淮亞利
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)的各類火災比例不斷升高的問題，通過對電氣基礎數(shù)據、電氣數(shù)據采集與上傳、數(shù)據解析、異常數(shù)據分析、權限角色管理等進行研究，本文設計了一用電數(shù)據管理、預警提示的信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S構架設計。Springboot+Mybatis整合框架建設后臺，HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts實現(xiàn)前端，MySQL數(shù)據庫存儲數(shù)據。實現(xiàn)了基礎數(shù)據管理、信息檢索、數(shù)據可視化、系統(tǒng)安全、數(shù)據傳輸接口等功能，解決了用電數(shù)據難以遠程監(jiān)測和實時掌控的痛點。
關鍵詞：SpringBoot；安全用電；數(shù)據管理。
0 引言
隨著高新技術的發(fā)展，許多新興電器設備出現(xiàn)在人們的視野中并被廣泛接受使用[1]。伴隨著智能化電氣設備的普及，電氣火災問題也逐漸被人們所重視。中國公安部消防局火災數(shù)據中心公布的數(shù)據顯示，因電氣設備故障引發(fā)的各類火災報an占比高達34%。
電氣設備引發(fā)的火災儼然已經成為人類生產生活中的攔路虎，有效遏制電氣火災高發(fā)勢頭勢在必行，但是傳統(tǒng)運行與維修模式存在著人工監(jiān)測成本高、安全可靠性低、意外停電風險大、設備故障頻次高等問題，難以滿足現(xiàn)代發(fā)展的需求，在湖南師范大學電子技術專業(yè)相關實驗基礎上，設計了一套通過限電器采集學校、宿舍等公共場所的用電指標數(shù)據，如電流、電壓、功率、溫度、濕度、電阻等，從而判斷電路短路、負載功率過高、電路溫度升高或者電路進水等異常情況，并對其進行預警的安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)。
1需求分析與關鍵技術
1.1需求分析
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)是一套智能的電氣數(shù)據采用監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過限電器采用節(jié)點的用電指標數(shù)據，然后通過物聯(lián)網(IoT)數(shù)據傳輸模塊將電氣數(shù)據按約定的協(xié)議上傳到服務器中，服務器接收到電氣數(shù)據后數(shù)據進行解析、入庫、分析、顯示、預警等，本文的主要研究內容如下：
(1)電氣數(shù)據采集，將限電器的指標數(shù)據，按約定協(xié)議通過物聯(lián)網卡上傳到云服務器中。
(2)在云端服務器研發(fā)UDP服務，與遠程節(jié)點建立連接，接收并解析遠程節(jié)點上傳的數(shù)據，存儲到數(shù)據庫中。
(3)分析UDP服務器接收到的數(shù)據，根據電氣數(shù)據指標所設定的閾值進行分析，對異常數(shù)據進行預警提示。
(4)對基礎數(shù)據進行管理，包括電氣指標、度量單位、用戶信息、日志信息、權限信息、角色信息等。
(5)電氣數(shù)據管理及可視化，對UDP服務器接收到的電氣數(shù)據進行多維度查詢與展示，方便用戶直觀的查、檢索、導出所需要的數(shù)據，并對各指標數(shù)據進行可視化。
1.2關鍵技術
系統(tǒng)采用B/S框架進行設計，Java語言進行開發(fā)，用Sprideatis作為軟件開發(fā)平臺。項目后端采用Springboot+Mybatis框架并進行整合，前端采用HTML5+CSS3+WebSocket+ECharts進行開發(fā)，數(shù)據采用Mysql數(shù)據庫進行存儲。下面將對關鍵技術進行簡單介紹。
SpringBoot是基于Spring4.0設計，不僅繼承了Spring框架原有的優(yōu)秀特性，而且還通過簡化配置來進一步簡化了Spring應用的整個搭建和開發(fā)過程。SpringBoot通過集成大量的框架使得依賴包的版本沖突，以及引用的不穩(wěn)定性等問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、存儲過程以及映射。MyBatis避免了幾乎所有的JDBC代碼和手動設置參數(shù)以及獲取結果集。MyBatis可以使用簡單的XML或注解來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(shù)據庫中的記錄。
ECharts是一個純Javascript的可視化圖表應用數(shù)據庫，可以流暢的直接運行在所有PC和移動終端設備上，兼容當前絕大部分的網頁瀏覽器(IE6/7/8/9/10/11，chrome，firefox，Safari等)，底層依賴輕量級的Canvas等類型的圖表庫ZRender，提供直觀，生動，可人性化的交互，可高度使用的個性化量身定制的數(shù)據資源和可視化的圖表。其創(chuàng)新的拖拽重計算、數(shù)據在線視圖、值域在線漫游等功能特性大大程度增強了用戶的體驗。
HTML5一直是互聯(lián)網技術中較受關注的兩個話題。HTML5用戶帶來了一組新的體驗，如Web的音頻和視頻不再需要插件，通過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(shù)學標記語言(MathML)實現(xiàn)了本地支持等。
2系統(tǒng)設計
2.1設計目標
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)以準確獲取用電數(shù)據，解析存儲電氣數(shù)據，分析預警異常狀態(tài)，及時提示管理用戶，從而減少發(fā)生電氣火災為設計目標，設計一套集數(shù)據傳輸、數(shù)據解析、異常指標分析與預警、數(shù)據檢測與可視化等功能的互聯(lián)網安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)。
2.2設計原則
系統(tǒng)將設計時將采用合理、科學的系統(tǒng)架構，完整的功能層次框架，保障系統(tǒng)的業(yè)務穩(wěn)定、數(shù)據安全、簡單易用，系統(tǒng)建設基于以下主要原則：
(1)易用性原則。系網站界面簡潔明了,布局合理，頁面瀏覽及操作提示直觀清晰，適合電腦瀏覽器的使用習慣，幫助信息豐富，有利于用戶獲得相應信息及完成操作，有良好的用戶體驗。
(2)實用性原則。以完成為相關工作的業(yè)務需求為首要目標，避免貪大求全、盲目建設，避免盲目追求、新技術。
(3)高可靠性原則。在實用性的前提下，所采用的網絡和信息化技術應是國際gong認的主流技術，具有持續(xù)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，綜合考慮項目實施后一段時間內信息容量、網絡狀況、信息存儲、數(shù)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?shù)囊?guī)模，以及一定的前瞻性和擴展性。
2.3系統(tǒng)總體設計
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)將分為四層進行設計：基礎設施、數(shù)據中心、業(yè)務流程和信息服務，系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。
2.4功能結構設計
本系統(tǒng)功能結構設計包括數(shù)據接口(數(shù)據發(fā)送、數(shù)據接收、數(shù)據解析、數(shù)據入庫)，基礎數(shù)據管理(指標管理、單位管理、閾值管理)，信息查詢(電氣數(shù)據查詢、異常數(shù)據查詢)，數(shù)據可視化(數(shù)據監(jiān)控、數(shù)據趨勢性分析)，系統(tǒng)安全(權限管理、用戶管理、角色管理、日志管理)，系統(tǒng)功能結構圖如圖2所示。
