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淺談安全用電智能系統(tǒng)

更新時間:2022-02-08  |  點擊率:1423

摘 要:本文針對當(dāng)前校園、工廠和小區(qū)等場所的安全用電隱患突出,用電安全事故頻發(fā),傳統(tǒng)的被動安全用電保護(hù)措施已經(jīng)無法滿足社會的需求。本系統(tǒng)運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù),設(shè)計了一款基于云端的安全用電智能系統(tǒng),系統(tǒng)主要由智能硬件終端、網(wǎng)關(guān)和云端系統(tǒng)組成。硬件終端實時采集用電參數(shù),智能網(wǎng)關(guān)通過LoRa無線接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行過濾并轉(zhuǎn)發(fā)到云端,云端系統(tǒng)對上傳的電參數(shù)和信息進(jìn)行分析,系統(tǒng)還可以下發(fā)指令到硬件終端進(jìn)行控制和。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,能有效保障安全用電,減少用電事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞:安全用電;;人工智能;大數(shù)據(jù);LoRa;云端

0 引言

       安全問題一直是社會關(guān)注的焦點,特別是校園、工廠和小區(qū)等場所的安全,這些場所空間窄、人員密集,一旦發(fā)生安全事故,則會導(dǎo)致不可預(yù)見的損失,而用電安全是預(yù)防安全事故的重要措施。線路過載、短路和漏電是安全用電首須要考慮的問題。老舊線路由于電氣絕緣老化和當(dāng)時電氣保護(hù)裝置的技術(shù)水平,容易導(dǎo)致用電安全事故發(fā)生,雖然新安裝的線路中增加了很多過載和漏電保護(hù)裝置,但是由于保護(hù)裝置質(zhì)量和人為安裝不規(guī)范等原因,還是會出現(xiàn)用電安全事故,從而發(fā)生火災(zāi)和觸電,導(dǎo)致人員傷亡。

       電已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的必需品,提供便利的同時,稍有不慎,將成為巨大的風(fēng)險源,超負(fù)荷的電流頃刻間可以使人斃命。隨著社會技術(shù)的發(fā)展,特別是當(dāng)代我國互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展,大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的興起,不僅僅改變了人們的生活方式,還對各行各業(yè)的發(fā)展起來很大的推動作用。

本系統(tǒng)運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù),設(shè)計了一款基于云端的安全用電智能系統(tǒng)。通過大數(shù)據(jù)的分析,能判斷出線路容易出現(xiàn)過載和漏電的時間段和大概線路位置,從而可以準(zhǔn)確做好應(yīng)對措施以及迅速進(jìn)行故障排除;結(jié)合人工智能技術(shù),系統(tǒng)實時監(jiān)測電壓、電流、漏電電流和功率等電參數(shù),能實時準(zhǔn)確地對故障線路進(jìn)行斷電和恢復(fù),發(fā)出語音播告等提示信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

       系統(tǒng)由智能硬件終端、智能網(wǎng)關(guān)和云端服務(wù)器組成。智能終端采集線路的電參數(shù),通過RoLa無線傳輸給網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)過濾數(shù)據(jù)后由GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器,云端服務(wù)器存儲、分析和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。各個采集終端與網(wǎng)關(guān)構(gòu)成了星型網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)之間的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是平等的,直接和云端服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)通訊。

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2 硬件系統(tǒng)

2.1采集終端設(shè)計

2.1.1 STM32F407ZET6單片機

        STM32F4ZET6是由意法半導(dǎo)體開發(fā)的一種高性能微控制器,它的Flash有512KB,RAM大小為192KB,CPU頻率可達(dá)168MHz,芯片內(nèi)嵌資源豐富。由于采集終端需要大量采集電量數(shù)據(jù),并且對數(shù)據(jù)能實時分析處理,因此本采集終端使用了STM32F407ZET6作為主CPU。

2.1.2 電參數(shù)采集電路

        采集終端需要采集電路的電能、功率、功率因素、電流和電壓等電參數(shù),為了準(zhǔn)確而穩(wěn)定地采集電路參數(shù),選用了ATT7022E芯片,ATT7022E是一顆高精度三相電能計量芯片,適用于三相三線和三相四線應(yīng)用,能滿足了采集電路數(shù)據(jù)的要求。

2.1.3 LoRa通訊技術(shù)

       采樣終端采集數(shù)據(jù)后,需要通過無線的方式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點,再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點上傳到云端服務(wù)器,所以要求終端數(shù)據(jù)的傳輸須穩(wěn)定可靠,考慮到部節(jié)約成本和部署采集終端的靈活性等原因,選用了LoRa無線技術(shù),LoRa無線技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn),頻段免費,部署方便等優(yōu)點。

2.2 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計

        SIM7600CE是一款可以實現(xiàn)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)通信的全網(wǎng)通模塊,智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是以STM32F103為核心處理器,外接全網(wǎng)通模塊SIM7600CE和LoRa通信模塊構(gòu)成的。通過的軟件算法,可以把LoRa模塊接收的數(shù)據(jù),準(zhǔn)確、穩(wěn)定地通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器,網(wǎng)關(guān)還具有斷線自動重連、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等功能,保證網(wǎng)關(guān)安全、可靠地工作。智能網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)框架如圖2所示。智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸全部通過設(shè)定的加密算法進(jìn)行加密運算,可以保證重要數(shù)據(jù)的安全性。

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3 軟件系統(tǒng)

       服務(wù)器軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要劃分為HTTP服務(wù)和Socket服務(wù)。業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)顯示等由HTTP服務(wù)完成,網(wǎng)關(guān)終端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信則由Socket服務(wù)完成。

