淺談安全用電智能監控系統
發布時間：2022-01-26瀏覽次數：1010返回列表
易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：本文針對當前校園、工廠和小區等場所的安全用電隱患突出，用電安全事故頻發，傳統的被動安全用電保護措施已經無法滿足社會的需求。本系統運用人工智能和大數據分析技術，設計了一款基于云端的安全用電智能監控系統，系統主要由智能監控硬件終端、網關和云端監控系統組成。硬件終端實時采集用電參數，智能網關通過LoRa無線接收到數據后進行過濾并轉發到云端，云端系統對上傳的電參數和信息進行分析，系統還可以下發指令到硬件終端進行控制和報警。實驗結果表明，該系統穩定可靠，能有效保障安全用電，減少用電事故的發生。
關鍵詞：安全用電；監控；人工智能；大數據；LoRa；云端
0 引言
安全問題一直是社會關注的焦點，特別是校園、工廠和小區等場所的安全，這些場所空間窄、人員密集，一旦發生安全事故，則會導致不可預見的損失，而用電安全是預防安全事故的重要措施。線路過載、短路和漏電是安全用電首須要考慮的問題。老舊線路由于電氣絕緣老化和當時電氣保護裝置的技術水平，容易導致用電安全事故發生，雖然新安裝的線路中增加了很多過載和漏電保護裝置，但是由于保護裝置質量和人為安裝不規范等原因，還是會出現用電安全事故，從而發生火災和觸電，導致人員傷亡。
電已經成為現代生活的必需品，但是電是把雙刃劍，提供便利的同時，稍有不慎，將成為巨大的風險源，超負荷的電流頃刻間可以使人斃命。隨著社會技術的發展，特別是當代我國互聯網的高速發展，大數據和人工智能技術的興起，不僅僅改變了人們的生活方式，還對各行各業的發展起來很大的推動作用。
本系統運用人工智能和大數據分析技術，設計了一款基于云端的安全用電智能監控系統。通過大數據的分析，能判斷出線路容易出現過載和漏電的時間段和大概線路位置，從而可以準確做好應對措施以及迅速進行故障排除；結合人工智能技術，系統實時監測電壓、電流、漏電電流和功率等電參數，能實時準確地對故障線路進行斷電和恢復，發出語音播報警告等提示信息。
1 系統設計原理
系統由智能監控硬件終端、智能網關和云端服務器組成。智能終端采集線路的電參數，通過RoLa無線傳輸給網關，網關過濾數據后由GPRS網絡上傳到云端服務器，云端服務器存儲、分析和顯示數據。系統設計框圖如圖1所示。各個采集終端與網關構成了星型網絡，網關與網關之間的網絡節點是平等的，直接和云端服務器聯網通訊。
2 硬件系統
2.1采集終端設計
2.1.1 STM32F407ZET6單片機
STM32F4ZET6是由意法半導體開發的一種高性能微控制器，它的Flash有512KB，RAM大小為192KB，CPU頻率可達168MHz，芯片內嵌資源豐富。由于采集終端需要大量采集電量數據，并且對數據能實時分析處理，因此本采集終端使用了STM32F407ZET6作為主CPU。
2.1.2 電參數采集電路
采集終端需要采集電路的電能、功率、功率因素、電流和電壓等電參數，為了準確而穩定地采集電路參數，選用了ATT7022E芯片，ATT7022E是一顆三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用，能滿足了采集電路數據的要求。
2.1.3 LoRa通訊技術
采樣終端采集數據后，需要通過無線的方式傳輸到網關節點，再由網關節點上傳到云端服務器，所以要求終端數據的傳輸須穩定可靠，考慮到部節約成本和部署采集終端的靈活性等原因，選用了LoRa無線技術，LoRa無線技術具有傳輸距離遠，頻段免費，部署方便等優點。
2.2 智能網關設計
SIM7600CE是一款可以實現2G/3G/4G網絡通信的全網通模塊，智能網關系統是以STM32F103為核心處理器，外接全網通模塊SIM7600CE和LoRa通信模塊構成的。通過自主研發的軟件算法，可以把LoRa模塊接收的數據，準確、穩定地通過GPRS網絡上傳到云端服務器，網關還具有斷線自動重連、網絡監測等功能，保證網關安全、可靠地工作。智能網關的系統框架如圖2所示。智能網關的數據傳輸全部通過自主設定的加密算法進行加密運算，可以保證重要數據的安全性。
3 軟件系統
服務器軟件系統的設計主要劃分為HTTP服務和Socket服務。業務邏輯和數據顯示等由HTTP服務完成，網關終端與服務器之間的數據通信則由Socket服務完成。
3.1 HTTP服務
HTTP服務的設計采用了PHP語言，PHP易于學習，使用廣泛，主要適用于Web開發領域；NGINX是一個高性能的HTTP和反向代理服務器，本系統的HTTP服務采用了PHP7和NGINX完成。
3.2 Socket服務
由于網關終端與云服務器的連接的TCP長久連接，要求網關終端須實時連接服務器，以便于數據及時處理和監控采樣終端，因此了Swoole引擎開發Socket服務，Swoole是一個面向生產環境的PHP異步網絡通信引擎，可以編寫高性能的異步并發TCP服務。
3.3 B/S構架服務器設計
為了減少開發量和滿足系統跨平臺、多終端使用的要求，提高系統使用的便捷性，云端監控系統采用了B/S構架設計，云端監控系統的設計框圖如圖3所示。
終端采集數據后，對數據進行加密處理，通過自主制定的網絡通訊協議把數據由網關上傳到由Swoole引擎編寫的高性能Socket服務器上，Socket服務器采集數據后進行處理和分析。
服務器上通過采集終端上傳的各種用電參數數據，通過自主開發的軟件算法，可以實時準確地分析線路的運行情況。再運用大數據技術進行分析處理，可以預測可能發生安全用電事故的線路位置，及時通知維修人員進行維護處理。
4 系統應用效果和性能驗證
