摘  要：中小學(xué)校是培養(yǎng)未來(lái)人才的重要場(chǎng)所，但中小學(xué)校存在人流密集、學(xué)生安全意識(shí)不到位、用電設(shè)備多、宿舍惡性負(fù)載管理難等問(wèn)題，使得近些年用電安全和電氣火災(zāi)事故頻發(fā)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，建設(shè)統(tǒng)一的中小學(xué)校安全用電監(jiān)管云平臺(tái)，可配合各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器，對(duì)中小學(xué)校的用電安全進(jìn)行不間斷的監(jiān)視，對(duì)電氣火災(zāi)隱患及危害提前預(yù)警，預(yù)警信息實(shí)時(shí)推送，管理人員可通過(guò)網(wǎng)站、App、小程序等方式訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校用電安全監(jiān)控的無(wú)人值守，大大方便了教育部門對(duì)于轄區(qū)學(xué)校的用電安全管理。主要分析了中小學(xué)校安全用電監(jiān)管云平臺(tái)的設(shè)計(jì)及相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)硬件。

關(guān)鍵詞：安全用電；中小學(xué)校；智慧用電；惡性負(fù)載識(shí)別

     隨著各地中小學(xué)校建設(shè)的智能化程度不斷提高，各種用電設(shè)備都處于學(xué)生的可接觸范圍內(nèi)，由于學(xué)生的安全意識(shí)普遍較薄弱，加之校園內(nèi)人員密集，用電安全隱患日益顯露。目前，中小學(xué)校面臨的用電安全隱患包括如下幾方面。

     一是宿舍、辦公室、實(shí)驗(yàn)室等區(qū)域存在惡性負(fù)載、大功率電器使用、年久失修等各種情況，導(dǎo)致漏電風(fēng)險(xiǎn)較大，絕緣皮老化現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至存在線頭裸露情況。

     二是實(shí)驗(yàn)室、教室等區(qū)域預(yù)留插座不足，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)增加新設(shè)備后私拉亂接電線的情況。

     三是宿舍區(qū)電源插座較多，違章私拉亂接現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

     四是變壓器過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，存在電氣線路老化破損現(xiàn)象和異常發(fā)熱現(xiàn)象。

     五是電瓶車違規(guī)充電，易導(dǎo)致插座接觸不良，引發(fā)短路起火。

     六是學(xué)校倉(cāng)庫(kù)、食堂廚房、實(shí)驗(yàn)室等電器管理不善，容易引起火災(zāi)。

     七是可燃性氣體累積、使用明火、吸煙等都會(huì)增加火災(zāi)隱患。

     2017年，教育部辦公廳頒布了《關(guān)于開(kāi)展教育系統(tǒng)電氣火災(zāi)綜合治理自查檢查的通知》。針對(duì)以上種種安全隱患，結(jié)      合教育部的指導(dǎo)政策，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，建設(shè)中小學(xué)校安全用電監(jiān)管云平臺(tái)（簡(jiǎn)稱云平臺(tái)），有效解決了學(xué)校電氣線纜老化，有些學(xué)校沒(méi)有專業(yè)電工、無(wú)法通過(guò)肉眼排查細(xì)微的電氣隱患，部分隱蔽工程年久失修造成隱患積累等難題。將發(fā)現(xiàn)的安全隱患和報(bào)警信息通過(guò)云平臺(tái)實(shí)時(shí)向管理人員發(fā)送預(yù)警信息，通過(guò)信息化手段指導(dǎo)中小學(xué)校開(kāi)展電氣火災(zāi)治理，發(fā)生緊急情況時(shí)時(shí)間進(jìn)行處理，是“科技興安"的重要組成部分。

     將分布廣泛的各學(xué)校場(chǎng)景的物聯(lián)網(wǎng)硬件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，通過(guò)大數(shù)據(jù)開(kāi)展隱患分析和預(yù)警分析，建設(shè)云平臺(tái)，能將一個(gè)區(qū)域內(nèi)的多種學(xué)習(xí)活動(dòng)納入同一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行管控(見(jiàn)圖1)。

圖1    云平臺(tái)界面展示

一、云平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

云平臺(tái)采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層、云服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2    云平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

     云平臺(tái)通過(guò)4G/光纖/NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電氣火災(zāi)探測(cè)器、故障電弧探測(cè)器、電氣防火限流式保護(hù)器、惡性負(fù)載管控表以及帶NB通信功能的煙感探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電氣安全監(jiān)測(cè)信息，并通過(guò)云平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)App、短信、微信公眾號(hào)等的信息推送，或者以語(yǔ)音呼叫方式實(shí)時(shí)報(bào)警。

