淺述安科瑞園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)的設計與應用

摘要：為解決目前園區(qū)用電管理紊亂、數據采集不便、運維智能化水平低等問題。研究搭建出園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)由網關、PC、手機、智能物聯(lián)網設備等硬件組成。利用RS-485總線通信、數據庫管理、GPRS無線傳輸等技術將智能電表、集中器、數據采集終端及云服務器連接起來進行信息交換與通訊，建立智慧用電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠保證用電管理的高效性和性，顯著提高了物業(yè)服務的工作效率和智能化水平，減少了管理維護成本，有效改善了用戶體驗。

關鍵詞：園區(qū) 智慧用電 管理系統(tǒng) 系統(tǒng)設計 用電管理智能化

0引言

隨著物聯(lián)網、云平臺等新興信息科技的日益成熟，未來園區(qū)用電管理的發(fā)展將更加智能化、信息化。近年來，越來越多的能源互聯(lián)網企業(yè)為園區(qū)用電管理提供了解決方案，文獻[1]提出基于大數據技術設計開發(fā)的智能電表遠程抄表系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的人工抄表方法，能夠有效提高抄表的速率，并降低誤抄率。文獻[2]提出基于無線傳感器網絡研究開發(fā)的建筑智能用電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對用電設備的智能化安全保障，以避免由于設備維修不及時引發(fā)的建筑用電安全問題。文獻[3]提出利用數據采集器對用電信息進行實時采集，實現(xiàn)對竊電行為的有效監(jiān)測以及提高了線損管理的智能化水平與效率。但是以上研究成果僅改善了抄表效率低下、設備管理粗放及電能損耗較大等問題，在建筑園區(qū)電費業(yè)務管理層面上仍存在一些難題尚未得到解決。一方面，傳統(tǒng)采用的預付費電表方案并不適用于商業(yè)園區(qū)，電表下屬的負荷大小各有不同，若出現(xiàn)欠費斷電的情況，很有可能會對公司業(yè)務、數據庫等重要信息造成重大損失；另一方面，園區(qū)各企業(yè)的電表數量眾多，“充值流程繁瑣"、“電表管理困難"、“業(yè)主拖欠電費"等問題嚴重影響著園區(qū)用電管理的服務質量，進而導致入場企業(yè)存留率低、園區(qū)市場競爭力弱等問題。

園區(qū)的服務質量和數字智能化水平是吸引現(xiàn)代企業(yè)入駐，贏得市場競爭優(yōu)勢的關鍵性因素?；A能源服務能力不達標，將意味著園區(qū)經濟發(fā)展能力的下降甚至缺失，因此，如何吸引企業(yè)并提升園區(qū)服務水平，是園區(qū)未來值得思考的發(fā)展方向。為解決以上問題，提出在現(xiàn)有研究成果的基礎上，建立設計以“業(yè)務智能"和“設備安全"為核心理念的園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)。

1園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計是通過特定的技術或組織構成的網絡化配置，注重目標用戶的需求，用以提供用戶所需的服務。作為一種全新的設計思維模式，其特點體現(xiàn)在本身的平衡性，即維持系統(tǒng)“使用端"和“服務端"之間的平衡度，融入了產品及服務的規(guī)劃設計流程，綜合運用設計學理論及方法對產品及管理服務進行一體化的設計實踐。系統(tǒng)設計兼顧了視覺設計、功能設計、交互設計、服務設計以及體驗設計，用戶通過研發(fā)的系統(tǒng)平臺滿足自身的需求和期望，從而有助于提升系統(tǒng)的滿意度和便捷度，改善用戶體驗。這種體驗感受是用戶在使用系統(tǒng)過程中貫穿于整個管理系統(tǒng)的主觀感受。

園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)主要由智能電表、數據采集器、數據集中器及其他輔助通訊部件構成，用戶端為園區(qū)物業(yè)使用的Web端程序和業(yè)主使用的小程序，用戶不僅能實現(xiàn)用戶實時用電數據的查詢及業(yè)務處理功能，擁有平臺體驗良好的人機交互功能，還可以方便快捷地得到所需信息，享有更為智能化的分析系統(tǒng)和用戶管理。系統(tǒng)利用RS-485總線技術一點對多點的通訊特征將智能電表和數據采集器及集中器組成傳輸監(jiān)測設備組，實現(xiàn)一個數據采集器與多個智能電表通訊的要求，用以完成對多電表能耗數據的實時采集和有效存儲，并將各個電表節(jié)點的用電數據經分析處理后實時傳輸至系統(tǒng)進行后臺業(yè)務操作與算法實現(xiàn)，例如遠程抄表、自動生成每月的賬單等。另外，系統(tǒng)還可根據傳輸的電能參數判斷當前設備的電壓和功率是否超出設定的閾值范圍，一旦超出范圍即可通過GPRS通訊向用戶發(fā)送預警信號（手機短信和平臺警告），從而保證用電設備處于安全狀態(tài)。同時，不同經濟產業(yè)園區(qū)的傳輸監(jiān)測設備組可以通過以太網技術實現(xiàn)與系統(tǒng)計算機的信息互通，完成數字化管理及后續(xù)數據的統(tǒng)計處理與分析。智慧用電管理系統(tǒng)總體設計方案如圖1。

