淺述園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為解決目前園區(qū)用電管理紊亂、數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)、PC、手機、智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等硬件組成。利用RS-485總線通信、數(shù)據(jù)庫管理、GPRS無線傳輸?shù)燃夹g(shù)將智能電表、集中器、數(shù)據(jù)采集終端及云服務(wù)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(wù)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(guān)鍵詞：園區(qū) 智慧用電 管理系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計 用電管理智能化

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、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(wǎng)企業(yè)為園區(qū)用電管理提供了解決方案，文獻(xiàn)[1]提出基于大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計開發(fā)的智能電表遠(yuǎn)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(xiàn)[2]提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的智能化安全保障，以避免由于設(shè)備維修不及時引發(fā)的建筑用電安全問題。文獻(xiàn)[3]提出利用數(shù)據(jù)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(shè)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(wù)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(yù)付費電表方案并不適用于商業(yè)園區(qū)，電表下屬的負(fù)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(wù)、數(shù)據(jù)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(shù)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(yán)重影響著園區(qū)用電管理的服務(wù)質(zhì)量，進而導(dǎo)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(wù)質(zhì)量和數(shù)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(guān)鍵性因素。基礎(chǔ)能源服務(wù)能力不達(dá)標(biāo)，將意味著園區(qū)經(jīng)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(wù)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(chǔ)上，建立設(shè)計以“業(yè)務(wù)智能”和“設(shè)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(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計是通過特定的技術(shù)或組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化配置，注重目標(biāo)用戶的需求，用以提供用戶所需的服務(wù)。作為一種全新的設(shè)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(wù)端”之間的平衡度，融入了產(chǎn)品及服務(wù)的規(guī)劃設(shè)計流程，綜合運用設(shè)計學(xué)理論及方法對產(chǎn)品及管理服務(wù)進行一體化的設(shè)計實踐。系統(tǒng)設(shè)計兼顧了視覺設(shè)計、功能設(shè)計、交互設(shè)計、服務(wù)設(shè)計以及體驗設(shè)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(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)集中器及其他輔助通訊部件構(gòu)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(shù)據(jù)的查詢及業(yè)務(wù)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(shù)一點對多點的通訊特征將智能電表和數(shù)據(jù)采集器及集中器組成傳輸監(jiān)測設(shè)備組，實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的實時采集和有效存儲，并將各個電表節(jié)點的用電數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后實時傳輸至系統(tǒng)進行后臺業(yè)務(wù)操作與算法實現(xiàn)，例如遠(yuǎn)程抄表、自動生成每月的賬單等。另外，系統(tǒng)還可根據(jù)傳輸?shù)碾娔軈?shù)判斷當(dāng)前設(shè)備的電壓和功率是否超出設(shè)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(yù)警信號（手機短信和平臺警告），從而保證用電設(shè)備處于安全狀態(tài)。同時，不同經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園區(qū)的傳輸監(jiān)測設(shè)備組可以通過以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)與系統(tǒng)計算機的信息互通，完成數(shù)字化管理及后續(xù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理與分析。智慧用電管理系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1。

圖1 智慧用電管理系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)的總體設(shè)計，本系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理分析及展示，并利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)信息的管理與維護以及數(shù)據(jù)交互功能。

（2）防盜攝像頭。主要目的是監(jiān)控設(shè)備防止被竊。當(dāng)設(shè)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(shù)據(jù)庫，若發(fā)生設(shè)備遺失事件，即可在數(shù)據(jù)庫讀取盜竊者的圖片信息以鎖定目標(biāo)。

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

（4）數(shù)據(jù)采集器。主要功能是完成對電表數(shù)據(jù)的實時采集和存儲，并接收服務(wù)器遠(yuǎn)程指令下達(dá)至電表節(jié)點。

（5）數(shù)據(jù)集中器。通過預(yù)設(shè)好的算法，完成對電表數(shù)據(jù)的實時掃描、采集、處理和傳輸；完成遠(yuǎn)程系統(tǒng)發(fā)出的抄表指令，并對設(shè)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(shù)據(jù)傳送通信部件。主要采用以太網(wǎng)技術(shù)將各個設(shè)備連接構(gòu)成局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程輸送和數(shù)字化管理。

3系統(tǒng)軟件設(shè)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(nèi)進行統(tǒng)一管理的方式，根據(jù)用戶不同的身份創(chuàng)建對應(yīng)的角色賬戶并進行權(quán)限設(shè)置管理。物業(yè)工作人員基于所劃分的角色登錄相應(yīng)的賬戶后，系統(tǒng)通過接收電表傳輸?shù)挠秒娔芎臄?shù)據(jù)，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(zhǔn)確地掌握各個業(yè)主的用電情況及用電設(shè)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(yīng)的業(yè)務(wù)。軟件系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

將軟件設(shè)計進行細(xì)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(shù)據(jù)，以及追蹤電費和監(jiān)測設(shè)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(biāo)排名等操作。③系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，主要實現(xiàn)功能包含設(shè)備信息的存儲與更新、監(jiān)測數(shù)據(jù)及完成其識別結(jié)果的管理與維護等。

