韓歡慶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對電氣設備故障引發(fā)的各類(lèi)火災比例不斷升高的問(wèn)題，通過(guò)對電氣基礎數據、電氣數據采集與上傳、數據解析、異常數據分析、權限角色管理等進(jìn)行研究，本文設計了一用電數據管理、預警提示的信息管理系統。系統采用B/S構架設計。Springboot+Mybatis整合框架建設后臺，HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts實(shí)現前端，MySQL數據庫存儲數據。實(shí)現了基礎數據管理、信息檢索、數據可視化、系統安全、數據傳輸接口等功能，解決了用電數據難以遠程監測和實(shí)時(shí)掌控的痛點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：SpringBoot；安全用電；數據管理。
0 引言
隨著(zhù)的發(fā)展，許多新興電器設備出現在人們的視野中并被廣泛接受使用[1]。伴隨著(zhù)智能化電氣設備的普及，電氣火災問(wèn)題也逐漸被人們所重視。中國公安部消防局火災數據中心公布的數據顯示，因電氣設備故障引發(fā)的各類(lèi)火災占比高達34%。
電氣設備引發(fā)的火災儼然已經(jīng)成為人類(lèi)生產(chǎn)生活中的攔路虎，有效遏制電氣火災高發(fā)勢頭勢在必行，但是傳統運行與維修模式存在著(zhù)人工監測成本高、安全可靠性低、意外停電風(fēng)險大、設備故障頻次高等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足現代發(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)驗基礎上，設計了一套通過(guò)限電器采集學(xué)校、宿舍等公共場(chǎng)所的用電指標數據，如電流、電壓、功率、溫度、濕度、電阻等，從而判斷電路短路、負載功率過(guò)高、電路溫度升高或者電路進(jìn)水等異常情況，并對其進(jìn)行預警的安全用電智能監控系統。
1需求分析與關(guān)鍵技術(shù)
1.1需求分析
安全用電智能監控系統是一套智能的電氣數據采用監控系統。系統通過(guò)限電器采用節點(diǎn)的用電指標數據，然后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）數據傳輸模塊將電氣數據按約定的協(xié)議上傳到服務(wù)器中，服務(wù)器接收到電氣數據后數據進(jìn)行解析、入庫、分析、顯示、預警等，本文的主要研究?jì)热萑缦拢?/div>
（1）電氣數據采集，將限電器的指標數據，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)，與遠程節點(diǎn)建立連接，接收并解析遠程節點(diǎn)上傳的數據，存儲到數據庫中。
（3）分析UDP服務(wù)器接收到的數據，根據電氣數據指標所設定的閾值進(jìn)行分析，對異常數據進(jìn)行預警提示。
（4）對基礎數據進(jìn)行管理，包括電氣指標、度量單位、用戶(hù)信息、日志信息、權限信息、角色信息等。
（5）電氣數據管理及可視化，對UDP服務(wù)器接收到的電氣數據進(jìn)行多維度查詢(xún)與展示，方便用戶(hù)直觀(guān)的查、檢索、導出所需要的數據，并對各指標數據進(jìn)行可視化。
1.2關(guān)鍵技術(shù)
系統采用B/S框架進(jìn)行設計，Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用Sprideatis作為軟件開(kāi)發(fā)平臺。項目后端采用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)，數據采用Mysql數據庫進(jìn)行存儲。下面將對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
SpringBoot是基于Spring4.0設計，不僅繼承了Spring框架原有的優(yōu)秀特性，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，以及引用的不穩定性等問(wèn)題得到了很好的解決。
MyBatis是一款優(yōu)秀的持久層框架，它支持定制化SQL、存儲過(guò)程以及映射。MyBatis避免了幾乎所有的JDBC代碼和手動(dòng)設置參數以及獲取結果集。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對象)映射成數據庫中的記錄。
ECharts是一個(gè)純Javascript的可視化圖表應用數據庫，可以流暢的直接運行在所有PC和移動(dòng)終端設備上，兼容當前絕大部分的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器(IE6/7/8/9/10/11，chrome，firefox，Safari等)，底層依賴(lài)輕量級的Canvas等類(lèi)型的圖表庫ZRender，提供直觀(guān)，生動(dòng)，可人性化的交互，可高度使用的個(gè)性化量身定制的數據資源和可視化的圖表。其創(chuàng )新的拖拽重計算、數據在線(xiàn)視圖、值域在線(xiàn)漫游等功能特性大大程度增強了用戶(hù)的體驗。
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，如Web的音頻和視頻不再需要插件，通過(guò)Canvas可以更靈活地完成圖像繪制，而不必考慮屏幕的分辨率，流星器對可擴展矢量圖（SVG）和數學(xué)標記語(yǔ)言（MathML）實(shí)現了本地支持等。
2系統設計
2.1設計目標
