浅析多功能智能电能表及能效平台在高校学生宿舍的应用

　　摘 要：学生宿舍使用机械式电能表和普通智能电能表存在许多问题，为满足学生宿舍用电管理在智能用电管控、智能收费管理和用电情况统计分析等方面的需求，新建学生宿舍将使用多功能智能电能表。现分析了多功能智能电能表及其配套软件的功能特点，设计了宿舍配电箱系统图、电能表箱系统图和远程抄表系统图。
　　关键词：学生宿舍；配电系统；多功能智能电能表
　　0引言
　　当前，学校招生规模不断扩大，为满足学生住宿需求， 将新建两栋宿舍楼。学生宿舍人员密集，用电情况复杂，学 生宿舍的电能表和配电系统既要能满足学生用电需求，又要能满足学校用电管理需求，实现安全、节能用电。
　　1 学生宿舍用电管理需求
　　1.1智能用电管控
　　识别学生是否使用大功率电器，比如烧水壶、电热棒等，在识别有宿舍使用大功率电器后，立刻断电；对宿舍进行分时段供电控制，比如在周一至周五23：00对各宿舍的灯管（除阳台和卫生间的灯管）停电；根据学校的规定对各宿舍空调供电，比如上课期间空调不供电、天气低于某个温度时不供电。具体要求如表1所示。
　　对电器的识别较为复杂，识别的方法大致可分为时域法和频域法两类。时域分析方法主要包括总功率限定法、瞬时功率增加法、波形比较法等，频域分析方法主要包括基于小波变换识别法、基于神经元网络识别法以及小波变换和人工神经元网络结合的方法等。
　　1.2 智能收费管理
　　后勤人员可通过用电管理系统查看各宿舍的人员信息、电费收缴记录、余额；设置电价，设置每间宿舍每月免费用电的度数；通过电子屏、短信等发送停电信息、各宿舍欠费信息等，对欠费宿舍可自动或手动停电。学生可通过网站、微信公众号等查询缴费记录、余额，可通过IC卡、微信、支付宝等方式缴费。
　　1.3 用电情况统计分析
　　后勤人员通过管理系统，能统计各栋宿舍、整个校园 不同时段、不同月份、不同季节的用电情况，对数据进行分析，为学生宿舍管理提供参考数据。
　　图1 校园能耗监平台系统结构图
　　2 机械式电能表及配电系统
　　某栋学生宿舍已投入使用多年，使用机械式电能表，其低压配电系统图如图1所示，电路分为照明、普通插座、空调插座和备用。照明电路没有区分宿舍大灯管和卫生间、阳台灯管，机械式电能表又没有这一路电线的定时功能，没法按学校的作息时间对照明电路实现自动通断电；普通插座可以接各种电器，无法限制烧水壶等电器的使用；无法实现对空调通电时间的控制；机械式电能表无通信功能，需人工抄表、收费，费时耗力且容易出错，无法实现智能用电管控、智能收费管理。
　　图1 低压配电系统图
　　3 普通智能电能表及配电系统
　　某栋学生宿舍使用普通智能电能表并配有管理软件，其宿舍配电箱系统图如图2所示，电能表箱系统图如图3所示。宿舍配电箱出线电路分为宿舍灯具照明、阳台及卫生间照明、吸顶摇头风扇、普通插座、空调。
　　3.1普通智能电能表及管理软件
　　普通智能电能表可以向管理软件传输信息，用电需预付费，欠费则停电，不需要人工抄表，学生可到缴费办公室人工缴费或通过微信公众号缴费。管理软件有用户管理模块、电费充值及查询模块、统计分析模块，可以实现智能收费管理和用电情况统计分析。普通智能电能表及配套管理软件无法实现宿舍照明灯具的定时供电，无法识别禁止使用的电器。
　　3.2定时器
　　普通智能电能表无法给宿舍照明定时供电，在宿舍灯管供电回路安装定时器，可以按学校的作息时间要求设定通电时间，但定时器的设置需人工操作，而且学校调整作息时间时又需人工设置，很不方便。
　　图1 低压配电系统图
　　3 普通智能电能表及配电系统
　　某栋学生宿舍使用普通智能电能表并配有管理软件，其宿舍配电箱系统图如图2所示，电能表箱系统图如图3所示。宿舍配电箱出线电路分为宿舍灯具照明、阳台及卫生间照明、吸顶摇头风扇、普通插座、空调。
　　3.1普通智能电能表及管理软件
　　普通智能电能表可以向管理软件传输信息，用电需预付费，欠费则停电，不需要人工抄表，学生可到缴费办公室人工缴费或通过微信公众号缴费。管理软件有用户管理模块、电费充值及查询模块、统计分析模块，可以实现智能收费管理和用电情况统计分析。普通智能电能表及配套管理软件无法实现宿舍照明灯具的定时供电，无法识别禁止使用的电器。
