探討安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對(duì)電氣設(shè)備故障引發(fā)的各類(lèi)火災(zāi)比例不斷升高的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電氣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、電氣數(shù)據(jù)采集與上傳、數(shù)據(jù)解析、異常數(shù)據(jù)分析、權(quán)限角色管理等進(jìn)行研究，本文設(shè)計(jì)了一用電數(shù)據(jù)管理、預(yù)警提示的信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S構(gòu)架設(shè)計(jì)。Springboot+Mybatis整合框架建設(shè)后臺(tái)，HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts實(shí)現(xiàn)前端，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、信息檢索、數(shù)據(jù)可視化、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)傳輸接口等功能，解決了用電數(shù)據(jù)難以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)掌控的痛點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：SpringBoot；安全用電；數(shù)據(jù)管理。
0 引言
隨著高新技術(shù)的發(fā)展，許多新興電器設(shè)備出現(xiàn)在人們的視野中并被廣泛接受使用[1]。伴隨著智能化電氣設(shè)備的普及，電氣火災(zāi)問(wèn)題也逐漸被人們所重視。中國(guó)公安部消防局火災(zāi)數(shù)據(jù)中心公布的數(shù)據(jù)顯示，因電氣設(shè)備故障引發(fā)的各類(lèi)火災(zāi)報(bào)案占比高達(dá)34%。
電氣設(shè)備引發(fā)的火災(zāi)儼然已經(jīng)成為人類(lèi)生產(chǎn)生活中的攔路虎，有效遏制電氣火災(zāi)高發(fā)勢(shì)頭勢(shì)在必行，但是傳統(tǒng)運(yùn)行與維修模式存在著人工監(jiān)測(cè)成本高、安全可靠性低、意外停電風(fēng)險(xiǎn)大、設(shè)備故障頻次高等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代發(fā)展的需求，在湖南師范大學(xué)電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套通過(guò)限電器采集學(xué)校、宿舍等公共場(chǎng)所的用電指標(biāo)數(shù)據(jù)，如電流、電壓、功率、溫度、濕度、電阻等，從而判斷電路短路、負(fù)載功率過(guò)高、電路溫度升高或者電路進(jìn)水等異常情況，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)警的安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)。
1需求分析與關(guān)鍵技術(shù)
1.1需求分析
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)是一套智能的電氣數(shù)據(jù)采用監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)限電器采用節(jié)點(diǎn)的用電指標(biāo)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）數(shù)據(jù)傳輸模塊將電氣數(shù)據(jù)按約定的協(xié)議上傳到服務(wù)器中，服務(wù)器接收到電氣數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、入庫(kù)、分析、顯示、預(yù)警等，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
（1）電氣數(shù)據(jù)采集，將限電器的指標(biāo)數(shù)據(jù)，按約定協(xié)議通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)卡上傳到云服務(wù)器中。
（2）在云端服務(wù)器研發(fā)UDP服務(wù)，與遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)建立連接，接收并解析遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
（3）分析UDP服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)電氣數(shù)據(jù)指標(biāo)所設(shè)定的閾值進(jìn)行分析，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警提示。
（4）對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括電氣指標(biāo)、度量單位、用戶(hù)信息、日志信息、權(quán)限信息、角色信息等。
（5）電氣數(shù)據(jù)管理及可視化，對(duì)UDP服務(wù)器接收到的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度查詢(xún)與展示，方便用戶(hù)直觀的查、檢索、導(dǎo)出所需要的數(shù)據(jù)，并對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。
1.2關(guān)鍵技術(shù)
系統(tǒng)采用B/S框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用Sprideatis作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。項(xiàng)目后端采用Springboot+Mybatis框架并進(jìn)行整合，前端采用HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts進(jìn)行開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。下面將對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
SpringBoot是基于Spring4.0設(shè)計(jì)，不僅繼承了Spring框架原有的特性，而且還通過(guò)簡(jiǎn)化配置來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了Spring應(yīng)用的整個(gè)搭建和開(kāi)發(fā)過(guò)程。SpringBoot通過(guò)集成大量的框架使得依賴(lài)包的版本沖突，以及引用的不穩(wěn)定性等問(wèn)題得到了很好的解決。
MyBatis是一款的持久層框架，它支持定制化SQL、存儲(chǔ)過(guò)程以及映射。MyBatis避免了幾乎所有的JDBC代碼和手動(dòng)設(shè)置參數(shù)以及獲取結(jié)果集。MyBatis可以使用簡(jiǎn)單的XML或注解來(lái)配置和映射原生信息，將接口和Java的POJOs(PlainOrdinaryJavaObject,普通的Java對(duì)象)映射成數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄。
ECharts是一個(gè)純Javas
HTML5一直是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中較受關(guān)注的兩個(gè)話(huà)題。HTML5用戶(hù)帶來(lái)了一組新的體驗(yàn)，如Web的音頻和視頻不再需要插件，通過(guò)Canvas可以靈活地完成圖像繪制，而不必考慮屏幕的分辨率，流星器對(duì)可擴(kuò)展矢量圖（SVG）和數(shù)學(xué)標(biāo)記語(yǔ)言（MathML）實(shí)現(xiàn)了本地支持等。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)以準(zhǔn)確獲取用電數(shù)據(jù)，解析存儲(chǔ)電氣數(shù)據(jù)，分析預(yù)警異常狀態(tài)，及時(shí)提示管理用戶(hù)，從而減少發(fā)生電氣火災(zāi)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)一套集數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解析、異常指標(biāo)分析與預(yù)警、數(shù)據(jù)檢測(cè)與可視化等功能的互聯(lián)網(wǎng)安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)。
