中小学校安全用电监管云平台设计

简婷

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定  201801

摘  要：中小学校是培养未来人才的重要场所，但中小学校存在人流密集、学生安全意识不到位、用电设备多、宿舍恶性负载管理难等问题，使得近些年用电安全和电气火灾事故频发。通过物联网和云计算技术，建设统一的中小学校安全用电监管云平台，可配合各类物联网传感器，对中小学校的用电安全进行不间断的监视，对电气火灾隐患及危害提前预警，预警信息实时推送，管理人员可通过网站、App、小程序等方式访问，实现了学校用电安全监控的无人值守，大大方便了教育部门对于辖区学校的用电安全管理。主要分析了中小学校安全用电监管云平台的设计及相关物联网硬件。

关键词：安全用电；中小学校；智慧用电；恶性负载识别

      随着各地中小学校建设的智能化程度不断提高，各种用电设备都处于学生的可接触范围内，由于学生的安全意识普遍较薄弱，加之校园内人员密集，用电安全隐患日益显露。目前，中小学校面临的用电安全隐患包括如下几方面。

      一是宿舍、办公室、实验室等区域存在恶性负载、大功率电器使用、年久失修等各种情况，导致漏电风险较大，绝缘皮老化现象严重，甚至存在线头裸露情况。

      二是实验室、教室等区域预留插座不足，导致经常出现增加新设备后私拉乱接电线的情况。

      三是宿舍区电源插座较多，违章私拉乱接现象比较严重。

      四是变压器过负荷运行，存在电气线路老化破损现象和异常发热现象。

      五是电瓶车违规充电，易导致插座接触不良，引发短路起火。

      六是学校仓库、食堂厨房、实验室等电器管理不善，容易引起火灾。

      七是可燃性气体累积、使用明火、吸烟等都会增加火灾隐患。

      2017年，教育部办公厅颁布了《关于开展教育系统电气火灾综合治理自查检查的通知》。针对以上种种安全隐患，结      合教育部的指导政策，应用物联网、云计算和大数据等技术，建设中小学校安全用电监管云平台（简称云平台），有效解决了学校电气线缆老化，有些学校没有专业电工、无法通过肉眼排查细微的电气隐患，部分隐蔽工程年久失修造成隐患积累等难题。将发现的安全隐患和报警信息通过云平台实时向管理人员发送预警信息，通过信息化手段指导中小学校开展电气火灾治理，发生紧急情况时时间进行处理，是“科技兴安"的重要组成部分。

      将分布广泛的各学校场景的物联网硬件通过网络进行不间断的数据采集和监控，通过大数据开展隐患分析和预警分析，建设云平台，能将一个区域内的多种学习活动纳入同一个平台进行管控(见图1)。

图1    云平台界面展示

一、云平台的系统架构

云平台采用分层结构进行设计，包含物联网设备层、云服务层和应用服务层，详细拓扑结构见图2。

图2    云平台的结构

      云平台通过4G/光纤/NB-IoT网络接入电气火灾探测器、故障电弧探测器、电气防火限流式保护器、恶性负载管控表以及带NB通信功能的烟感探测器、可燃气体探测器等设备，实现电气安全监测信息，并通过云平台的搭建，实现App、短信、微信公众号等的信息推送，或者以语音呼叫方式实时报警。

      可以在教学楼、办公楼、图书馆、宿舍楼、食堂等建筑楼层的配电井、配电箱进出线回路中设置电气火灾探测器，在食堂、实验楼等位置设置烟感探测器和可燃气体探测器，在教室照明插座回路、学生宿舍和教职工宿舍等处设置故障电弧探测器和恶性负载管控表。

1.电气火灾探测器能实现的功能

      实时监测：电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率。

      漏电电流监测：1路漏电电流。

      温度监测：4路温度监测。

      电气火灾预警：针对电流过载、电压欠压、电压过压、漏电电流过大、导线温度过高等现象。

2.故障电弧探测器能实现的功能

      故障电弧报警。

3.恶性负载管控表的功能

      特点：具有一进三出、一进四出、一进五出等接线方式。

      计量：可对进线、分支出线电能计量，计费管理。

      管理功能：恶性负载识别、定时开关控制、分路控制、功率控制。

      恶性负载管控表可安装在宿舍楼的各个房间末端，能够有效识别学生在宿舍内使用大功率电器、发热类电器和其他违规电器等恶性负载，进行实时报警，预防学生宿舍电器使用不当造成的电气火灾事故。