3.1 HTTP服務(wù)

       HTTP服務(wù)的設(shè)計采用了PHP語言,PHP易于學(xué)習(xí),使用廣泛,主要適用于Web開發(fā)領(lǐng)域;NGINX是一個高性能的HTTP和反向代理服務(wù)器,本系統(tǒng)的HTTP服務(wù)采用了PHP7和NGINX完成。

3.2 Socket服務(wù)

       由于網(wǎng)關(guān)終端與云服務(wù)器的連接的TCP長久連接,要求網(wǎng)關(guān)終端須實時連接服務(wù)器,以便于數(shù)據(jù)及時處理和采樣終端,因此了Swoole引擎開發(fā)Socket服務(wù),Swoole是一個面向生產(chǎn)環(huán)境的PHP異步網(wǎng)絡(luò)通信引擎,可以編寫高性能的異步并發(fā)TCP服務(wù)。

3.3 B/S構(gòu)架服務(wù)器設(shè)計

       為了減少開發(fā)量和滿足系統(tǒng)跨平臺、多終端使用的要求,提高系統(tǒng)使用的便捷性,云端系統(tǒng)采用了B/S構(gòu)架設(shè)計,云端系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖3所示。

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       終端采集數(shù)據(jù)后,對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,通過制定的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議把數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)上傳到由Swoole引擎編寫的高性能Socket服務(wù)器上,Socket服務(wù)器采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理和分析。

       服務(wù)器上通過采集終端上傳的各種用電參數(shù)數(shù)據(jù),通過開發(fā)的軟件算法,可以實時準(zhǔn)確地分析線路的運行情況。再運用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析處理,可以預(yù)測可能發(fā)生安全用電事故的線路位置,及時通知維修人員進(jìn)行維護(hù)處理。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果和性能驗證

       系統(tǒng)部署某公園的照明電路線路中,照明線路的電參數(shù)情況,測試系統(tǒng)的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)。在線路發(fā)生漏電、過流和過壓等不正常的情況時,智能終端能迅速切斷線路,防止發(fā)生嚴(yán)重的電類事故,異常動作反應(yīng)時間和準(zhǔn)確率如表1所示。

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       通過出現(xiàn)各類安全事情,智能終端的運行情況,可以得出智能終端能在電路發(fā)生不安全狀況時,能在2秒以內(nèi)迅速切斷線路,符合要求。而且通過的干擾過濾算法,能讓智能終端準(zhǔn)確率保持100%。

5安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型

5.1 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?qū)κS嚯娏?、設(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實時、、記錄,并且通過云端的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備與云端的通訊方向不受限制,能上傳數(shù)據(jù)、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(jù)進(jìn)行分析,為用戶提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù),能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實施排查,避免火災(zāi)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(wù),提升了服務(wù)質(zhì)量,對用戶的長遠(yuǎn)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外,該系統(tǒng)通過集中,使得數(shù)據(jù)通過每個節(jié)點的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端集中式管理和,主控端布置于城市消防大隊,從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一的和管理。

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平臺的整體結(jié)構(gòu)圖

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具體功能如下:

       (1)安全用電監(jiān)管服務(wù)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(wù)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(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實時數(shù)據(jù)等,能實時顯示現(xiàn)場服務(wù)次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護(hù)等數(shù)據(jù),監(jiān)管數(shù)據(jù)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)能對各個單位及設(shè)備的電氣安全運行情況進(jìn)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)探測終端產(chǎn)品滿足法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災(zāi)探測器》)的要求,并通過消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測檢驗中心提供的消防3C認(rèn)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(wǎng)絡(luò)接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。

5.2  產(chǎn)品選型

5.2.1 漏電火災(zāi)探測器

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5.2.2 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(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生,并及時預(yù)警,提醒用戶處理,防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)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:

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5.2.3 限流式保護(hù)器

       安科瑞限流式保護(hù)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(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果,防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)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(hù)功能。保護(hù)器實時監(jiān)測用電線路電流,當(dāng)線路發(fā)生短路故障時,能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護(hù),并發(fā)出聲光信號。

       過載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)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(shè))時,保護(hù)器啟動限流保護(hù),并發(fā)出聲光信號。

       表內(nèi)超溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時,保護(hù)器啟動超溫限流保護(hù),并發(fā)出聲光信號。

過、欠壓保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器檢測到線路電壓過壓或欠壓時,保護(hù)器發(fā)出聲光信號,可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護(hù)。

配電線纜溫度監(jiān)測功能。當(dāng)被監(jiān)測線纜溫度超過設(shè)定值時,保護(hù)器發(fā)出聲光信號,可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護(hù)。

       漏電流監(jiān)測功能。當(dāng)被監(jiān)測的線路漏電超過設(shè)定值時,保護(hù)器發(fā)出聲光信號,可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護(hù)。

       保護(hù)器具有1路RS485接口,1路2G無線通訊,可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺系統(tǒng),實現(xiàn)遠(yuǎn)程。

5.2.4 剩余電流互感器

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5.2.5 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(rèn)上傳間隔2分鐘,如發(fā)生,會實時上傳數(shù)據(jù)。

5.2.6 溫度傳感器

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       溫度傳感器為一熱敏電阻NTC,它提供0-120°的溫度基準(zhǔn),可以用來監(jiān)測線纜或配電箱體的溫度,提供溫度保護(hù)。

6 結(jié)束語

       安全用電智能系統(tǒng),不僅能夠?qū)崟r網(wǎng)絡(luò)用電的各項參數(shù),還能夠根據(jù)電路的漏電電流、過流和過壓值等,迅速做出判斷并且可以即時斷開線路,保證線路的安全,防止觸電等各類電類事故的發(fā)生,系統(tǒng)可以在不改變原來線路的情況下進(jìn)行加裝,部署方便,成本低,實用可靠。

參考文獻(xiàn)

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