安全用電智能監控系統以準確獲取用電數據，解析存儲電氣數據，分析預警異常狀態(tài)，及時(shí)提示管理用戶(hù)，從而減少發(fā)生電氣火災為設計目標，設計一套集數據傳輸、數據解析、異常指標分析與預警、數據檢測與可視化等功能的互聯(lián)網(wǎng)安全用電智能監控系統。
2.2設計原則
系統將設計時(shí)將采用合理、科學(xué)的系統架構，完整的功能層次框架，保障系統的業(yè)務(wù)穩定、數據安全、簡(jiǎn)單易用，系統建設基于以下主要原則：
（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(guān)清晰，適合電腦瀏覽器的使用習慣，幫助信息豐富，有利于用戶(hù)獲得相應信息及完成操作，有良好的用戶(hù)體驗。
（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，避免貪大求全、盲目建設，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)應是的主流技術(shù)，具有持續發(fā)展的潛力。
（4）適度和可擴展性原則。確定項目的硬件環(huán)境和基本配置，綜合考慮項目實(shí)施后一段時(shí)間內信息容量、網(wǎng)絡(luò )狀況、信息存儲、數據挖掘算法對硬件的需求等因素，為了避免硬件資源的浪費，制定的硬件平臺應具有適當的規模，以及一定的前瞻性和擴展性。
2.3系統總體設計
安全用電智能監控系統將分為四層進(jìn)行設計：基礎設施、數據中心、業(yè)務(wù)流程和信息服務(wù)，系統總體設計框圖如圖1所示。
2.4功能結構設計
本系統功能結構設計包括數據接口（數據發(fā)送、數據接收、數據解析、數據入庫），基礎數據管理（指標管理、單位管理、閾值管理），信息查詢(xún)（電氣數據查詢(xún)、異常數據查詢(xún)），數據可視化（數據監控、數據趨勢性分析），系統安全（權限管理、用戶(hù)管理、角色管理、日志管理），系統功能結構圖如圖2所示。
（1）數據接口功能是實(shí)現限電器將節點(diǎn)上采集到的數據通過(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)接收到數據后按約定的協(xié)議進(jìn)行數據解析，并將數組以設計的數據結構存儲到數據庫表中。
（2）基礎數據管理功能主要實(shí)現采集的指標管理（如：電流、電壓、功率、溫度、濕度、電阻等）、度量單位管理以及指標的閾值設置管理。
（3）信息查詢(xún)功能實(shí)現對數據庫存儲的電氣數據進(jìn)行多條件組合查詢(xún)和異常數據的檢索功能。
（4）數據可視化以圖形可視化的形式實(shí)現用電數據實(shí)時(shí)變化情況，以及對用電數據的趨勢性分析，方便用戶(hù)直觀(guān)的體驗數據的變化情況。
（5）系統安全實(shí)現用戶(hù)權限管理、用戶(hù)管理、角色管理、日志管理等功能。管理員可以根據業(yè)務(wù)需要建立不同的角色，并給該角色分配不同的權限，當用戶(hù)擁有該角色時(shí)，即可操作角色所包含的權限菜單。
2.5數據庫設計
系統采用MySQL數據庫對數據進(jìn)行數據存儲。通過(guò)對系統業(yè)務(wù)流程及需求進(jìn)行分析后，得出系統需要以下數據表結構來(lái)存儲信息：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。系統數據庫表關(guān)系ER圖如圖3所示：
3 系統應用與功能展示
本系統采用Springboot、Mybatis、H5、CSS3、Echarts等技術(shù)實(shí)現了一套安全用電智能監控系統，系統通過(guò)限電器采集監控節點(diǎn)的電氣指標數據，數據按約定協(xié)議上傳到服務(wù)器后，再對數據進(jìn)行解析、入庫、分析、預警等一系列操作，通過(guò)電氣數據分析判斷客戶(hù)用電安全情況，系統實(shí)現了數據傳輸接口、基礎數據管理、數據查詢(xún)、數據可視化、系統安全等功能。通過(guò)應用本系統能夠有效地對硬件方面傳輸過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行準確判斷，對出現異常的數據能夠非常及時(shí)的發(fā)送預警信息，有效地降低用電帶來(lái)的安全隱患，較大程度上保護用戶(hù)的財產(chǎn)安全。如下圖4實(shí)現了電氣指標閾值配置功能，圖5實(shí)現了電氣指標數據異常預警功能。
4安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型
4.1 安科瑞安全用電云平臺介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、報警、記錄，并且通過(guò)云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過(guò)對上傳至云端的數據進(jìn)行分析，為用戶(hù)提供火災隱患的相關(guān)數據，能夠及早的發(fā)現問(wèn)題并實(shí)施排查，避免火災的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對用戶(hù)的長(cháng)遠發(fā)展具有戰略意義。此外，該系統通過(guò)集中監控，使得數據通過(guò)每個(gè)節點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò )傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進(jìn)行統一的監控和管理。
平臺的整體結構圖
具體功能如下：