4.电气防火限流式保护器能实现的功能

      短路保护：短路时可实现快速限流保护，保障人身安全，发生事故前可实现“微秒级"防护。

      监测预警：针对电流过载、电压过压和欠压、导线温度过高、漏电电流过大等现象。

      与漏电保护开关或故障电弧探测器相比，电气防火限流式保护器能够在发生触电等安全事故前就进行防护，有效防止事故的发生。

      对此，GB  51348—2019《民用建筑电气设计标准》、上海市工程建设规范DGJ  08—2048—2016《民用建筑电气防火设计规程》、江苏省地方标准DB32/T  3698—2019《建筑电气防火设计标准》和DB 32/T  3904—2020《电动自行车停放充电场所消防技术规范》中，都明文规定了电气防火限流式保护器的安装配备要求。

二、云平台的系统功能设计

1.设备数据传输子系统

      数据网关与设备通信：数据网关与监控设备使用485连接通信，网关实时数据采集和监测参数报警。

      物联网设备与云端通信：设备或数据网关与云服务器使用TCP协议加密通信。

2.云端数据采集子系统

      信息推送服务：产生报警提醒，进行App、短信、邮件等推送。

      数据存储解析：接收设备上传的实时数据，解析存储，数据存储模块使用内存数据库、关系型数据库和文件数据库相结合的模式。

      控制命令下发：将控制命令下发给监控设备，由监控设备对设备本身或者断路器进行控制，如分合闸或参数修改等。

3.WEB应用服务

      实时数据监控：系统对漏电电流过大、温度过高、电流过载、电压过压和欠压、故障电弧监测、短路等电气故障进行实时监控，发生故障时实时报警。建议接入电气火灾探测器、故障电弧探测器、电气防火限流式保护器、NB烟感探测器、NB可燃气体探测器等，使系统可以实现远程遥控各种探测器。

      数据和隐患分析：为用户提供参考价值，杜绝隐患，系统提供历史曲线和报警信息查看功能。

      遥控功能：对监控回路的分合闸、远程复位进行遥控操作，能够设置报警漏电电流、报警温度、报警电压、开关量输入输出等参数。

      报警提醒：报警启动时，可实时对管理人员进行短信、邮件、App推送，语音电话等。

      权限管理：云平台通过对用户类型实施分级管理可实现更高水平的信息安全管理。拥有相应授权的用户可以对授权范围内的项目、设备、探测器等监测数据和运行情况进行查看、修改，从而提高系统整体安全性。

      数据分析：针对采集的数据进行各种模型分析和报告，为客户消除安全隐患；提供能耗分析。

      巡检管理：可以制订巡检计划，巡检人员可使用手机NFC芯片、二维码扫描、GPS定位等巡检打卡，进行运维上报，形成巡检记录。

      用户报告：系统按单个学习项目提供每个月的用户分析报告并支持打印。

三、云平台系统的意义及收益

      云平台能够将中小学校的用电安全数据纳入云端大系统进行统一管控，对校舍各级配电可能出现的漏电电流过大、温度过高、电流过载、电压过压和欠压、故障电弧监测、短路等电气故障进行实时监控、报警、记录，同时为学生宿舍的恶性负载识别和管理也提供了解决方案，能够通过大数据分析，及早预防排查和报警处理。另一方面，云平台还能提供大数据存储、能源分析和隐患报告分析服务，能有效利用大数据分析中小学校用电安全的趋势。此外，云平台通过云端进行集中式管理和监控，这使得教育部门和消防部门可以随时了解区域内各学校安全隐患的存在情况，从而对采集的信息进行统一的监控和联动。

      云平台为教育部门和消防部门提供了一个行之有效的预警平台建设范式，统一的大平台建设，也让每一所学校都能够随时随地看到自身的安全用电情况，避免重复投资。

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作者简介：简婷，女，本科，现就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为建筑能耗监测系统。