圖1 智慧用電管理系統(tǒng)總體設計方案

2系統(tǒng)硬件設計

基于園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)的總體設計，本系統(tǒng)設備配置主要分為以下幾個部分。

（1）智能電表。作為整個用電系統(tǒng)的核心部件，它主要用于采集、計量、存儲及傳輸業(yè)主原始有功電能數據，對數據進行處理分析及展示，并利用數據庫技術實現(xiàn)信息的管理與維護以及數據交互功能。

（2）防盜攝像頭。主要目的是監(jiān)控設備防止被竊。當設備安裝箱被打開時，啟用攝像頭對行為人進行拍照，并將拍攝的照片傳輸至數據庫，若發(fā)生設備遺失事件，即可在數據庫讀取盜竊者的圖片信息以鎖定目標。

（3）Flash存儲芯片和系統(tǒng)內存動態(tài)存儲器以及各種設備電源電路模塊等其他輔助部件。

（4）數據采集器。主要功能是完成對電表數據的實時采集和存儲，并接收服務器遠程指令下達至電表節(jié)點。

（5）數據集中器。通過預設好的算法，完成對電表數據的實時掃描、采集、處理和傳輸；完成遠程系統(tǒng)發(fā)出的抄表指令，并對設備進行實時監(jiān)測及故障上報。

（6）系統(tǒng)管理計算機和支持的數據傳送通信部件。主要采用以太網技術將各個設備連接構成局部網絡系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程輸送和數字化管理。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分從穩(wěn)定性、易拓展性、開發(fā)友好性等方面進行綜合考慮，基于系統(tǒng)需求分析，采用將業(yè)主配置分散的多個電表集中到賬戶內進行統(tǒng)一管理的方式，根據用戶不同的身份創(chuàng)建對應的角色賬戶并進行權限設置管理。物業(yè)工作人員基于所劃分的角色登錄相應的賬戶后，系統(tǒng)通過接收電表傳輸的用電能耗數據，實現(xiàn)自動存儲、計算、比較、判定等功能，以便工作人員能夠及時準確地掌握各個業(yè)主的用電情況及用電設備的運行狀態(tài)。同理，業(yè)主公司下也可以有多種角色分類，登錄賬號即可操作對應的業(yè)務。軟件系統(tǒng)整體功能結構如圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)功能結構

將軟件設計進行細分，主要包括3個部分：①物業(yè)Web端程序，主要實現(xiàn)處理每月自動生成的賬單、統(tǒng)計能耗數據，以及追蹤電費和監(jiān)測設備等功能。②業(yè)主端微信小程序，主要完成賬單處理、電費充值、發(fā)票申請、查閱用電量情況及園區(qū)能耗指標排名等操作。③系統(tǒng)數據庫，主要實現(xiàn)功能包含設備信息的存儲與更新、監(jiān)測數據及完成其識別結果的管理與維護等。

（一）物業(yè)Web端程序設計

不同園區(qū)各個企業(yè)樓宇間的空調、照明、電梯、消防等用電分項所產生的能耗數據通過智能硬件接入到系統(tǒng)中，實現(xiàn)與計算機的信息交換和通信。系統(tǒng)Web端是基于業(yè)主局域網，通過在瀏覽器輸入固定進入系統(tǒng)登錄界面，輸入準確的用戶名和密碼，進入首頁以完成待辦的任務事項。物業(yè)端程序主要功能為賬單與電費管理、設備監(jiān)測、發(fā)票和充值審核、能耗分析等。賬單與電費管理可編輯與審核每月自動生成的賬單、協(xié)調設置動態(tài)電價、在線追蹤電費，對于電費余額狀態(tài)為欠費的用戶可以做遠程斷電處理；設備監(jiān)測模塊對所收集的監(jiān)測記錄進行匯總處理，在滿足物業(yè)工程人員無需前往安裝現(xiàn)場的條件下，即可選擇查看各個用電設備的所有實時數據、異常報警及設備連接狀況。

