安全用电智能监控系统的详细说明

摘要：本文针对当前校园、工厂、社区等场所的安全用电隐患，电力安全事故频发，传统的被动安全用电保护措施已不能满足社会的需要。该系统采用人工智能和大数据分析技术，设计了基于云的安全电力智能监控系统。该系统主要由智能监控硬件终端、网关和云监控系统组成。硬件终端实时采集电力参数，智能网关通过Lora无线接收数据过滤转发到云。云系统还可以分析上传的电力参数和信息

0引言

安全一直是社会关注的焦点，尤其是校园、工厂和社区的安全。这些地方空间狭窄，人员密集。一旦发生安全事故，将造成不可预见的损失，电力安全是预防安全事故的重要措施。线路过载、短路、漏电是安全用电的首要考虑因素。由于当时电气保护装置的电气绝缘老化和技术水平，旧线路容易发生电气安全事故。虽然新安装的线路增加了大量的过载和漏电保护装置，但由于保护装置的质量和人工安装不规范，仍会发生电气安全事故，导致火灾和触电，造成人员伤亡。

电已经成为现代生活的必需品，但电是一把双刃剑。在提供便利的同时，稍有不慎就会成为巨大的风险源，过载的电流会瞬间杀死人。随着社会技术的发展，特别是当代中国互联网的快速发展，大数据和人工智能技术的兴起，不仅改变了人们的生活方式，也极大地促进了各行各业的发展。

该系统采用人工智能和大数据分析技术，设计了一个基于云的安全电力智能监控系统。通过对大数据的分析，可以判断线路容易过载和泄漏的时间段和一般线路位置，准确采取对策，快速排除故障；结合人工智能技术，系统实时监控电压、电流、泄漏电流和功率参数，实时准确地切断和恢复故障线路，发出语音广播警告等提示信息。

1系统设计原理。

该系统由智能监控硬件终端、智能网关和云服务器组成。智能终端采集线路的电参数，通过Rola无线传输到网关。网关过滤数据后，将数据从GPRS网络上传到云服务器。云服务器存储、分析和显示数据。系统设计框图如图1所示。每个采集终端和网关构成一个星网络，网关之间的网络节点是平等的，与云服务器直接通信。

2 硬件系统

2.1采集终端设计

2.1.1STM32F407ZET6微控制器。

STM32F4ZET6是一款高性能的单片机，其Flash容量512KB,RAM容量为192KB,CPU频率达到168MHz，芯片内嵌资源丰富。该采集终端需要采集大量的电量数据，且能够进行实时的分析处理，所以本采集终端采用STM32F407ZET6作为主CPU。

2.1.2参数采集电路。

在采集端，采集电路的电能、功率、功率、电流、电压等电参量进行采集，以便准确稳定地采集电路参数；选择ATT7022E型单片机，ATT7022E是一颗精密的三相电能测量芯片，该系统可用于三相三线及三相四线制系统，可满足电路数据采集要求。

2.1.3LoRa通信技术。

采集完数据后，需要以无线方式传送到网关节点，再由网关节点上载至云服务器，因此，要求终端数据传输要稳定可靠，考虑到部门节省成本以及部署采集终端的灵活性等因素，采用LoRa无线通信技术，LoRa无线技术具有传输距离远、自由频带、易于部署的特点。

2.2智能网关设计。

SIM7600CE是一款可实现2G/3G/4G网络通信的全网通模块，该系统采用STM32F103作为核心处理器，外接全网通模块SIM7600CE和LoRa通信模块组成。利用自己开发的软件算法，将LoRa模块接收到的数据，通过GPRS网络准确、稳定地上载至云服务器，同时该网关还具有断线自动重连、网络监控等功能，保证网关安全、可靠地工作。图2显示了智能网关的系统架构。智能网关数据的传输都是通过自主设定的加密算法进行加密操作，以保证重要数据的安全。

3 软件系统

对服务器软件系统的设计主要分为HTTP服务和Socket服务。通过HTTP服务实现业务逻辑、数据显示等功能，通过Socket服务实现网关终端与服务器之间的数据通信。