　　3.2定时器
　　普通智能电能表无法给宿舍照明定时供电，在宿舍灯管供电回路安装定时器，可以按学校的作息时间要求设定通电时间，但定时器的设置需人工操作，而且学校调整作息时间时又需人工设置，很不方便。
　　图2 宿舍配电箱系统图（使用普通智能电能表）
　　图3 普通智能电能表箱系统图
　　3.3限量用电控制器
　　学校后勤管理人员将不能在学生宿舍使用的电器通常称为＂违规电器＂。为使学生不能使用违规电器，需对违规电器进行控制。因普通智能电能表不能识别违规电器，
　　在普通插座和空调插座的线路上安装限量用电控制器。限量用电控制器根据接入电路中各种电器具有不同的电流波形来识别电器，当接入如电热棒、电磁炉、烧水壶等违规电器时，立即断电，在撤除违规电器后，可自动恢复供电。限量用电控制器可以设置允许使用电器的总功率，当接入的电器太多、超过设定值时，可自动停止供电。但总功率在限量用电控制器出厂时就设定好，使用时不能更改，对于违规电器的可识别种类也有限。
　　4 多功能智能电能表及配电系统
　　为实现学生宿舍用电管理的用电智能管控、智能收费管理、用电情况统计分析，新建的学生宿舍将使用多功能智能电能表及配套管理软件。对数据的上传和指令发布。
　　4.1 多功能智能电能表功能
　　多功能智能电能表具有以下功能：
　　（1）网络通信功能，电能表提供RS485接口，可直接组建RS485通信网络或通过转换器实现其他通信方式的组网；
　　（2）用户可采用三回路供电，将电能表的3条出线提供给1个学生宿舍使用，用电量可合并计算，但每条供电线路参数可分别设置，实现独立控制；
　　（3）根据学校安排每月赠予每间学生宿舍一定电量，并累加至剩余电量中；
　　（4）断电事件记录功能，电能表将记录每户电能表最后一次断电的时间和断电原因，比如欠费断电、过载保护断电、使用违规电器断电等，便于管理人员查询用户的断电情况；
　　（5）违规电器识别功能，特许
　　负载允用功能；（6）预付费功能，用户需先购电后用电，欠费断电，缴费方式多样，可通过微信等缴费；（7）控制功能，内部有继电器，可以控制及监控用户用电；（8）定时断送电（开关）功能，根据每个时间段的通断状态，实现对用户的定时通断电控制。
　　4.2 管理软件功能
　　管理软件包括多个模块：
　　（1）日常工作模块。
　　1）缴费管理：包括用户用电计量、资费统计、缴费、断 电、恢复通电等。
　　2）账户管理：包括新用户注册、用户资料维护等。用户 需实名注册账户，一个电能表只能绑定一个用户。销户涉 及的业务流程有销户、批量销户、并户、暂拆。欠费用户不 得销户，用户电费结算有剩余，打印退费凭证，剩余电费退 还给用户。提供用户信息维护服务，用户可以修改自身基本资料，但是不能修改身份标识（如姓名、身份证号等）。
　　（2）系统设置模块。
　　1）电价设置：制订电价策略，根据策略制订电价。
　　2）通知管理：发布公告、通知，提供留言板、邮件服务， 便于用户与管理方互动交流。
　　（3）查询管理模块。
　　可实现用户对用电数据的各种查询，包括计算电费、查询用电记录、缴费记录与查询余额等。
　　（4）数据库管理模块。
　　定时备份数据，必要时可以恢复数据；可实现Excel表格和数据库的互相导入/导出；为不同用户分配数据权限，防止数据泄密和被恶意篡改。
　　（5）系统设置模块。
　　系统设置包括服务器启停和服务器设置，包括常规设置、文件传输设置、数据库管理、权限设置等。
　　4.3 配电系统设计
　　宿舍配电箱出线分为卫生间及阳台照明、吸顶摇头扇、普通插座、空调插座、照明；多功能电能表箱有3个回路与1个宿舍配电箱连接。宿舍配电箱系统图如图4所示，电能表箱系统图如图5所示，远程抄表系统图如图6所示，可完全满足表1中的各种用电管理要求。
　　图4 宿舍配电箱系统图（使用多功能智能电能表）
　　图5 多功能智能电能表箱系统图
　　5 安科瑞电气针对高校推出能效管理解决方案--AcrelEMS-EDU校园综合能效管理平台
　　5.1平台概述
