浅谈安全用电智能监控系统

摘　要：本文针对当前校园、工厂和小区等场所的安全用电隐患突出，用电安全事故频发，传统的被动安全用电保护措施已经无法满足社会的需求。本系统运用人工智能和大数据分析技术，设计了一款基于云端的安全用电智能监控系统，系统主要由智能监控硬件终端、网关和云端监控系统组成。硬件终端实时采集用电参数，智能网关通过LoRa无线接收到数据后进行过滤并转发到云端，云端系统对上传的电参数和信息进行分析，系统还可以下发指令到硬件终端进行控制和报警。实验结果表明，该系统稳定可靠，能有效保障安全用电，减少用电事故的发生。
关键词：安全用电；监控；人工智能；大数据；LoRa；云端
0 引言
       安全问题一直是社会关注的焦点，特别是校园、工厂和小区等场所的安全，这些场所空间窄、人员密集，一旦发生安全事故，则会导致不可预见的损失，而用电安全是预防安全事故的重要措施。线路过载、短路和漏电是安全用电首须要考虑的问题。老旧线路由于电气绝缘老化和当时电气保护装置的技术水平，容易导致用电安全事故发生，虽然新安装的线路中增加了很多过载和漏电保护装置，但是由于保护装置质量和人为安装不规范等原因，还是会出现用电安全事故，从而发生火灾和触电，导致人员伤亡。
       电已经成为现代生活的必需品，但是电是把双刃剑，提供便利的同时，稍有不慎，将成为巨大的风险源，超负荷的电流顷刻间可以使人毙命。随着社会技术的发展，特别是当代我国互联网的高速发展，大数据和人工智能技术的兴起，不仅仅改变了人们的生活方式，还对各行各业的发展起来很大的推动作用。
本系统运用人工智能和大数据分析技术，设计了一款基于云端的安全用电智能监控系统。通过大数据的分析，能判断出线路容易出现过载和漏电的时间段和大概线路位置，从而可以准确做好应对措施以及迅速进行故障排除；结合人工智能技术，系统实时监测电压、电流、漏电电流和功率等电参数，能实时准确地对故障线路进行断电和恢复，发出语音播报警告等提示信息。
1 系统设计原理
       系统由智能监控硬件终端、智能网关和云端服务器组成。智能终端采集线路的电参数，通过RoLa无线传输给网关，网关过滤数据后由GPRS网络上传到云端服务器，云端服务器存储、分析和显示数据。系统设计框图如图1所示。各个采集终端与网关构成了星型网络，网关与网关之间的网络节点是平等的，直接和云端服务器联网通讯。

2 硬件系统
2.1采集终端设计
2.1.1 STM32F407ZET6单片机
        STM32F4ZET6是由意法半导体开发的一种高性能微控制器，它的Flash有512KB，RAM大小为192KB，CPU频率可达168MHz，芯片内嵌资源丰富。由于采集终端需要大量采集电量数据，并且对数据能实时分析处理，因此本采集终端使用了STM32F407ZET6作为主CPU。
2.1.2 电参数采集电路
        采集终端需要采集电路的电能、功率、功率因素、电流和电压等电参数，为了准确而稳定地采集电路参数，选用了ATT7022E芯片，ATT7022E是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用，能满足了采集电路数据的要求。
2.1.3 LoRa通讯技术
       采样终端采集数据后，需要通过无线的方式传输到网关节点，再由网关节点上传到云端服务器，所以要求终端数据的传输须稳定可靠，考虑到部节约成本和部署采集终端的灵活性等原因，选用了LoRa无线技术，LoRa无线技术具有传输距离远，频段免费，部署方便等优点。
2.2 智能网关设计
        SIM7600CE是一款可以实现2G/3G/4G网络通信的全网通模块，智能网关系统是以STM32F103为核心处理器，外接全网通模块SIM7600CE和LoRa通信模块构成的。通过自主研发的软件算法，可以把LoRa模块接收的数据，准确、稳定地通过GPRS网络上传到云端服务器，网关还具有断线自动重连、网络监测等功能，保证网关安全、可靠地工作。智能网关的系统框架如图2所示。智能网关的数据传输全部通过自主设定的加密算法进行加密运算，可以保证重要数据的安全性。

