園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)的設計與應用

陳映荷 閔薇

摘要：為解決目前園區(qū)用電管理紊亂、數據采集不便、運維智能化水平低等問題。研究搭建出園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)由網關、PC、手機、智能物聯(lián)網設備等硬件組成。利用RS-485總線通信、數據庫管理、GPRS無線傳輸等技術將智能電表、集中器、數據采集終端及云服務器連接起來進行信息交換與通訊，建立智慧用電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠保證用電管理的高效性和精準性，顯著提高了物業(yè)服務的工作效率和智能化水平，減少了管理維護成本，有效改善了用戶體驗。

關鍵詞：園區(qū)?智慧用電?管理系統(tǒng)?系統(tǒng)設計?電管理?智能化

中圖分類號：N945.23;TM933

文獻標識碼：A.

文章編號：1003-0069（2020）08-0086-04

引言

隨著物聯(lián)網、云平臺等新興信息科技的日益成熟，未來園區(qū)用電管理的發(fā)展將更加智能化、信息化。近年來，越來越多的能源互聯(lián)網企業(yè)為園區(qū)用電管理提供了解決方案，文獻[1]提出基于大數據技術設計開發(fā)的智能電表遠程抄表系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的人工抄表方法，能夠有效提高抄表的速率，并降低誤抄率。文獻[2]提出基于無線傳感器網絡研究開發(fā)的建筑智能用電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對用電設備的智能化安全保障，以避免由于設備維修不及時引發(fā)的建筑用電安全問題。文獻[3]提出利用數據采集器對用電信息進行實時采集，實現(xiàn)對竊電行為的有效監(jiān)測以及提高了線損管理的智能化水平與效率。但是以上研究成果僅改善了抄表效率低下設備管理粗放及電能損耗較大等問題，在建筑園區(qū)電費業(yè)務管理層面上仍存在一些難題尚未得到解決。一方面，傳統(tǒng)采用的預付費電表方案并不適用于商業(yè)園區(qū)，電表下屬的負荷大小各有不同，若出現(xiàn)欠費斷電的情況，很有可能會對公司業(yè)務、數據庫等重要信息造成重大損失;另一方面，園區(qū)各企業(yè)的電表數量眾多，“充值流程繁瑣”、“電表管理困難”、“業(yè)主拖欠電費”等問題嚴重影響著園區(qū)用電管理的服務質量，進而導致入場企業(yè)存留率低、園區(qū)市場競爭力弱等問題。

園區(qū)的服務質量和數字智能化水平是吸引現(xiàn)代企業(yè)入駐，贏得市場競爭優(yōu)勢的關鍵性因素?；A能源服務能力不達標，將意味著園區(qū)經濟發(fā)展能力的下降甚至缺失，因此，如何吸引企業(yè)并提升園區(qū)服務水平，是園區(qū)未來值得思考的發(fā)展方向。為解決以上問題，提出在現(xiàn)有研究成果的基礎上，建立設計以“業(yè)務智能”和“設備安全”為核心理念的園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)。

一、園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計是通過特定的技術或組織構成的網絡化配置，注重目標用戶的需求，用以提供用戶所需的服務。作為一種全新的設計思維模式，其特點體現(xiàn)在本身的平衡性，即維持系統(tǒng)“使用端”和“服務端”之間的平衡度，融入了產品及服務的規(guī)劃設計流程，綜合運用設計學理論及方法對產品及管理服務進行一體化的設計實踐。系統(tǒng)設計兼顧了視覺設計、功能設計、交互設計、服務設計以及體驗設計，用戶通過研發(fā)的系統(tǒng)平臺滿足自身的需求和期望，從而有助于提升系統(tǒng)的滿意度和便捷度，改善用戶體驗。這種體驗感受是用戶在使用系統(tǒng)過程中貫穿于整個管理系統(tǒng)的主觀感受[4]。

園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)主要由智能電表、數據采集器、數據集中器及其他輔助通訊部件構成，用戶端為園區(qū)物業(yè)使用的Web端程序和業(yè)主使用的小程序，用戶不僅能實現(xiàn)用戶實時用電數據的查詢及業(yè)務處理功能，擁有平臺體驗良好的人機交互功能，還可以方便快捷地得到所需信息，享有更為智能化的分析系統(tǒng)和用戶管理[5]。系統(tǒng)利用RS-485總線技術一點對多點的通訊特征將智能電表和數據采集器及集中器組成傳輸監(jiān)測設備組，實現(xiàn)一個數據采集器與多個智能電表通訊的要求，用以完成對多電表能耗數據的實時采集和有效存儲，并將各個電表節(jié)點的用電數據經分析處理后實時傳輸至系統(tǒng)中心進行后臺業(yè)務操作與算法實現(xiàn)，例如遠程抄表、自動生成每月的賬單等[6]。另外，系統(tǒng)還可根據傳輸的電能參數判斷當前設備的電壓和功率是否超出設定的閾值范圍，一旦超出范圍即可通過GPRS通訊向用戶發(fā)送預警信號（手機短信和平臺警告），從而保證用電設備處于安全狀態(tài)。同時，不同經濟產業(yè)園區(qū)的傳輸監(jiān)測設備組可以通過以太網技術實現(xiàn)與系統(tǒng)中心計算機的信息互通，完成數字化管理及后續(xù)數據的統(tǒng)計處理與分析7。智慧用電管理系統(tǒng)總體設計方案如圖1。