     可以在教學(xué)樓、辦公樓、圖書(shū)館、宿舍樓、食堂等建筑樓層的配電井、配電箱進(jìn)出線回路中設(shè)置電氣火災(zāi)探測(cè)器，在食堂、實(shí)驗(yàn)樓等位置設(shè)置煙感探測(cè)器和可燃?xì)怏w探測(cè)器，在教室照明插座回路、學(xué)生宿舍和教職工宿舍等處設(shè)置故障電弧探測(cè)器和惡性負(fù)載管控表。

1.電氣火災(zāi)探測(cè)器能實(shí)現(xiàn)的功能

     實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、視在功率。

     漏電電流監(jiān)測(cè)：1路漏電電流。

     溫度監(jiān)測(cè)：4路溫度監(jiān)測(cè)。

     電氣火災(zāi)預(yù)警：針對(duì)電流過(guò)載、電壓欠壓、電壓過(guò)壓、漏電電流過(guò)大、導(dǎo)線溫度過(guò)高等現(xiàn)象。

2.故障電弧探測(cè)器能實(shí)現(xiàn)的功能

     故障電弧報(bào)警。

3.惡性負(fù)載管控表的功能

     特點(diǎn)：具有一進(jìn)三出、一進(jìn)四出、一進(jìn)五出等接線方式。

     計(jì)量：可對(duì)進(jìn)線、分支出線電能計(jì)量，計(jì)費(fèi)管理。

     管理功能：惡性負(fù)載識(shí)別、定時(shí)開(kāi)關(guān)控制、分路控制、功率控制。

     惡性負(fù)載管控表可安裝在宿舍樓的各個(gè)房間末端，能夠有效識(shí)別學(xué)生在宿舍內(nèi)使用大功率電器、發(fā)熱類電器和其他違規(guī)電器等惡性負(fù)載，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，預(yù)防學(xué)生宿舍電器使用不當(dāng)造成的電氣火災(zāi)事故。

4.電氣防火限流式保護(hù)器能實(shí)現(xiàn)的功能

     短路保護(hù)：短路時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，保障人身安全，發(fā)生事故前可實(shí)現(xiàn)“微秒級(jí)"防護(hù)。

     監(jiān)測(cè)預(yù)警：針對(duì)電流過(guò)載、電壓過(guò)壓和欠壓、導(dǎo)線溫度過(guò)高、漏電電流過(guò)大等現(xiàn)象。

     與漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)或故障電弧探測(cè)器相比，電氣防火限流式保護(hù)器能夠在發(fā)生觸電等安全事故前就進(jìn)行防護(hù)，有效防止事故的發(fā)生。

     對(duì)此，GB  51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ  08—2048—2016《民用建筑電氣防火設(shè)計(jì)規(guī)程》、江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DB32/T  3698—2019《建筑電氣防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和DB 32/T  3904—2020《電動(dòng)自行車停放充電場(chǎng)所消防技術(shù)規(guī)范》中，都明文規(guī)定了電氣防火限流式保護(hù)器的安裝配備要求。

二、云平臺(tái)的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

     數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與設(shè)備通信：數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控設(shè)備使用485連接通信，網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)參數(shù)報(bào)警。

     物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與云端通信：設(shè)備或數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器使用TCP協(xié)議加密通信。

2.云端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

     信息推送服務(wù)：產(chǎn)生報(bào)警提醒，進(jìn)行App、短信、郵件等推送。

     數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解析：接收設(shè)備上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，解析存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊使用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和文件數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的模式。

     控制命令下發(fā)：將控制命令下發(fā)給監(jiān)控設(shè)備，由監(jiān)控設(shè)備對(duì)設(shè)備本身或者斷路器進(jìn)行控制，如分合閘或參數(shù)修改等。

3.WEB應(yīng)用服務(wù)

     實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控：系統(tǒng)對(duì)漏電電流過(guò)大、溫度過(guò)高、電流過(guò)載、電壓過(guò)壓和欠壓、故障電弧監(jiān)測(cè)、短路等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)生故障時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警。建議接入電氣火災(zāi)探測(cè)器、故障電弧探測(cè)器、電氣防火限流式保護(hù)器、NB煙感探測(cè)器、NB可燃?xì)怏w探測(cè)器等，使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控各種探測(cè)器。