物業(yè)端程序的核心功能展示集中于業(yè)務受理信息管理，物業(yè)用戶在選擇用電查詢模塊后，可篩選查詢條件，其中包括業(yè)主編號、業(yè)主戶名、業(yè)主所在區(qū)，系統(tǒng)會根據查詢條件進行數據庫訪問。除此之外，該模塊還可以對某業(yè)主自入場以來所產生的用電數據進行查詢，例如日用電量、月用電量、年用電量，也可以對整個區(qū)的用電消耗情況進行查詢，并支持數據統(tǒng)計繪圖功能，使得用電觀察具有更加清晰直觀的良好呈現(xiàn)。

（二）業(yè)主端微信小程序設計

系統(tǒng)在進行線上業(yè)務處理是一個長期雙向的過程，物業(yè)端在發(fā)出指令后，業(yè)主端需要借助工具載體對服務進行反饋與處理，因此，開發(fā)一款高效準確的業(yè)主端程序顯得至關重要。微信小程序作為無需用戶下載安裝，即可使用的技術應用，具有開發(fā)使用成本低、用完即走、運行流暢與內存小巧的優(yōu)勢。目前，園區(qū)入駐企業(yè)的電費賬單更新周期是每月的25日，業(yè)主除了在收到設備異常和催繳電費信息的情況下需要使用小程序以外，平時使用它的頻率較低。采用依賴微信生存的小程序作為業(yè)主端，不僅可以在一定程度上增加用戶的使用黏性，還能在滿足低頻使用需求下幫助用戶節(jié)省手機內存空間。

4安科瑞安全用電管理云平臺

（1）概述

隨著社會經濟的迅速發(fā)展，建筑電氣火災發(fā)生的頻率也呈上升勢頭，給財產和人民的生命安全造成的損失與日俱增，據統(tǒng)計，電氣隱患是引發(fā)建筑火災的首要因素。

安科瑞電氣推出的安全用電管理云平臺采用剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實現(xiàn)一時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

用戶可以利用PC網頁、手機APP、微信小程序、微信公眾號等多種方式實現(xiàn)對平臺的訪問，查詢包括系統(tǒng)信息、實時數據、報警記錄等在內的各種信息，使用方便。利用該系統(tǒng)為用戶提供的低成本專業(yè)服務，能有效提升企業(yè)的消防安全管理和電氣設備安全水平，有效防范重大惡性火災財產損失、尤其是重大惡性人員傷亡責任事故的發(fā)生。

（2）應用場所

本平臺適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、重點消防單位以及石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領域，也適用于市場、門店等小微場所，對分散在建筑內的探測器進行遙測、遙調、遙控、遙信，方便實現(xiàn)監(jiān)控與管理。

（3）系統(tǒng)架構

本平臺的整體結構如圖所示：

（4）系統(tǒng)功能

智慧用電云平臺通過4G/光纖/NB-IoT網絡接入電氣火災探測器、故障電弧探測器、電氣防火限流式保護器、溫濕度傳感器以及帶NB通訊功能的感煙探測器、可燃氣體探測器等設備，實現(xiàn)電氣安全監(jiān)測信息通過平臺、APP推送、短信推送、微信公眾號推送、微信小程序推送、釘釘推送、郵件推送或者語音呼叫等方式實時報警。

1）登錄頁面

輸入平臺地址，建議使用谷歌，火狐，360瀏覽器（極速模式）。此功能用于用戶登錄系統(tǒng)，如下圖所示。

輸入用戶名、密碼，點擊“登錄"按鈕，如果用戶名、密碼不正確則提示用戶輸入正確的用戶名密碼；如果用戶名、密碼正確即可成功登錄系統(tǒng)。

2）首頁

用戶登錄成功之后進入首頁，如下圖所示。主要展示的內容有：項目總覽、設備狀態(tài)、探測器分類、設備報警信息、報警狀態(tài)、報警統(tǒng)計等。其中地圖可以選配成3D建筑模型。