(1)數(shù)據接口功能是實現(xiàn)限電器將節(jié)點上采集到的數(shù)據通過物聯(lián)網卡上傳到服務器中，服務器通過UDP服務接收到數(shù)據后按約定的協(xié)議進行數(shù)據解析，并將數(shù)組以設計的數(shù)據結構存儲到數(shù)據庫表中。
(2)基礎數(shù)據管理功能主要實現(xiàn)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)信息查詢功能實現(xiàn)對數(shù)據庫存儲的電氣數(shù)據進行多條件組合查詢和異常數(shù)據的檢索功能。
(4)數(shù)據可視化以圖形可視化的形式實現(xiàn)用電數(shù)據實時變化情況，以及對用電數(shù)據的趨勢性分析，方便用戶直觀的體驗數(shù)據的變化情況。
(5)系統(tǒng)安全實現(xiàn)用戶權限管理、用戶管理、角色管理、日志管理等功能。管理員可以根據業(yè)務需要建立不同的角色，并給該角色分配不同的權限，當用戶擁有該角色時，即可操作角色所包含的權限菜單。
2.5數(shù)據庫設計
系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據庫對數(shù)據進行數(shù)據存儲。通過對系統(tǒng)業(yè)務流程及需求進行分析后，得出系統(tǒng)需要以下數(shù)據表結構來存儲信息：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(tǒng)數(shù)據庫表關系ER圖如圖3所示：
3 系統(tǒng)應用與功能展示
本系統(tǒng)采用Springboot、Mybatis、H5、CSS3、Echarts等技術實現(xiàn)了一套安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過限電器采集監(jiān)控節(jié)點的電氣指標數(shù)據，數(shù)據按約定協(xié)議上傳到服務器后，再對數(shù)據進行解析、入庫、分析、預警等一系列操作，通過電氣數(shù)據分析判斷客戶用電安全情況，系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據傳輸接口、基礎數(shù)據管理、數(shù)據查詢、數(shù)據可視化、系統(tǒng)安全等功能。通過應用本系統(tǒng)能夠有效地對硬件方面?zhèn)鬏斶^來的數(shù)據進行準確判斷，對出現(xiàn)異常的數(shù)據能夠非常及時的發(fā)送預警信息，有效地降低用電帶來的安全隱患，較大程度上保護用戶的財產安全。如下圖4實現(xiàn)了電氣指標閾值配置功能，圖5實現(xiàn)了電氣指標數(shù)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(tǒng)能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監(jiān)控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據、透傳指令，并時間顯示實時狀態(tài)。通過對上傳至云端的數(shù)據進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數(shù)據，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實施排查，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(wěn)定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數(shù)據通過每個節(jié)點的4G網絡傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。
平臺的整體結構圖
具體功能如下：
(1)安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統(tǒng)、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(jiān)管服務系統(tǒng)平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據及變化曲線、歷史數(shù)據與變化曲線、實時報警數(shù)據等，能實時顯示現(xiàn)場服務次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產品維護等數(shù)據，監(jiān)管數(shù)據能保存十年以上。
(3)手機APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手機APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位.
(4)能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統(tǒng)計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。
(5)監(jiān)控探測終端產品滿足法律法規(guī)和有關技術標準(GB14287.2《剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監(jiān)控探測器》)的要求，并通過消防產品質量監(jiān)測檢驗中心提供的消防3C認證。
(6)漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。
4.2 產品選型
4.2.1漏電火災監(jiān)控探測器
4.2.2故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預警，提醒用戶處理，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(jiān)測回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時預警和產生滅弧效果，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。保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間(3…60秒可設)時，保護器啟動限流保護，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高時，保護器啟動超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
配電線纜溫度監(jiān)測功能。當被監(jiān)測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
漏電流監(jiān)測功能。當被監(jiān)測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
4.2.4剩余電流互感器
4.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會實時上傳數(shù)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(jiān)控基準，可以用來監(jiān)測線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(tǒng)主要分為三種：IT型式、TT型式和TN型式，在實際應用中，低壓配電系統(tǒng)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原理存在較大差異，因此，對于不同的低壓配電系統(tǒng)應采用不同接地形式，TN型式系統(tǒng)采用保護接零方式，TT、IT型式系統(tǒng)采用保護接地方式。
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作者簡介：
淮亞利，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(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應用