     數(shù)據(jù)和隱患分析：為用戶提供參考價(jià)值，杜絕隱患，系統(tǒng)提供歷史曲線和報(bào)警信息查看功能。

     遙控功能：對(duì)監(jiān)控回路的分合閘、遠(yuǎn)程復(fù)位進(jìn)行遙控操作，能夠設(shè)置報(bào)警漏電電流、報(bào)警溫度、報(bào)警電壓、開(kāi)關(guān)量輸入輸出等參數(shù)。

     報(bào)警提醒：報(bào)警啟動(dòng)時(shí)，可實(shí)時(shí)對(duì)管理人員進(jìn)行短信、郵件、App推送，語(yǔ)音電話等。

     權(quán)限管理：云平臺(tái)通過(guò)對(duì)用戶類型實(shí)施分級(jí)管理可實(shí)現(xiàn)更高水平的信息安全管理。擁有相應(yīng)授權(quán)的用戶可以對(duì)授權(quán)范圍內(nèi)的項(xiàng)目、設(shè)備、探測(cè)器等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況進(jìn)行查看、修改，從而提高系統(tǒng)整體安全性。

     數(shù)據(jù)分析：針對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種模型分析和報(bào)告，為客戶消除安全隱患；提供能耗分析。

     巡檢管理：可以制訂巡檢計(jì)劃，巡檢人員可使用手機(jī)NFC芯片、二維碼掃描、GPS定位等巡檢打卡，進(jìn)行運(yùn)維上報(bào)，形成巡檢記錄。

     用戶報(bào)告：系統(tǒng)按單個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目提供每個(gè)月的用戶分析報(bào)告并支持打印。

三、云平臺(tái)系統(tǒng)的意義及收益

     云平臺(tái)能夠?qū)⒅行W(xué)校的用電安全數(shù)據(jù)納入云端大系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管控，對(duì)校舍各級(jí)配電可能出現(xiàn)的漏電電流過(guò)大、溫度過(guò)高、電流過(guò)載、電壓過(guò)壓和欠壓、故障電弧監(jiān)測(cè)、短路等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、記錄，同時(shí)為學(xué)生宿舍的惡性負(fù)載識(shí)別和管理也提供了解決方案，能夠通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，及早預(yù)防排查和報(bào)警處理。另一方面，云平臺(tái)還能提供大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、能源分析和隱患報(bào)告分析服務(wù)，能有效利用大數(shù)據(jù)分析中小學(xué)校用電安全的趨勢(shì)。此外，云平臺(tái)通過(guò)云端進(jìn)行集中式管理和監(jiān)控，這使得教育部門和消防部門可以隨時(shí)了解區(qū)域內(nèi)各學(xué)校安全隱患的存在情況，從而對(duì)采集的信息進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和聯(lián)動(dòng)。

     云平臺(tái)為教育部門和消防部門提供了一個(gè)行之有效的預(yù)警平臺(tái)建設(shè)范式，統(tǒng)一的大平臺(tái)建設(shè)，也讓每一所學(xué)校都能夠隨時(shí)隨地看到自身的安全用電情況，避免重復(fù)投資。

參考文獻(xiàn)

[1] 連理枝.剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用,2000(2):27-29.

[2] 陳英武,樊可清,羅炳聰.商用中央空調(diào)的剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].五邑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(3):70-74.

[3] 錢立軍,陸寒熹,尹建悅.基于智能電表的剩余電流監(jiān)測(cè)功能研究[J].電氣應(yīng)用,2015(S1):204-207.

[4] 戚星宇,嚴(yán)永輝,黃申茂,等.一種低壓配電網(wǎng)剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng):中國(guó),204536414 U[P].2015-08-05.

[5] 周晨.剩余電流在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究[D].南京:南京師范大學(xué),2016.

[6] 路金川,隨惠斌.配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的量測(cè)配置探討[J].山東電力技術(shù),2004(6):72-76.

[7] 陳志根.變電站無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].中國(guó)電力,2010(Z3):77-79.

作者簡(jiǎn)介：簡(jiǎn)婷，女，本科，現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)榻ㄖ芎谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

智慧安全用電用戶需求

●安裝用戶

實(shí)時(shí)監(jiān)控場(chǎng)所電氣設(shè)備運(yùn)行狀況

當(dāng)出現(xiàn)隱患后能及時(shí)收到通知

緊急情況下能遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備

●運(yùn)維人員

查看所轄用戶設(shè)備的實(shí)時(shí)情況

出現(xiàn)隱患后能及時(shí)收到通知

能對(duì)用戶的設(shè)備進(jìn)行定期巡檢維護(hù)

提供對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的運(yùn)維報(bào)告

對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理

智慧安全用電結(jié)構(gòu)圖