园区智慧用电管理系统的设计与应用

安科瑞冯东铖 17821170233

摘要：为解决目前园区用电管理紊乱、数据采集不便、运维智能化水平低等问题。研究搭建出园区智慧用电管理系统。本系统由网关、PC、手机、智能物联网设备等硬件组成。利用RS-485总线通信、数据库管理、GPRS无线传输等技术将智能电表、集中器、数据采集终端及云服务器连接起来进行信息交换与通讯，建立智慧用电管理系统。该系统能够保证用电管理的高效性和性，显著提高了物业服务的工作效率和智能化水平，减少了管理维护成本，有效改善了用户体验。

关键词：园区 智慧用电 管理系统 系统设计 用电管理智能化

0引言

随着物联网、云平台等新兴信息科技的日益成熟，未来园区用电管理的发展将更加智能化、信息化。近年来，越来越多的能源互联网企业为园区用电管理提供了解决方案，文献[1]提出基于大数据技术设计开发的智能电表远程抄表系统替代传统的人工抄表方法，能够有效提高抄表的速率，并降低误抄率。文献[2]提出基于无线传感器网络研究开发的建筑智能用电监控系统，实现对用电设备的智能化安全保障，以避免由于设备维修不及时引发的建筑用电安全问题。文献[3]提出利用数据采集器对用电信息进行实时采集，实现对窃电行为的有效监测以及提高了线损管理的智能化水平与效率。但是以上研究成果仅改善了抄表效率低下、设备管理粗放及电能损耗较大等问题，在建筑园区电费业务管理层面上仍存在一些难题尚未得到解决。一方面，传统采用的预付费电表方案并不适用于商业园区，电表下属的负荷大小各有不同，若出现欠费断电的情况，很有可能会对公司业务、数据库等重要信息造成重大损失；另一方面，园区各企业的电表数量众多，“充值流程繁琐”、“电表管理困难”、“业主拖欠电费”等问题严重影响着园区用电管理的服务质量，进而导致入场企业存留率低、园区市场竞争力弱等问题。

园区的服务质量和数字智能化水平是吸引现代企业入驻，赢得市场竞争优势的关键性因素。基础能源服务能力不达标，将意味着园区经济发展能力的下降甚至缺失，因此，如何吸引企业并提升园区服务水平，是园区未来值得思考的发展方向。为解决以上问题，提出在现有研究成果的基础上，建立设计以“业务智能”和“设备安全”为核心理念的园区智慧用电管理系统。

1园区智慧用电管理系统设计

系统设计是通过特定的技术或组织构成的网络化配置，注重目标用户的需求，用以提供用户所需的服务。作为一种全新的设计思维模式，其特点体现在本身的平衡性，即维持系统“使用端”和“服务端”之间的平衡度，融入了产品及服务的规划设计流程，综合运用设计学理论及方法对产品及管理服务进行一体化的设计实践。系统设计兼顾了视觉设计、功能设计、交互设计、服务设计以及体验设计，用户通过研发的系统平台满足自身的需求和期望，从而有助于提升系统的满意度和便捷度，改善用户体验。这种体验感受是用户在使用系统过程中贯穿于整个管理系统的主观感受。

园区智慧用电管理系统主要由智能电表、数据采集器、数据集中器及其他辅助通讯部件构成，用户端为园区物业使用的Web端程序和业主使用的小程序，用户不仅能实现用户实时用电数据的查询及业务处理功能，拥有平台体验良好的人机交互功能，还可以方便快捷地得到所需信息，享有更为智能化的分析系统和用户管理。系统利用RS-485总线技术一点对多点的通讯特征将智能电表和数据采集器及集中器组成传输监测设备组，实现一个数据采集器与多个智能电表通讯的要求，用以完成对多电表能耗数据的实时采集和有效存储，并将各个电表节点的用电数据经分析处理后实时传输至系统进行后台业务操作与算法实现，例如远程抄表、自动生成每月的账单等。另外，系统还可根据传输的电能参数判断当前设备的电压和功率是否超出设定的阈值范围，一旦超出范围即可通过GPRS通讯向用户发送预警信号（手机短信和平台警告），从而保证用电设备处于安全状态。同时，不同经济产业园区的传输监测设备组可以通过以太网技术实现与系统计算机的信息互通，完成数字化管理及后续数据的统计处理与分析。智慧用电管理系统总体设计方案如图1。