　　AcrelEMS-EDU校园综合能效管理解决方案针对校园能源统计、后勤计费管理、校园运维管理等提供高校的信息化管理平台。从＂源、网、荷、储、充＂多个角度解析高校当下及未来的用能问题及用能需求，在统一的需求下＂实现能源互补、信息互通＂等管理模式。助力学校管理智能化、数字化、综合化，实现节能校园、绿色校园、低碳校园。
　　5.2平台组成
　　AcrelEMS-EDU高校综合能效管理平台采用开放的分层分布式网络结构，主要由设备层、传输层、数据层、应用层组成。AcrelEMS-EDU高校综合能效平台提供校园用能实时在线监控、能耗数据统计分析、空调智能管理、用能排名、节能评估、宿舍恶性负载监管等功能。
　　5.3平台架构
　　图1 安科瑞能效管理方案架构拓扑
　　6 高校综合能效解决方案
　　6.1校园电力监控与运维
　　集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维， 班组重新优化整合，减少人力配置。
　　6.2后勤计费管理
　　采用先进的网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、 账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。
　　6.2.1宿舍用电管理
　　针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录。
　　6.2.2商铺水电收费
　　针对校园超市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理
　　6.2.3充电桩管理平台
　　充电桩在＂源、网、荷、储、充＂信息能源结构中是必不可缺的。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必不可缺的一部分。
　　6.2.4智能照明管理
　　通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时 开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和高效节能。
　　6.3能源管理系统
　　针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。
　　按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提高管理效能。
　　构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。
　　6.4智慧消防系统
　　智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。
　　实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防＂自动化＂、＂智能化＂、＂系统化＂需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。
　　7.平台部署硬件选型
　　7.1电力监控与运维平台
　　7.2后勤计费管理
　　7.2.1宿舍/商业预付费平台
　　7.2.2充电桩管理平台
　　7.2.3智能照明管理
　　7.3能源管理系统
　　7.4智慧消防系统
　　7.4.1电气火灾监控系统
　　7.4.3防火门监控系统
　　7.4.4消防应急照明和疏散指示系统
　　8结束语
　　对比机械式电能表和普通智能电能表，学生宿舍使用多功能智能电能表能控制学生宿舍灯管、空调、违规电器等的使用，实现安全、节能用电，学校后勤人员能更加高效地管理宿舍。因此，多功能智能电能表未来定将在更多的高校中被推广使用。
　　【参考文献】
　　【1】 温金保.多功能智能电能表在高校学生宿舍中的应用[J].广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510000,
　　【2】董雪伟.高校宿舍用电分析及负载识别[J].建筑电气，2021，40（1）：61-64.
　　【3】高校综合能效解决方案2022.5版.
　　【4】企业微电网设计与应用手册2022.05版.