系統部署某公園的照明電路線路中，監控照明線路的電參數情況，測試系統的各項指標數據。在線路發生漏電、過流和過壓等不正常的情況時，智能終端能迅速切斷線路，防止發生嚴重的電類事故，異常報警動作反應時間和準確率如表1所示。
通過出現各類安全事情，智能終端的運行情況，可以得出智能終端能在電路發生不安全狀況時，能在2秒以內迅速切斷線路，符合要求。而且通過研發的干擾過濾算法，能讓智能終端報警準確率保持。
5安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型
5.1 安科瑞安全用電云平臺介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時間顯示實時狀態。通過對上傳至云端的數據進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數據，能夠及早的發現問題并實施排查，避免火災的發生。另一方面，云平臺提供容量的信息儲存及穩定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發展具有戰略意義。此外，該系統通過集中監控，使得數據通過每個節點的4G網絡傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統一的監控和管理。
平臺的整體結構圖
具體功能如下：
（1）安全用電監管服務系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監管服務系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實時監測數據及變化曲線、歷史數據與變化曲線、實時報警數據等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產品維護等數據，監管數據能保存十年以上。
（3）APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
（4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。
（5）監控探測終端產品滿足國家法律法規和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過國家消防產品質量監測檢驗中心提供的消防3C認證。
（6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監管系統平臺。
5.2 產品選型
5.2.1 漏電火災監控探測器
5.2.2 故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測回路故障電弧的發生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
5.2.3 限流式保護器
安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監測回路短路過載等故障信息，發生故障時預警和產生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護功能。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號。
過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發出聲光報警信號。
表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發出聲光報警信號。
過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
配電線纜溫度監測功能。當被監測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
漏電流監測功能。當被監測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。
5.2.4 剩余電流互感器
5.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺專用模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發生報警，會實時上傳數據。
5.2.6 溫度傳感器
溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監控基準，可以用來監測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
6 結束語
安全用電智能監控系統，不僅能夠實時網絡監控用電的各項參數，還能夠根據電路的漏電電流、過流和過壓值等，迅速做出判斷并且可以即時斷開線路，保證線路的安全，防止觸電等各類電類事故的發生，系統可以在不改變原來線路的情況下進行加裝，部署方便，成本低，實用可靠。
參考文獻
[1] 朱升林,歐陽駿,楊晶.嵌入式網絡那些事:STM32物聯網實戰[M].北京:中國水利水電出版社,2015.
[2] 吳大鵬.物聯網技術應用[M].北京:電子工業出版社,2006.
[3] 易飛,余剛,何凌,朱威.GPRS網絡信令實例詳解[M].北京:人民郵電出版社,2013.
[4] 劉榮章.安全用電智能監控系統的研制
[5] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