2.2設(shè)計(jì)原則
系統(tǒng)將設(shè)計(jì)時(shí)將采用合理、科學(xué)的系統(tǒng)架構(gòu)，完整的功能層次框架，保障系統(tǒng)的業(yè)務(wù)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)安全、簡(jiǎn)單易用，系統(tǒng)建設(shè)基于以下主要原則：
（1）易用性原則。系網(wǎng)站界面簡(jiǎn)潔明了,布局合理，頁(yè)面瀏覽及操作提示直觀清晰，適合電腦瀏覽器的使用習(xí)慣，幫助信息豐富，有利于用戶(hù)獲得相應(yīng)信息及完成操作，有良好的用戶(hù)體驗(yàn)。
（2）實(shí)用性原則。以完成為相關(guān)工作的業(yè)務(wù)需求為首要目標(biāo)，避免貪大求全、盲目建設(shè)，避免盲目追求、新技術(shù)。
（3）高可靠性原則。在實(shí)用性的前提下，所采用的網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)應(yīng)是公認(rèn)的主流技術(shù)，具有持續(xù)發(fā)展的潛力。
（4）適度和可擴(kuò)展性原則。確定項(xiàng)目的硬件環(huán)境和基本配置，綜合考慮項(xiàng)目實(shí)施后一段時(shí)間內(nèi)信息容量、網(wǎng)絡(luò)狀況、信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)硬件的需求等因素，為了避免硬件資源的浪費(fèi)，制定的硬件平臺(tái)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)囊?guī)模，以及一定的前瞻性和擴(kuò)展性。
2.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)將分為四層進(jìn)行設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、業(yè)務(wù)流程和信息服務(wù)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
2.4功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)接口（數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)入庫(kù)），基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理（指標(biāo)管理、單位管理、閾值管理），信息查詢(xún)（電氣數(shù)據(jù)查詢(xún)、異常數(shù)據(jù)查詢(xún)），數(shù)據(jù)可視化（數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)趨勢(shì)性分析），系統(tǒng)安全（權(quán)限管理、用戶(hù)管理、角色管理、日志管理），系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
（1）數(shù)據(jù)接口功能是實(shí)現(xiàn)限電器將節(jié)點(diǎn)上采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)卡上傳到服務(wù)器中，服務(wù)器通過(guò)UDP服務(wù)接收到數(shù)據(jù)后按約定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并將數(shù)組以設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)表中。
（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理功能主要實(shí)現(xiàn)采集的指標(biāo)管理（如：電流、電壓、功率、溫度、濕度、電阻等）、度量單位管理以及指標(biāo)的閾值設(shè)置管理。
（3）信息查詢(xún)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行多條件組合查詢(xún)和異常數(shù)據(jù)的檢索功能。
（4）數(shù)據(jù)可視化以圖形可視化的形式實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化情況，以及對(duì)用電數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性分析，方便用戶(hù)直觀的體驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化情況。
（5）系統(tǒng)安全實(shí)現(xiàn)用戶(hù)權(quán)限管理、用戶(hù)管理、角色管理、日志管理等功能。管理員可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要建立不同的角色，并給該角色分配不同的權(quán)限，當(dāng)用戶(hù)擁有該角色時(shí)，即可操作角色所包含的權(quán)限菜單。
2.5數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程及需求進(jìn)行分析后，得出系統(tǒng)需要以下數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)信息：se_datahistory、se_dataitem、se_electricaldatase_eqchangerecord、se_equipment、se_hstructure、se_instructions、se_parameter、se_sys_log、se_sys_right、se_sys_role、se_sys_role_right、se_sys_user、se_sys_workunit。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表關(guān)系ER圖如圖3所示：
3 系統(tǒng)應(yīng)用與功能展示
本系統(tǒng)采用Springboot、Mybatis、H5、CSS3、Echarts等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一套安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)限電器采集監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的電氣指標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按約定協(xié)議上傳到服務(wù)器后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、入庫(kù)、分析、預(yù)警等一系列操作，通過(guò)電氣數(shù)據(jù)分析判斷客戶(hù)用電安全情況，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸接口、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)可視化、系統(tǒng)安全等功能。通過(guò)應(yīng)用本系統(tǒng)能夠有效地對(duì)硬件方面?zhèn)鬏斶^(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，對(duì)出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)能夠非常及時(shí)的發(fā)送預(yù)警信息，有效地降低用電帶來(lái)的安全隱患，較大程度上保護(hù)用戶(hù)的財(cái)產(chǎn)安全。如下圖4實(shí)現(xiàn)了電氣指標(biāo)閾值配置功能，圖5實(shí)現(xiàn)了電氣指標(biāo)數(shù)據(jù)異常預(yù)警功能。