（一）物業(yè)Web端程序設(shè)計

不同園區(qū)各個企業(yè)樓宇間的空調(diào)、照明、電梯、消防等用電分項所產(chǎn)生的能耗數(shù)據(jù)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(wǎng)，通過在瀏覽器輸入固定的網(wǎng)zhi進入系統(tǒng)登錄界面，輸入準(zhǔn)確的用戶名和密碼，進入首頁以完成待辦的任務(wù)事項。物業(yè)端程序主要功能為賬單與電費管理、設(shè)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(diào)設(shè)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(yuǎn)程斷電處理；設(shè)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(shè)備的所有實時數(shù)據(jù)、異常報警及設(shè)備連接狀況。

物業(yè)端程序的核心功能展示集中于業(yè)務(wù)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(jù)查詢條件進行數(shù)據(jù)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(chǎn)生的用電數(shù)據(jù)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?jǐn)?shù)據(jù)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(shè)計

系統(tǒng)在進行線上業(yè)務(wù)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(wù)進行反饋與處理，因此，開發(fā)一款高效準(zhǔn)確的業(yè)主端程序顯得至關(guān)重要。微信小程序作為無需用戶下載安裝，即可使用的技術(shù)應(yīng)用，具有開發(fā)使用成本低、用完即走、運行流暢與內(nèi)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(shè)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(nèi)存空間。

4安科瑞安全用電管理云平臺

（1）概述

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，建筑電氣火災(zāi)發(fā)生的頻率也呈上升勢頭，給財產(chǎn)和人民的生命安全造成的損失與日俱增，據(jù)統(tǒng)計，電氣隱患是引發(fā)建筑火災(zāi)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(zāi)探測器，對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數(shù)據(jù)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(dǎo)企業(yè)實現(xiàn)一時間的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然”的目的。

用戶可以利用PC網(wǎng)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(shù)據(jù)、報警記錄等在內(nèi)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(wù)，能有效提升企業(yè)的消防安全管理和電氣設(shè)備安全水平，有效防范重大惡性火災(zāi)財產(chǎn)損失、尤其是重大惡性人員傷亡責(zé)任事故的發(fā)生。

（2）應(yīng)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(lǐng)域，也適用于市場、門店等小微場所，對分散在建筑內(nèi)的探測器進行遙測、遙調(diào)、遙控、遙信，方便實現(xiàn)監(jiān)控與管理。

（3）系統(tǒng)架構(gòu)

本平臺的整體結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)接入電氣火災(zāi)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?xì)怏w探測器等設(shè)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(nèi)容有：項目總覽、設(shè)備狀態(tài)、探測器分類、設(shè)備報警信息、報警狀態(tài)、報警統(tǒng)計等。其中百du地圖可以選配成3D建筑模型。

3）數(shù)據(jù)監(jiān)控

①實時監(jiān)控

點擊左側(cè)列表實時監(jiān)控進入實時監(jiān)控頁面，該頁面展示了當(dāng)前用戶關(guān)聯(lián)的項目數(shù)量，項目位置，探測器數(shù)量，如下圖所示。

系統(tǒng)可接入電氣火災(zāi)探測器、故障電弧、電氣火災(zāi)主機、滅弧式保護器探測、煙感可燃?xì)怏w和母排無線測溫探測等，并可遠(yuǎn)程控制相應(yīng)探測器。

如果探測器有關(guān)聯(lián)攝像頭，點擊視頻監(jiān)控即可查看當(dāng)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指ding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(shù)據(jù)按日期進行查詢，并可導(dǎo)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(fù)費率報表

復(fù)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(chǎn)生的隱患記錄，相關(guān)人員能夠?qū)ο鄳?yīng)記錄對應(yīng)的設(shè)備進行操作。

1）隱患查詢

根據(jù)查詢條件搜索對應(yīng)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(zhì)量

電能質(zhì)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?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)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(dāng)天的三相電流和三相電壓的曲線圖，并對應(yīng)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(shè)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(yīng)的頁面，對相關(guān)的巡檢計劃進行查看工單，切換日期來查詢所要預(yù)覽的數(shù)據(jù)，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(guān)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(shè)備來進行查詢，對現(xiàn)有項目下設(shè)備的通訊狀態(tài)數(shù)據(jù)進行匯總羅列展示，包括顯示設(shè)備當(dāng)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(jù)用戶指ding的周期、項目、時段等篩選生成報告摘要、統(tǒng)計清單、設(shè)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safe、123456。

5產(chǎn)品選型

6結(jié)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(dǎo)致較高的社會效應(yīng)。園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)設(shè)計提供并構(gòu)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(wù)工作效率與智能化水平。提出系統(tǒng)的整體管理結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包含了電費賬單業(yè)務(wù)模塊、設(shè)備監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)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(gòu)建設(shè)計，為園區(qū)系統(tǒng)用戶提供實時可靠的用電信息，以遠(yuǎn)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(shè)備運維管理等領(lǐng)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(yīng)用價值。

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作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。