（1）安全用電監管服務(wù)系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監管服務(wù)系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實(shí)時(shí)監測數據及變化曲線(xiàn)、歷史數據與變化曲線(xiàn)、實(shí)時(shí)報警數據等，能實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)服務(wù)次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產(chǎn)品維護等數據，監管數據能保存十年以上。
（3）手機APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本，能通過(guò)手機APP對每條報警記錄進(jìn)行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
（4）能對各個(gè)單位及設備的電氣安全運行情況進(jìn)行自動(dòng)統計和分析評估，并隨時(shí)展示電氣安全運行分析報告。
（5）監控探測終端產(chǎn)品滿(mǎn)足國家法律法規和有關(guān)技術(shù)標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過(guò)國家消防產(chǎn)品質(zhì)量監測檢驗中心提供的消防3C認證。
（6）漏電探測器能同時(shí)探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過(guò)無(wú)線(xiàn)以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )接入安全用電監管系統平臺。
4.2 產(chǎn)品選型
4.2.1漏電火災監控探測器
4.2.2故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測回路故障電弧的發(fā)生，并及時(shí)預警，提醒用戶(hù)處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產(chǎn)品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
4.2.3限流式保護器
安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監測回路短路過(guò)載等故障信息，發(fā)生故障時(shí)預警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過(guò)插入SIM卡直接上傳到平臺。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護功能。保護器實(shí)時(shí)監測用電線(xiàn)路電流，當線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內實(shí)現快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
過(guò)載保護功能。當被保護線(xiàn)路的電流過(guò)載且過(guò)載持續時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3…60秒可設）時(shí)，保護器啟動(dòng)限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護器啟動(dòng)超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
過(guò)、欠壓保護功能。當保護器檢測到線(xiàn)路電壓過(guò)壓或欠壓時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。
配電線(xiàn)纜溫度監測功能。當被監測線(xiàn)纜溫度超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。
漏電流監測功能。當被監測的線(xiàn)路漏電超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。
保護器具有1路RS485接口，1路2G無(wú)線(xiàn)通訊，可以將數據發(fā)送到后臺監控系統，實(shí)現遠程監控。
4.2.4剩余電流互感器
4.2.5 AF-GSM400-2G/4G無(wú)線(xiàn)上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)模塊，該無(wú)線(xiàn)模塊為安全用電云平臺專(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。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會(huì )實(shí)時(shí)上傳數據。
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°的溫度監控基準，可以用來(lái)監測線(xiàn)纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
5 結論
根據我國《民用電氣設計標準》，低壓配電系統主要分為三種：IT型式、TT型式和TN型式，在實(shí)際應用中，低壓配電系統的保護接零、保護接地是控制人體觸電的重要保護措施，這兩種保護方式的技術(shù)原理存在較大差異，因此，對于不同的低壓配電系統應采用不同接地形式，TN型式系統采用保護接零方式，TT、IT型式系統采用保護接地方式。
參考文獻
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作者簡(jiǎn)介：
韓歡慶，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為安全用電智能監測系統的研發(fā)與應用，
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