图1 智慧用电管理系统总体设计方案

2系统硬件设计

基于园区智慧用电管理系统的总体设计，本系统设备配置主要分为以下几个部分。

（1）智能电表。作为整个用电系统的核心部件，它主要用于采集、计量、存储及传输业主原始有功电能数据，对数据进行处理分析及展示，并利用数据库技术实现信息的管理与维护以及数据交互功能。

（2）防盗摄像头。主要目的是监控设备防止被窃。当设备安装箱被打开时，启用摄像头对行为人进行拍照，并将拍摄的照片传输至数据库，若发生设备遗失事件，即可在数据库读取盗窃者的图片信息以锁定目标。

（3）Flash存储芯片和系统内存动态存储器以及各种设备电源电路模块等其他辅助部件。

（4）数据采集器。主要功能是完成对电表数据的实时采集和存储，并接收服务器远程指令下达至电表节点。

（5）数据集中器。通过预设好的算法，完成对电表数据的实时扫描、采集、处理和传输；完成远程系统发出的抄表指令，并对设备进行实时监测及故障上报。

（6）系统管理计算机和支持的数据传送通信部件。主要采用以太网技术将各个设备连接构成局部网络系统，实现远程输送和数字化管理。

3系统软件设计

系统软件部分从稳定性、易拓展性、开发友好性等方面进行综合考虑，基于系统需求分析，采用将业主配置分散的多个电表集中到账户内进行统一管理的方式，根据用户不同的身份创建对应的角色账户并进行权限设置管理。物业工作人员基于所划分的角色登录相应的账户后，系统通过接收电表传输的用电能耗数据，实现自动存储、计算、比较、判定等功能，以便工作人员能够及时准确地掌握各个业主的用电情况及用电设备的运行状态。同理，业主公司下也可以有多种角色分类，登录账号即可操作对应的业务。软件系统整体功能结构如图2。

图2 软件系统功能结构

将软件设计进行细分，主要包括3个部分：①物业Web端程序，主要实现处理每月自动生成的账单、统计能耗数据，以及追踪电费和监测设备等功能。②业主端微信小程序，主要完成账单处理、电费充值、发票申请、查阅用电量情况及园区能耗指标排名等操作。③系统数据库，主要实现功能包含设备信息的存储与更新、监测数据及完成其识别结果的管理与维护等。

（一）物业Web端程序设计

不同园区各个企业楼宇间的空调、照明、电梯、消防等用电分项所产生的能耗数据通过智能硬件接入到系统中，实现与计算机的信息交换和通信。系统Web端是基于业主局域网，通过在浏览器输入固定的网址进入系统登录界面，输入准确的用户名和密码，进入首页以完成待办的任务事项。物业端程序主要功能为账单与电费管理、设备监测、发票和充值审核、能耗分析等。账单与电费管理可编辑与审核每月自动生成的账单、协调设置动态电价、在线追踪电费，对于电费余额状态为欠费的用户可以做远程断电处理；设备监测模块对所收集的监测记录进行汇总处理，在满足物业工程人员无需前往安装现场的条件下，即可选择查看各个用电设备的所有实时数据、异常报警及设备连接状况。

物业端程序的核心功能展示集中于业务受理信息管理，物业用户在选择用电查询模块后，可筛选查询条件，其中包括业主编号、业主户名、业主所在区，系统会根据查询条件进行数据库访问。除此之外，该模块还可以对某业主自入场以来所产生的用电数据进行查询，例如日用电量、月用电量、年用电量，也可以对整个区的用电消耗情况进行查询，并支持数据统计绘图功能，使得用电观察具有更加清晰直观的良好呈现。

