督服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)可顯示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和變化曲線、歷史數(shù)據(jù)和變化曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)等，可實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)數(shù)量、隱患數(shù)量、隱患數(shù)量、報(bào)警數(shù)量、常規(guī)檢驗(yàn)和產(chǎn)品維護(hù)數(shù)據(jù)，監(jiān)督數(shù)據(jù)可保存10年以上。

(3)手機(jī)APP軟件還有IOS版和Android版，可以通過手機(jī)APP呼叫每個(gè)報(bào)警記錄，方便用電單位在緊急情況下盡快通知。

（4）可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)估各單位和設(shè)備的電氣安全運(yùn)行情況，并隨時(shí)顯示電氣安全運(yùn)行分析報(bào)告。

(5)監(jiān)控探測(cè)終端產(chǎn)品符合國(guó)家法律法規(guī)及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB14287.2《剩余電流電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)探測(cè)器》和GB14287.3《溫度測(cè)量電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)探測(cè)器》)的要求，并通過國(guó)家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)中心提供的消防3C認(rèn)證。

（6）漏電探測(cè)器可以同時(shí)檢測(cè)剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無線接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)。

5.2 產(chǎn)品選型

5.2.1 漏電火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器

5.2.2 故障電弧探測(cè)器

安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號(hào)代碼為AAFD，共有兩種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路故障電弧的發(fā)生，并及時(shí)預(yù)警，提醒用戶處理，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。

AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，該產(chǎn)品不可在同一臺(tái)AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

5.2.3電流限制保護(hù)裝置。

本產(chǎn)品采用ASCP200-1型限流保護(hù)，具有三個(gè)電流等級(jí)，可以監(jiān)控電路短路過載等故障信息，出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)警并產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧引發(fā)火災(zāi)。

與AF-GSM400合作，ASCP200-1可以直接與安全電源平臺(tái)連接，還可以通過插入SIM卡直接上載至平臺(tái)。

ASCP200-1的主要特性如下：

防短路功能。保護(hù)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控供電線路電流，當(dāng)線路短路故障時(shí)，可在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

超載保護(hù)功能受保護(hù)線路電流過載，過負(fù)荷持續(xù)時(shí)間超過動(dòng)作時(shí)間(3.60秒)時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

表里溫度過高保護(hù)功能。保護(hù)裝置在保護(hù)裝置內(nèi)的溫度過高時(shí)啟動(dòng)超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

過載欠壓保護(hù)功能。在保護(hù)裝置檢測(cè)到線路電壓過壓或欠壓情況下，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)定是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

配線電纜溫度監(jiān)控功能。若監(jiān)測(cè)到的線纜溫度超過報(bào)警設(shè)定值，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置有無啟動(dòng)限流保護(hù)。

漏電檢測(cè)功能。若監(jiān)測(cè)線路漏電超過報(bào)警設(shè)定值，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置有無啟動(dòng)限流保護(hù)。

該保護(hù)裝置有1路RS485接口，1路2G無線通信，可向后臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6 結(jié)束語

安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崟r(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控用電的各項(xiàng)參數(shù)，還能夠根據(jù)電路的漏電電流、過流和過壓值等，迅速做出判斷并且可以即時(shí)斷開線路，保證線路的安全，防止觸電等各類電類事故的發(fā)生，系統(tǒng)可以在不改變?cè)瓉砭€路的情況下進(jìn)行加裝，部署方便，成本低，實(shí)用可靠。

作者簡(jiǎn)介：張星，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)榘踩秒娭悄鼙O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。

審核編輯：符乾江