二、系統(tǒng)硬件設計

基于園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)的總體設計，本系統(tǒng)設備配置主要分為以下幾個部分。

（1）智能電表。作為整個用電系統(tǒng)的核心部件，它主要用于采集、計量、存儲及傳輸業(yè)主原始有功電能數據，對數據進行處理分析及展示，并利用數據庫技術實現(xiàn)信息的管理與維護以及數據交互功能。

（2）防盜攝像頭。主要目的是監(jiān)控設備防止被竊。當設備安裝箱被打開時，啟用攝像頭對行為人進行拍照，并將拍攝的照片傳輸至數據庫，若發(fā)生設備遺失事件，即可在數據庫讀取盜竊者的圖片信息以鎖定目標[8]。

（3）Flash存儲芯片和系統(tǒng)內存動態(tài)存儲器以及各種設備電源電路模塊等其他輔助部件。

（4）數據采集器。主要功能是完成對電表數據的實時采集和存儲，并接收服務器遠程指令下達至電表節(jié)點。

（5）數據集中器。通過預設好的算法，完成對電表數據的實時掃描、采集、處理和傳輸;完成遠程系統(tǒng)中心發(fā)出的抄表指令，并對設備進行實時監(jiān)測及故障上報。

（6）系統(tǒng)管理中心計算機和支持的數據傳送通信部件。主要采用以太網技術將各個設備連接構成局部網絡系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程輸送和數字化管理[9]。

（一）智能電表

系統(tǒng)采用功能強大且承接多種電力費率計算的智能電表作為整個系統(tǒng)的重要終端設備。電表核心部件是能夠采集和存儲信息的智能芯片，主要功能是分析與處理采集到的用電信息、對業(yè)主有功用電量值、負荷電壓、電流等數據進行計算處理，然后傳遞至系統(tǒng)，再由物業(yè)工程部進行專業(yè)化的數據分析[10]。在每個線上計費周期開展的賬單業(yè)務中，物業(yè)人員可對園區(qū)業(yè)主用電數據進行編輯與審核。除此之外，智能電表也能高精度地自動測算出設備工作狀態(tài)下的參數，并對其進行分析與存儲。用戶可通過系統(tǒng)的設備監(jiān)測功能模塊來進行報警閾值設置，一旦電表發(fā)生異常，系統(tǒng)將及時發(fā)送告警命令以阻止問題.的惡化，同時將識別結果及告警時間存入數據庫，以達到監(jiān)控各項設備運行狀態(tài)的目的[11]。

（二）集中器

系統(tǒng)采用集中器作為與智能電表實時通訊傳輸的載體，對于兩者之間的通訊途徑，此次設計采用的是RS-485通信方式，其中智能電表均配置RS-485的通訊接口。集中器內部的核心部件是一個攜帶高精度電能的計量芯片，屬于中心型設備，能夠及時準確地反映集中器本地的各種瞬時信息并完成集中化傳輸，利用RS-485方式實時采集和存儲該區(qū)業(yè)主用電的電壓、電流、功率等數據，并自動對所采集的信息進行科學計算處理，通過GPRS無線傳輸方式將處理后的數據傳送至用電管理系統(tǒng)中心[12]。同時，系統(tǒng)服務器發(fā)送的指令經由通道傳輸至集中器進行命令幀分解，解析成集中器可鑒別的信息，根據信息要求采集相應的數據，并傳輸至系統(tǒng)服務器，實現(xiàn)查詢功能，從而完成信息的雙向透明傳送。另外，集中器可提供設備運行狀態(tài)等信息并進行自檢，對異常及故障事件進行存儲及上報，記錄異常發(fā)生現(xiàn)場的一些重要數據用以后續(xù)的分析處理。

