浅谈物流中心园区智慧用电系统的设计

浅谈物流中心园区智慧用电系统的设计

张颖姣

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

摘 要：烟草物流配送中心储存的卷烟具有价值高、易燃等特点，因此加强烟草物流配送中心的防火是安防的重要工作之一。本文提出一种基于物联网的智慧用电系统，应用于物流中心园区，该系统由感知终端层网络层应用层交百层组成。通过物联网技术对物流中心园区电气量进行数据跟踪与统计分析及时地发现电气线路和用电设备的异常并上送报警信息，工作人员通过交互层远程控制用电设备，达到消除潜在安全隐患的目的，实现用电设备的智能化管理。通过开展在功能性、非功能性、性能以及应用场景等方面的实验验证和试点建设，表明了该系统可以实时地监控用电设备，有效地提升了用电设备的安全性、可靠性，降低了用电设备的事故发生率。

关键词：烟草物流配送中心:物联网；云计算；智慧用电；智能型电路保护空开。

0引言

根据国家及国家烟草总局颁布的节能减排、 降本增效指导思想，在智能制造新时代的带领下，烟草物流中心应以创新利国家建设带领和支撑升级发展,推进现代物流建设。加快建设智慧物流提升仓储智能化水平实现智能化数据化，充分融合国家智能制造大方向。智慧物流指的是以信息技术为支撑,在物流的运输、仓储、包装、装卸搬运、流通加工配送、信息服务等各个环节实现智能化，就卷烟物流配送中心而言仓储、分拣作为核心业务，涉及诸多设备、信息、管理等方面数据，为建设智能合储提供了基础。在一系列智能化改造过程中增加了大量的自动化设备提高工作效率的同时也增加了电气设备引发火灾的风险。因此，如何规避这些风险是从业者值得思考的问题。

近年来,物联网、云计算和大数据技术在信息技术方面取得了长足的进步,不少学者利用这些技术实现了设备的智慧化管理。文献[2]提出了基于云技术和物联网的绿色中心空调系统，实现了环境监测、空调、通风和温度控制等功能，有效地降低了机房的能耗。文献[3]通过使用物联网技术对燃煤火电厂中的人员管控、缺陷识别、门禁系统等方面进行改进和升级，以提高安全水平和效率。文献[4]通过试验证明了LoRaWan电力物联网的架构可以对建筑能耗实现可观的降低。文献[5]通过物联网技术、大数据技术等新兴技术搭建一个智慧用电监控系统，对电气参数进行监控和报警，从而达到预警电气火灾的目的。

在上述背景下，本文提出一种基于物联网的智慧用电系统,通过物联网技术对物流中心园区电气量进行数据跟踪与统计分析，及时地发现电气线路和用电设备的异常并上送报警信息，工作人员通过交互层远程控制用电设备,达到消除潜在安全隐患的目的,实现用电设备的智能化管理。*后通过实验和试点建设验证了该系统可以实时地监控用电设备，有效地提升了烟草物流配送中心用电设备的安全性、可靠性，降低了用电设备的事故发生率。
1物联网技术

如图1所示“物联网”(InternetofThings)是一个集合感知网、传感网、互联网的网络，它通过各种信息传感装置将现实物品与网络进行连接。使用互联网技术的目的就是让所有的现实物品与网络进行连接，可以在网络上对物品进行自动、实时地定位、识别、监控等。因此物联网主要有射频识别技术、传感器技术、智能技术和纳米技术这四个关键性应用技术。

 

RFID

射频识别技术(Radio FrequencyIdentification RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无需人工干预，可工作于各种恶劣环境，同时射频识别技术可以识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。射频识别技术目前可以和大数据技术、云计算等结合，可以更好地应用到物联网上。

1.2传感器技术

传感器网络主要包括感应通讯、计算三个方面,主要技术为无线数据库技术和用于其他传感器通讯的网络技术，特别是多次跳跃路由协议。通过感知识别技术让物品可以清晰地表达自己所代表的信息。传感器网络可以说是物联网的眼睛和耳朵,负责感知海量信息。

1.3智能技术

采用智能技术，使得物品具有一定的智能性。能够主动或者被动地实现与人沟通，甚至实现物品与物品之间的沟通，是物联网的关键技术之一。作为支撑物联网的关键技术，主要的研究方向和内容包括人工智能理论研究、先进的人机交互技术与系统、智能控制技术与系统、智能信号处理。

1.4纳米技术

当前电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。其中,更小指的是响应速度要快更冷指的是单个器件的功耗要小。纳米技术是建设者的*后疆界。它的影响是巨大的， 纳米技术为物联网技术提供了一个更加广活的平台。让物联网可以拓展到更小体积的物品上。在传统中使用传感器技术就能检测到物体的信息。物体中的嵌人式智能技术能够通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力，而纳米技术的优势意味着物联网当中体积越来越小的物体能够进行交互和连接。
2智慧用电系统架构设计 2.1智慧烟草物联网系统概念
智慧烟草物联网系统以先进的传感器 物联网、云计算、大数据、人工智能等先进信息技术为基础,由智能型设备设施、监测预警系统、有线/无线传输系统、智能控制系统、云平台及移动APP组成通过对烟草物流中心园区的各项用电设备设施的温度信息、电压电流信息等进行统一化监控与管理构安全体系标准体系评价体系预警体系、科学指导体系为主的网络化、一体化智能监管平台。实现对物流中心园区的安全用电情况的智能监测报警与远程可控管理，对各用电回路的重要安全指标参数进行实时监测与报警，对各种危险用电行为进行预警和保护并在智慧用电安全监管与中能管理平台中对以上异常警情进行远程管理,将安全用电事故预防在前，管控在事中。