3 软件系统
       服务器软件系统的设计主要划分为HTTP服务和Socket服务。业务逻辑和数据显示等由HTTP服务完成，网关终端与服务器之间的数据通信则由Socket服务完成。
3.1 HTTP服务
       HTTP服务的设计采用了PHP语言，PHP易于学习，使用广泛，主要适用于Web开发领域；NGINX是一个高性能的HTTP和反向代理服务器，本系统的HTTP服务采用了PHP7和NGINX完成。
3.2 Socket服务
       由于网关终端与云服务器的连接的TCP长久连接，要求网关终端须实时连接服务器，以便于数据及时处理和监控采样终端，因此了Swoole引擎开发Socket服务，Swoole是一个面向生产环境的PHP异步网络通信引擎，可以编写高性能的异步并发TCP服务。
3.3 B/S构架服务器设计
       为了减少开发量和满足系统跨平台、多终端使用的要求，提高系统使用的便捷性，云端监控系统采用了B/S构架设计，云端监控系统的设计框图如图3所示。

       终端采集数据后，对数据进行加密处理，通过自主制定的网络通讯协议把数据由网关上传到由Swoole引擎编写的高性能Socket服务器上，Socket服务器采集数据后进行处理和分析。
       服务器上通过采集终端上传的各种用电参数数据，通过自主开发的软件算法，可以实时准确地分析线路的运行情况。再运用大数据技术进行分析处理，可以预测可能发生安全用电事故的线路位置，及时通知维修人员进行维护处理。
4 系统应用效果和性能验证
       系统部署某公园的照明电路线路中，监控照明线路的电参数情况，测试系统的各项指标数据。在线路发生漏电、过流和过压等不正常的情况时，智能终端能迅速切断线路，防止发生严重的电类事故，异常报警动作反应时间和准确率如表1所示。

       通过出现各类安全事情，智能终端的运行情况，可以得出智能终端能在电路发生不安全状况时，能在2秒以内迅速切断线路，符合要求。而且通过研发的干扰过滤算法，能让智能终端报警准确率保持100%。
5安科瑞安全用电云平台功能介绍及选型
5.1 安科瑞安全用电云平台介绍
        Acrelcloud-6000安全用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另一方面，云平台提供超大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。

平台的整体结构图

具体功能如下：
       （1）安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。
       （2）安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。
       （3）手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。
       （4）能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气安全运行分析报告。
       （5）监控探测终端产品满足国家法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过国家消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。
       （6）漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。
5.2  产品选型
5.2.1 漏电火灾监控探测器

5.2.2 故障电弧探测器
       安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD，共有两种电流等级，可监测回路故障电弧的发生，并及时预警，提醒用户处理，防止电弧导致的火灾的发生。
       AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，该产品不可在同一台AF-GSM400下与ARCM混接。如图：

 
5.2.3 限流式保护器
       安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1，有三种电流等级，可监测回路短路过载等故障信息，发生故障时预警和产生灭弧效果，防止电弧导致的火灾的发生。
       ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。
       以下是ASCP200-1的主要功能：
       短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号。
       过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间（3…60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。
       表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器启动超温限流保护，并发出声光报警信号。
过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
       漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
       保护器具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。
5.2.4 剩余电流互感器

5.2.5 AF-GSM400-2G/4G无线上传模块
       AF-GSM400-2G/4G/CE模块是一款2G/4G有线无线模块，该无线模块为安全用电云平台专用模块。
       AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月，单个模块可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟，如发生报警，会实时上传数据。
5.2.6 温度传感器

       温度传感器为一热敏电阻NTC，它提供0-120°的温度监控基准，可以用来监测线缆或配电箱体的温度，提供温度保护。
6 结束语
       安全用电智能监控系统，不仅能够实时网络监控用电的各项参数，还能够根据电路的漏电电流、过流和过压值等，迅速做出判断并且可以即时断开线路，保证线路的安全，防止触电等各类电类事故的发生，系统可以在不改变原来线路的情况下进行加装，部署方便，成本低，实用可靠。
参考文献
[1] 朱升林,欧阳骏,杨晶.嵌入式网络那些事:STM32物联网实战[M].北京:中国水利水电出版社,2015.
[2] 吴大鹏.物联网技术应用[M].北京:电子工业出版社,2006.
[3] 易飞,余刚,何凌,朱威.GPRS网络信令实例详解[M].北京:人民邮电出版社,2013.
[4] 刘荣章.安全用电智能监控系统的研制
[5] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：
陈芳芳，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为安全用电智能监测系统的研发与应用