（三）數據采集終端

數據采集終端利用GPRS無線通信技術將采集的信息傳輸至系統(tǒng)中心，也能夠接收系統(tǒng)中心發(fā)出的相關指令并執(zhí)行。終端核心系統(tǒng)采用的是高性能嵌入式AT89C55CMOS單片機，其完整的終端運行程序主要是由通訊模塊、數據采集模塊、信息存儲模塊等構建而成，實現(xiàn)電表數據的讀取、采集和存儲，并與主控中心進行數據交換?；拘畔⒔粨Q配置的是宏電H7118GPRSDTU（Date?Terminal?Unit）產品，通過與后臺中心建立無線雙向數據傳輸來實現(xiàn)用電數據的通訊與傳送。以MAX485為通訊接口芯片，用以接收集中器發(fā)出的相關指令，從數據中心采集所需信息再發(fā)送至用戶設備端。另外，終端可自帶備用儲備電源實現(xiàn)停電數據保護，停電期仍可抄表，同時也能接收到。其中原理實現(xiàn)如圖2。

三、系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分從穩(wěn)定性、先進型、易拓展性、開發(fā)友好性等方面進行綜合考慮，基于系統(tǒng)需求分析，采用將業(yè)主配置分散的多個電表集中到賬戶內進行統(tǒng)一管理的方式，根據用戶不同的身份創(chuàng)建對應的角色賬戶并進行權限設置管理。物業(yè)工作人員基于所劃分的角色登錄相應的賬戶后，系統(tǒng)通過接收電表傳輸的用電能耗數據，實現(xiàn)自動存儲、計算、比較、判定等功能，以便工作人員能夠及時準確地掌握各個業(yè)主的用電情況及用電設備的運行狀態(tài)[13]。同理，業(yè)主公司下也可以有多種角色分類，登錄賬號即可操作對應的業(yè)務。軟件系統(tǒng)整體功能結構如圖3。

將軟件設計進行細分，主要包括3個部分：①物業(yè)Web端程序，主要實現(xiàn)處理每月自動生成的賬單、統(tǒng)計能耗數據，以及追蹤電費和監(jiān)測設備等功能。②業(yè)主端微信小程序，主要完成賬單處理、電費充值、發(fā)票申請、查閱用電量情況及園區(qū)能耗指標排名等操作。③系統(tǒng)數據庫，主要實現(xiàn)功能包含設備信息的存儲與更新、監(jiān)測數據及完成其識別結果的管理與維護等。

（一）物業(yè)Web端程序設計

不同園區(qū)各個企業(yè)樓宇間的空調、照明、電梯、消防等用電分項所產生的能耗數據通過智能硬件接入到系統(tǒng)中，實現(xiàn)與計算機的信息交換和通信[14]。系統(tǒng)Web端是基于業(yè)主局域網，通過在瀏覽器輸入固定的網址進入系統(tǒng)登錄界面，輸入準確的用戶名和密碼，進入首頁以完成待辦的任務事項。物業(yè)端程序主要功能為賬單與電費管理、設備監(jiān)測、發(fā)票和充值審核、能耗分析等。賬單與電費管理可編輯與審核每月自動生成的賬單、協(xié)調設置動態(tài)電價、在線追蹤電費，對于電費余額狀態(tài)為欠費的用戶可以做遠程斷電處理;設備監(jiān)測模塊對所收集的監(jiān)測記錄進行匯總處理，在滿足物業(yè)工程人員無需前往安裝現(xiàn)場的條件下，即可選擇查看各個用電設備的所有實時數據、異常報警及設備連接狀況[15]。

物業(yè)端程序的核心功能展示集中于業(yè)務受理信息管理，物業(yè)用戶在選擇用電查詢模塊后，可篩選查詢條件，其中包括業(yè)主編號、業(yè)主戶名、業(yè)主所在區(qū)，系統(tǒng)會根據查詢條件進行數據庫訪問。除此之外，該模塊還可以對某業(yè)主自入場以來所產生的用電數據進行查詢，例如日用電量、月用電量、年用電量，也可以對整個區(qū)的用電消耗情況進行查詢，并支持數據統(tǒng)計繪圖功能，使得用電觀察具有更加清晰直觀的良好呈現(xiàn)。其功能結構如圖4。

（二）業(yè)主端微信小程序設計

系統(tǒng)在進行線上業(yè)務處理是一個長期雙向的過程，物業(yè)端在發(fā)出指令后，業(yè)主端需要借助工具載體對服務進行反饋與處理，因此，開發(fā)一款高效準確的業(yè)主端程序顯得至關重要。微信小程序作為無需用戶下載安裝，即可使用的技術應用，具有開發(fā)使用成本低、用完即走、運行流暢與內存小巧的優(yōu)勢。目前，園區(qū)入駐企業(yè)的電費賬單更新周期是每月的25日，業(yè)主除了在收到設備異常和催繳電費信息的情況下需要使用小程序以外，平時使用它的頻率較低。采用依賴微信生存的小程序作為業(yè)主端，不僅可以在一定程度上增加用戶的使用黏性，還能在滿足低頻使用需求下幫助用戶節(jié)省手機內存空間。