（二）业主端微信小程序设计

系统在进行线上业务处理是一个长期双向的过程，物业端在发出指令后，业主端需要借助工具载体对服务进行反馈与处理，因此，开发一款高效准确的业主端程序显得至关重要。微信小程序作为无需用户下载安装，即可使用的技术应用，具有开发使用成本低、用完即走、运行流畅与内存小巧的优势。目前，园区入驻企业的电费账单更新周期是每月的25日，业主除了在收到设备异常和催缴电费信息的情况下需要使用小程序以外，平时使用它的频率较低。采用依赖微信生存的小程序作为业主端，不仅可以在一定程度上增加用户的使用黏性，还能在满足低频使用需求下帮助用户节省手机内存空间。

4安科瑞安全用电管理云平台

（1）概述

随着社会经济的迅速发展，建筑电气火灾发生的频率也呈上升势头，给财产和人民的生命安全造成的损失与日俱增，据统计，电气隐患是引发建筑火灾的首要因素。

安科瑞电气推出的安全用电管理云平台采用剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现一时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。

用户可以利用PC网页、手机APP、微信小程序、微信公众号等多种方式实现对平台的访问，查询包括系统信息、实时数据、报警记录等在内的各种信息，使用方便。利用该系统为用户提供的低成本专业服务，能有效提升企业的消防安全管理和电气设备安全水平，有效防范重大恶性火灾财产损失、尤其是重大恶性人员伤亡责任事故的发生。

（2）应用场所

本平台适用于智能楼宇、高层公寓、宾馆、饭店、商厦、工矿企业、重点消防单位以及石油化工、文教卫生、金融、电信等领域，也适用于市场、门店等小微场所，对分散在建筑内的探测器进行遥测、遥调、遥控、遥信，方便实现监控与管理。

（3）系统架构

本平台的整体结构如图所示：

（4）系统功能

智慧用电云平台通过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、温湿度传感器以及带NB通讯功能的感烟探测器、可燃气体探测器等设备，实现电气安全监测信息通过平台、APP推送、短信推送、微信公众号推送、微信小程序推送、钉钉推送、邮件推送或者语音呼叫等方式实时报警。