3）數據監(jiān)控

①實時監(jiān)控

點擊左側列表實時監(jiān)控進入實時監(jiān)控頁面，該頁面展示了當前用戶關聯(lián)的項目數量，項目位置，探測器數量，如下圖所示。

系統(tǒng)可接入電氣火災探測器、故障電弧、電氣火災主機、滅弧式保護器探測、煙感可燃氣體和母排無線測溫探測等，并可遠程控制相應探測器。

如果探測器有關聯(lián)攝像頭，點擊視頻監(jiān)控即可查看當前攝像頭視頻監(jiān)控。

②配電圖

在實時監(jiān)控點擊配電圖可以展示項目的配電圖信息，包括各個探測器的運行狀態(tài)機實時電參量，可以對配電圖進行放大、縮小、平移等操作，如下圖所示。

點擊具體探測器可查看該探測器的電參量歷史曲線，如下圖所示。

③電參量報表

可對儀表數據按日期進行查詢，并可導出EXCEL進行查看。

（4）能耗分析

能耗分析包括能耗概況，同比分析，環(huán)比分析，能耗報表，復費率報表功能。

1）能耗概況

能耗概況可以查看今日、本月、今年的用電情況，且可以展示相應的同環(huán)比信息，也可以查看今日和昨日的用電峰值，如下圖所示。

2）同比分析

可以逐年查看各個月份的能耗和同比能耗，并以曲線和報表的形式展示，如下圖所示。

3）環(huán)比分析

可以逐日、逐周、逐月、逐季度查看能耗和對應的環(huán)比能耗，并以曲線和報表的形式展示，如下圖所示。

4）能耗報表

能耗報表可以逐日、逐周、逐月、逐季度、逐年、自定義等方式查看各個探測器的用能報表，如下圖所示。

5）復費率報表

復費率報表按周、月、季、年查看探測器尖、峰、平、谷用電量和用電金額，如下圖所示。

（5）隱患管理

對于系統(tǒng)產生的隱患記錄，相關人員能夠對相應記錄對應的設備進行操作。

1）隱患查詢

根據查詢條件搜索對應的隱患記錄，如下圖所示。

2）隱患派發(fā)

隱患派發(fā)頁面顯示未派發(fā)的隱患記錄，如下圖所示。

3）隱患處理

隱患處理頁面顯示派發(fā)到用戶這邊需要處理的隱患，如下圖所示。

4）隱患分析

隱患分析支持對隱患記錄進行日、月、年的維度查詢，將項目下隱患以曲線，圖表的形式展現(xiàn)，對各項目隱患進行排名，如下圖所示。

（6）電能質量

電能質量包括諧波監(jiān)測和三相不平衡度等功能。

1）諧波監(jiān)測

該功能支持對諧波進行逐日、逐月、逐年報表匯總，或自定義時間段查詢功能，分析諧波畸變率及各次諧波含有率，還支持數據導出，如下圖所示。

2）三相不平衡度

三相不平衡度包括三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度，支持查看當天的三相電流和三相電壓的曲線圖，并對應三相電流和三相電壓的不平衡度，如下圖所示。

（7）需量分析

需量分析包括大需量報表和需量監(jiān)測等功能。

1）大需量報表

支持對每月大需量進行統(tǒng)計，并生成報表，如下圖所示。

2）需量監(jiān)測

按日統(tǒng)計各個探測器的需量，并生成圖表和報表。

1. 運維管理

運維管理包括巡檢計劃、巡檢記錄、設備通訊狀態(tài)等功能。

1）巡檢計劃

點擊菜單中的巡檢計劃，進入對應的頁面，對相關的巡檢計劃進行查看工單，切換日期來查詢所要預覽的數據，支持對巡檢計劃的新增，修改和刪除。

巡檢計劃新增如下圖所示。

2）巡檢記錄

巡檢記錄支持對相關的巡檢進行查看，如下圖所示。

3）通訊狀態(tài)

通過對項目、探測器ID以及想要查詢的設備來進行查詢，對現(xiàn)有項目下設備的通訊狀態(tài)數據進行匯總羅列展示，包括顯示設備當前的通訊狀態(tài)等，如下圖所示。

圖8-3

（9）報告分析

分析報告根據用戶的周期、項目、時段等篩選生成報告摘要、統(tǒng)計清單、設備體檢摘要、報警原因分析。

（10）手機APP

掃描如下二維碼可下載體驗安全用電APP，登錄界面三欄分別填入

5產品選型

6結語

能耗用電管理涉及到用戶的切身利益和需求，其引發(fā)的問題易導致較高的社會效應。園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)設計提供并構建了一種穩(wěn)定可靠、高效安全的管理平臺及實現(xiàn)方法，整體縮減了用電管理的總成本，提高了園區(qū)服務工作效率與智能化水平。提出系統(tǒng)的整體管理結構設計，主要包含了電費賬單業(yè)務模塊、設備監(jiān)測模塊、數據統(tǒng)計分析模塊，分析了各模塊的主要功能。為了解決不同用電分項下多電表管理混亂以及企業(yè)拖欠電費的問題，提出建立“角色賬戶"進行分管的思路進行構建設計，為園區(qū)系統(tǒng)用戶提供實時可靠的用電信息，以遠程控電的短信提醒方式監(jiān)督企業(yè)繳納電費。該系統(tǒng)還可向氣、熱、水表計量與抄表管理、重要設備運維管理等領域擴展，并終為未來實現(xiàn)建立“智能化園區(qū)"提供一定的借鑒和參考，具有較強的應用價值。

參考文獻

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