業(yè)主端小程序的主要功能集中于接收或拒收賬單、繳納電費、用電信息查看管理等。物業(yè)在每個月賬單結算日將經審核完成的賬單發(fā)送至業(yè)主端。業(yè)主管理人員打開小程序錄入用戶名和密碼后，點擊登錄進入首頁，即可看到在首頁屏幕中心出現(xiàn)的賬單彈窗提示，如圖5（a），以便于用戶及時準確高效地對當月賬單進行處理反饋。小程序界面設計包括首頁、消息、低碳圈及我的，如圖5（b）。在首頁選擇需查詢和處理的業(yè)務即可進入相應的功能界面，例如電費充值及賬單查詢、查看申請開票及充值的進度統(tǒng)計電費充值記錄和用電數據等。消息模塊主要完成提示業(yè)主接收賬單、及時查看設備告警信息、提醒監(jiān)督業(yè)主及時繳納電費等工作;低碳圈主要展示業(yè)主的能耗數據，并依據《民用建筑能耗標準》（GB/T51161-2016）進行數據分析計算，基于能耗指標分檔繪制用能指標排名統(tǒng)計圖供業(yè)主查看，用以控制用能總量，并促進所面臨的建筑節(jié)能管理工作;我的包含查看或變更用戶基本信息、幫助和意見反饋、系統(tǒng)退出等。

（三）系統(tǒng)數據庫設計

建立一個適當的數據庫有助于為用戶提供訪問最新的準確信息。結合開發(fā)的用電管理系統(tǒng)，利用SQLSever數據庫管理平臺設計了系統(tǒng)的數據庫，以保證系統(tǒng)業(yè)務功能的順利實現(xiàn)[16]。將數據庫結構分為4個模塊，分別為：基本靜態(tài)信息設置模塊、實時動態(tài)信息更新模塊、實時存儲信息模塊、系統(tǒng)維護管理模塊。主要實現(xiàn)功能為設備初始信息存儲、實時監(jiān)測設備信息、歷史數據存儲和管理等。系統(tǒng)數據庫設計結構如圖6。

1.基本靜態(tài)信息設置模塊

用于園區(qū)電表靜態(tài)信息的配置與管理，購入的電表需經過測試合格后方可投入使用，同時要對這些計量設備進行統(tǒng)一的編號設置，包括入場時間、設備參數、安裝地點計量算法、基本電表信息等[17]。

2.實時更新信息動態(tài)

管理系統(tǒng)設備監(jiān)測界面上實時更新的監(jiān)控數據和識別結果，并對各種計量設備當前狀態(tài)進行初始化設置和動態(tài)參數更改。

3.實時存儲信息

用于歷史數據的存儲及維護，例如，監(jiān)測設備實時用電數據和防竊信息、系統(tǒng)運行狀態(tài)及設備故障記錄等。

4.系統(tǒng)維護

通過建立用戶角色賬號進行密碼識別，例如物業(yè)端的主要用戶是工程部專員、客戶部專員、物業(yè)中高級管理人員。工程部人員熟悉電表的工程操作和電費相關工作，客戶部專員熟悉電費收取業(yè)務的工作。基于不同的角色進行業(yè)務權限設置，用以保證特定角色只能在被允許的范圍內進行功能操作。

采用數據庫技術可以實現(xiàn)對整個用電系統(tǒng)信息數據的有效管理，不僅效率高并且數據偏差率低、安全可靠、使用維護方便，有較好的管理體驗，為后續(xù)的業(yè)務數據分析處理打下了良好的基礎。本系統(tǒng)數據庫服務流程如圖7。

結論

能耗用電管理涉及到用戶的切身利益和需求，其引發(fā)的問題易導致較高的社會效應。園區(qū)智慧用電管理系統(tǒng)設計提供并構建了一種穩(wěn)定可靠、高效安全的管理平臺及實現(xiàn)方法，整體縮減了用電管理的總成本，提高了園區(qū)服務工作效率與智能化水平。提出系統(tǒng)的整體管理結構設計，主要包含了電費賬單業(yè)務模塊、設備監(jiān)測模塊、數據統(tǒng)計分析模塊，分析了各模塊的主要功能。為了解決不同用電分項下多電表管理混亂以及企業(yè)拖欠電費的問題，提出建立“角色賬戶”進行分管的思路進行構建設計，為園區(qū)系統(tǒng)用戶提供實時可靠的用電信息，以遠程控電的短信提醒方式監(jiān)督企業(yè)繳納電費。該系統(tǒng)還可向氣、熱、水表計量與抄表管理、重要設備運維管理等領域擴展，并最終為未來實現(xiàn)建立“智能化園區(qū)”提供一定的借鑒和參考，具有較強的應用價值。。

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