1）登录页面

输入平台地址，建议使用谷歌，火狐，360浏览器（极速模式）。此功能用于用户登录系统，如下图所示。

输入用户名、密码，点击“登录”按钮，如果用户名、密码不正确则提示用户输入正确的用户名密码；如果用户名、密码正确即可成功登录系统。

2）首页

用户登录成功之后进入首页，如下图所示。主要展示的内容有：项目总览、设备状态、探测器分类、设备报警信息、报警状态、报警统计等。其中百度地图可以选配成3D建筑模型。

3）数据监控

①实时监控

点击左侧列表实时监控进入实时监控页面，该页面展示了当前用户关联的项目数量，项目位置，探测器数量，如下图所示。

系统可接入电气火灾探测器、故障电弧、电气火灾主机、灭弧式保护器探测、烟感可燃气体和母排无线测温探测等，并可远程控制相应探测器。

如果探测器有关联摄像头，点击视频监控即可查看当前摄像头视频监控。

②配电图

在实时监控点击配电图可以展示指定项目的配电图信息，包括各个探测器的运行状态机实时电参量，可以对配电图进行放大、缩小、平移等操作，如下图所示。

点击具体探测器可查看该探测器的电参量历史曲线，如下图所示。

③电参量报表

可对仪表数据按日期进行查询，并可导出EXCEL进行查看。

（4）能耗分析

能耗分析包括能耗概况，同比分析，环比分析，能耗报表，复费率报表功能。

1）能耗概况

能耗概况可以查看今日、本月、今年的用电情况，且可以展示相应的同环比信息，也可以查看今日和昨日的用电峰值，如下图所示。

2）同比分析

可以逐年查看各个月份的能耗和同比能耗，并以曲线和报表的形式展示，如下图所示。

3）环比分析

可以逐日、逐周、逐月、逐季度查看能耗和对应的环比能耗，并以曲线和报表的形式展示，如下图所示。

4）能耗报表

能耗报表可以逐日、逐周、逐月、逐季度、逐年、自定义等方式查看各个探测器的用能报表，如下图所示。

5）复费率报表

复费率报表按周、月、季、年查看探测器尖、峰、平、谷用电量和用电金额，如下图所示。

（5）隐患管理

对于系统产生的隐患记录，相关人员能够对相应记录对应的设备进行操作。

1）隐患查询

根据查询条件搜索对应的隐患记录，如下图所示。

2）隐患派发

隐患派发页面显示未派发的隐患记录，如下图所示。

3）隐患处理

隐患处理页面显示派发到用户这边需要处理的隐患，如下图所示。

4）隐患分析

隐患分析支持对隐患记录进行日、月、年的维度查询，将项目下隐患以曲线，图表的形式展现，对各项目隐患进行排名，如下图所示。

（6）电能质量

电能质量包括谐波监测和三相不平衡度等功能。

1）谐波监测

该功能支持对谐波进行逐日、逐月、逐年报表汇总，或自定义时间段查询功能，分析谐波畸变率及各次谐波含有率，还支持数据导出，如下图所示。

2）三相不平衡度

三相不平衡度包括三相电压不平衡度和三相电流不平衡度，支持查看当天的三相电流和三相电压的曲线图，并对应三相电流和三相电压的不平衡度，如下图所示。

（7）需量分析

需量分析包括大需量报表和需量监测等功能。

1）大需量报表

支持对每月大需量进行统计，并生成报表，如下图所示。

2）需量监测

按日统计各个探测器的需量，并生成图表和报表。

运维管理

运维管理包括巡检计划、巡检记录、设备通讯状态等功能。

1）巡检计划

点击菜单中的巡检计划，进入对应的页面，对相关的巡检计划进行查看工单，切换日期来查询所要预览的数据，支持对巡检计划的新增，修改和删除。

巡检计划新增如下图所示。

2）巡检记录

巡检记录支持对相关的巡检进行查看，如下图所示。

3）通讯状态

通过对项目、探测器ID以及想要查询的设备来进行查询，对现有项目下设备的通讯状态数据进行汇总罗列展示，包括显示设备当前的通讯状态等，如下图所示。

图8-3

（9）报告分析

分析报告根据用户指定的周期、项目、时段等筛选生成报告摘要、统计清单、设备体检摘要、报警原因分析。

（10）手机APP

扫描如下二维码可下载体验安全用电APP，登录界面三栏分别填入safe、123456、fire..acrelcloud.cn。

5产品选型

型号、规格	图片	技术参数
ARCM300D-Z -4G/NB

	实时监测1路单相回路的剩余电流、2路温度、单相电流、电压、功率、电能等电参量，联动输入输出、RS485通讯。 支持4G/NB等多种无线上传方案； 仪表需要配置SIM卡，SIM卡我司不提供； 注：设备包含1个剩余电流互感器，1个电流传感器和2个温度传感器。
ARCM300-ZD -4G/NB

	实时监1路单相剩余电流、2路温度、电流、电压、功率、电能等电参量，开关量输入、继电器输出、电压电流不平衡、需量、电压相序检测、RS485通讯； 支持4G/NB等多种无线上传方案，支持断电报警上传功能； 仪表需要配置SIM卡，SIM卡我司不提供。
ARCM300-J1 -4G/NB

	实时监测一路剩余电流、四路温度，开关量输入、继电器输出，RS485通讯，GPRS无线通讯； 支持4G/NB等多种无线上传方案，支持断电报警上传功能； 仪表需要配置SIM卡，SIM卡我司不提供。
ARCM300-Z -4G/NB