4安科瑞安全用電云平臺(tái)功能介紹及選型
4.1 安科瑞安全用電云平臺(tái)介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏鳌⒃O(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、記錄，并且通過(guò)云端的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透?jìng)髦噶睿r(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)上傳至云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為用戶(hù)提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并實(shí)施排查，避免火災(zāi)的發(fā)生。另一方面，云平臺(tái)提供容量的信息儲(chǔ)存及穩(wěn)定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對(duì)用戶(hù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過(guò)集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊(duì)，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。
平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖
具體功能如下：
（1）安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺(tái)、電腦終端顯示系統(tǒng)、APP、漏電探測(cè)器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)等，能實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報(bào)警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護(hù)等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。
（3）APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本，能通過(guò)APP對(duì)每條報(bào)警記錄進(jìn)行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
（4）能對(duì)各個(gè)單位及設(shè)備的電氣安全運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析評(píng)估，并隨時(shí)展示電氣安全運(yùn)行分析報(bào)告。
（5）監(jiān)控探測(cè)終端產(chǎn)品滿(mǎn)足國(guó)家法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》和GB14287.3《測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》）的要求，并通過(guò)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)器能同時(shí)探測(cè)剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過(guò)無(wú)線以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)。
4.2 產(chǎn)品選型
4.2.1漏電火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器
4.2.2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(hù)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：
4.2.3限流式保護(hù)器
安科瑞限流式保護(hù)器型號(hào)代碼為ASCP200-1，有三種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路短路過(guò)載等故障信息，發(fā)生故障時(shí)預(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，也能夠通過(guò)插入SIM卡直接上傳到平臺(tái)。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護(hù)功能。保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
過(guò)載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)線路的電流過(guò)載且過(guò)載持續(xù)時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3…60秒可設(shè)）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)。
表內(nèi)超溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
過(guò)、欠壓保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器檢測(cè)到線路電壓過(guò)壓或欠壓時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
配電線纜溫度監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)線纜溫度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
漏電流監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的線路漏電超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
保護(hù)器具有1路RS485接口，1路2G無(wú)線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
4.2.4剩余電流互感器
4.2.5 AF-GSM400-2G/4G無(wú)線上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無(wú)線模塊，該無(wú)線模塊為安全用電云平臺(tái)專(zhuān)用模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個(gè)模塊可以接入30塊儀表。默認(rèn)上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報(bào)警，會(huì)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。
4.2.6 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(jiān)控基準(zhǔn)，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護(hù)。
5 結(jié)論
根據(jù)我國(guó)《民用電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，低壓配電系統(tǒng)主要分為三種：IT型式、TT型式和TN型式，在實(shí)際應(yīng)用中，低壓配電系統(tǒng)的保護(hù)接零、保護(hù)接地是控制人體觸電的重要保護(hù)措施，這兩種保護(hù)方式的技術(shù)原理存在較大差異，因此，對(duì)于不同的低壓配電系統(tǒng)應(yīng)采用不同接地形式，TN型式系統(tǒng)采用保護(hù)接零方式，TT、IT型式系統(tǒng)采用保護(hù)接地方式。
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作者簡(jiǎn)介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
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