3.1HTTP服务。

HTTP服务是用PHP语言设计的，PHP易于学习，应用广泛，主要用于Web开发；NGINX是一种高性能的HTTP和反向代理服务器，该系统通过PHP7和NGINX实现HTTP服务。

3.2ocket服务。

因为网关终端到云服务器的TCP长时间连接，因此要求网关终端必须实时连接服务器，为了方便数据的及时处理和监测采集终端，Swoole引擎开发了Socket服务，Swoole是一种产品导向型PHP异步网络通信引擎，它能编写高性能的异步并发TCP服务。

3.3B/S架构的服务器设计。

为降低开发工作量，满足系统跨平台、多终端使用的需要，并提高系统使用的便捷性，云端监控系统采用B/S架构设计，云监控系统的设计框图见图3。

在采集到数据后，对数据进行加密处理，并通过自主制定的网络通信协议，将数据通过网关上传到Swoole引擎编写的高性能Socket服务器，然后Socket服务器进行数据处理和分析。

采集终端上传的各种用电参数数据，利用自主开发的软件算法，对线路运行情况进行实时、准确的分析。再次利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修处理。

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
   该系统可对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监测、报警、记录，并可在云上远程监控。该设备与云中的通信方向不受限制，可以上载数据，传输指令，并在时间上显示实时状态。它通过对上载到云的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，可以尽早发现问题，实施排查，避免火灾发生。另外，云平台还能提供超大容量的存储和稳定的服务，提高服务质量，对用户长期发展有重要的战略意义。另外，通过集中监测，使各节点的数据通过4G网络传送到云上集中管理和监控，主控端布置在城市消防大队，从而使采集的信息能够得到统一的监测和管理。

平台的整体结构图

具体功能如下：

（1）安全电力监督服务系统包括安全电力管理云平台、计算机终端显示系统、移动应用程序、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。

（2）安全电力监督服务系统平台可显示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监控数据和变化曲线、历史数据和变化曲线、实时报警数据等，可实时显示现场服务数量、隐患数量、隐患数量、报警数量、常规检验和产品维护数据，监督数据可保存10年以上。

(3)手机APP软件还有IOS版和Android版，可以通过手机APP呼叫每个报警记录，方便用电单位在紧急情况下尽快通知。

（4）可自动统计、分析和评估各单位和设备的电气安全运行情况，并随时显示电气安全运行分析报告。

(5)监控探测终端产品符合国家法律法规及相关技术标准(GB14287.2《剩余电流电气火灾监测探测器》和GB14287.3《温度测量电气火灾监测探测器》)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）漏电探测器可以同时检测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并通过移动通信网络无线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电流限制保护装置。

本产品采用ASCP200-1型限流保护，具有三个电流等级，可以监控电路短路过载等故障信息，出现故障时报警并产生灭弧效果，防止电弧引发火灾。

与AF-GSM400合作，ASCP200-1可以直接与安全电源平台连接，还可以通过插入SIM卡直接上载至平台。

ASCP200-1的主要特性如下：

防短路功能。保护装置实时监控供电线路电流，当线路短路故障时，可在150微秒内实现限流保护，同时发出声光报警信号。

超载保护功能受保护线路电流过载，过负荷持续时间超过动作时间(3.60秒)时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。

表里温度过高保护功能。保护装置在保护装置内的温度过高时启动超温限流保护，并发出声光报警信号。

过载欠压保护功能。在保护装置检测到线路电压过压或欠压情况下，保护器发出声光报警信号，可预先设定是否启动限流保护。

配线电缆温度监控功能。若监测到的线缆温度超过报警设定值，保护器发出声光报警信号，可预先设置有无启动限流保护。

漏电检测功能。若监测线路漏电超过报警设定值，保护器发出声光报警信号，可预先设置有无启动限流保护。

该保护装置有1路RS485接口，1路2G无线通信，可向后台发送数据，实现远程监控。

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。

作者简介：张星，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。

审核编辑：符乾江