	实时监测一路三相剩余电流、四路温度、电流、电压、功率、电能等电参量，开关量输入、继电器输出、2～31次电压、电流谐波分析、电压电流不平衡、需量、电压相序检测、RS485通讯； 支持4G/NB等多种无线上传方案，支持断电报警上传功能； 仪表需要配置SIM卡，SIM卡我司不提供。
ARCM300T-Z -4G/NB

	实时监测1路三相回路的剩余电流、四路温度、电流、电压、功率、电能等电参量，遥信输入、遥信输出、2～63电压、电流谐波分析、基波功率检测、谐波功率检测、电压电流不平衡、需量、电压相序检测、RS485通讯； 支持4G/NB等多种无线上传方案； 仪表需要配置SIM卡，SIM卡我司不提供。 注：电流互感器和漏电流规格根据现场回路电流大小选择。电流互感器二次输入信号规格为5A。
灭弧式保护器 ASCP200-1

	可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能，1路RS485通讯吗，1路GPRS无线通讯，额定电流为0-63A，额定电流菜单可设。
故障电弧探测器AAFD

	检测线路的故障电弧、1路继电器输出、485通讯、导轨式安装、液晶显示；适用额定电流检测范围：0-40A
电气火灾监控设备ARCM600

	实时接收处理各路探测器发送的漏电、温度信号，同时在液晶屏幕上显示，当发生漏电或超温报警时，监控设备能发出声光报警信号，在屏幕上显示故障位置及报警类型，并具有数据存储、查询和报警控制信号输出等功能，还具备对探测器的远程复位控制功能。支持一路二总线通讯、导轨式安装，两路继电器输出，LCD液晶显示，声光报警，事件记录。
智能微型断路器ASCB1

	用于对用电线路的关键电气因素，如电压、电流、功率、温度、漏电、能耗等进行实时监测，具有远程操控、预警保护、短路保护、电能计量统计、故障定位等功能。
用电末端监测装置AESP

用于对用电线路的关键电气因素，如电压、电流、功率、温度、能耗等进行实时监测，具有预警报警、电能计量统计等功能，应用于户内建筑物及类似场所的工业、商业、民用建筑及基础设施等领域低压终端配电网络。

6结语

能耗用电管理涉及到用户的切身利益和需求，其引发的问题易导致较高的社会效应。园区智慧用电管理系统设计提供并构建了一种稳定可靠、高效安全的管理平台及实现方法，整体缩减了用电管理的总成本，提高了园区服务工作效率与智能化水平。提出系统的整体管理结构设计，主要包含了电费账单业务模块、设备监测模块、数据统计分析模块，分析了各模块的主要功能。为了解决不同用电分项下多电表管理混乱以及企业拖欠电费的问题，提出建立“角色账户”进行分管的思路进行构建设计，为园区系统用户提供实时可靠的用电信息，以远程控电的短信提醒方式监督企业缴纳电费。该系统还可向气、热、水表计量与抄表管理、重要设备运维管理等领域扩展，并终为未来实现建立“智能化园区”提供一定的借鉴和参考，具有较强的应用价值。

参考文献

[1]赵晓红，吕国栋，王文婷.基于大数据的小型智能电表自动抄表方法研究[J].自动化与仪器仪表，2020，243（01）：185.

[2] 滕志军，张力，宋锐，等.基于无线传感器网络的智能用电在线监控系统 [J] . 电子器件，2017，40（06）：1567

[3] 张芹，何行，何欢，等.智能电表远程数据采集器设计及在线损管理中的应用 [J] . 电子设计工程，2017，25（20）：72.

[4]安科瑞电气股份有限公司官网.

[5]安科瑞企业微电网设计应用手册.2022.05版.

[6]陈映荷,闵薇.园区智慧用电管理系统的设计与应用.2020.

审核编辑 黄宇