烟草物流配送中心属于重要物资防范部位其具有储存卷烟价值高和卷烟的易燃性等特点，加强烟草物流配送中心的防火是安防防范中重要的工作，电气火灾发生主要原因如图2所示。纳人服务范围的设备能通过物联网技术对电气引发火灾的主要因素进行不间断的数据跟踪与统计分析。实时发现电气线路和用电设备存在的安全隐患，有效防止电气火灾的发生，将发现的安全隐患即时发送预警信息，达到消除潜在安全隐患的目的，实现自动化、精细化的能源管理、控制、决策。

 

2.2智慧用电系统架构

本文设计的智慧用电系统架构如图3所示。智慧用电系统的架构可以划分为四个层次:感知终端层、网络层、应用层、交互层。

感知终端层主要作用是信息感知与采集，主要包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器。RFID标签、电压电流传感器等，是智慧用电系统的底层部分。技术方面，绝大部分传感器技术基本成熟，可以做到实时在线精准探测，但在低压断路器方面却是无法很好的满足系统智慧用电管理的需求。

低压断路器是低压配电系统中*重要的开关电器设备之一，在供配电系统中起着供配电线路的控制和故障保护的作用，对电网的安全，稳定以及经济运行起着十分重要的作用。针对烟草物流配送中心储存卷烟具有价值高、易燃等特点，需要加强防火工作，因此本文提出和设计了一种智能型电路保护空开(即俗称的“空气开关”)来替代微型断路器，从而解决传统空开安全效率低、无法配合智慧用电系统的问题，提高烟草物流配送中心用电的安全性。

 

网络层的作用是连接感知终端层和应用层。 该层是智慧烟草用电的神经中枢，该层将感知终端层采集的各类信息通过网络进行汇总，通过各种传输方式将各种设备设施信息传到智慧用电安全监管与电能管理云平台数据库。随着无线传输技术的不断发展，本系统摒弃传统有线组网方式，采用有线/无线相结合的组网方式来建设智慧用电系统，提高系统安全性。

应用层主要是将网络层采集到的数据进行储存、可视化以及对各终端设备远程控制，实现智能检测、监控、报警等功能。本系统摒弃传统主机客户端的模式，采用Web技术将系统部署在云平台上，具有简洁、高效等优点。

交互层主要作用为搭建值班人员工作站和移动APP等人机交互模式，让工作人员能对各种用电危险和行为可以及时做出判断、处理以及工作备案等。

2.3智慧用电系统创新性功能

（1）一键上电、一键断电：智慧电箱可通过中心智能安全用电管理平台软件，对前端分时、分区设备实现一键上电、一键断电等远程快速操控功能，避免因下班忘记关闭电源造成的过多浪费和安全隐患。

（2）定期生成用电情况报表：中心智能安全用电管理平台可按区域、定期生成用电量统计、报警。信息等数据报表并呈现对应的曲线图，可直观显示某时间段区域的用电情况。
（3）智慧芯片监测、机电控制：智慧电源管理模块内置机械控电装置和数字化控制芯片，实现对每一回路的智能断路控电功能，可实现在数字芯片故障状态下，各智慧电源管理模块依旧保留短路保护、漏电保护等用电保护功能。

（4）线路高效灭弧：智慧电源管理模块采用13 片灭弧栅，可有效灭弧，预防电气火灾。智慧电源管理模块采用高熔点动/静银触点设计、高等级灭弧装置、紫铜接线端子，具有电子轻触式按键开关与机械手柄双重控制机构的手自一体化设计，采用高规格防火阻燃外壳材料。

（5）国际标准规格、组网设计:智慧电源管理模块外观尺寸均采用国际统一标准，标准的导轨式安装，针插式通讯连接,通讯即插即拔，各智能模块可任意排列，灵活配置,便于安装维护。

（7）智能分断、自动送电：智慧电源管理模块具有过流过载保护功能，超过额定电流35%的状态下,5s断路;超过额定电流100%的状态下，Is断路; 漏电检测断电10s后自动送电。

（8）全方位线路监控:智慧电源管理系统通过对每一回路的漏电流、电压、电流、功率、开关温度、用电量、回路线路打火等参数进行实时监控，经由网络模块上传到云平台，实现管理中心对网点线路状况一目了然的远程监控(可扩展到手机监控)o

（9）远程控制线路通断：监控中心对前端配电箱各回路的供电状况实时掌控，一旦发现异常报警，为保障人员的生命安全和国家、单位财产安全, 可远程对前端异常回路进行远程控制断闸或故障恢复后的合闸，将事故所引的损失减少到*小。

（10）智慧化管理:智慧化、物联网化的电源管理解决方案，可灵活的设定电源管理系统的工作计划、用量计划、分时分区供电、用量统计情况、各种异常及报警情况，并以丰富的图表形式呈现、分析岀安全用电的情况，为管理提供丰富详细的决策依据,实现轻松管理、智慧管理。如图4所示。

2.4智慧用电系统功能特性

（1）高度集成性：在终端层将电源的各种参数监测与管理集成在一套智慧电源箱内，系统可以实现所有智能化监测、管理、报警、控制等功能，实现高度集成的电源智慧管理。

 

图4平台多途径推送用电状态

高可靠性:在智慧电源箱内置防雷模块，具有可靠的防雷接地保护；对过流、过温、过载、超负荷、短路、缺相等危险用电行为进行预警和保护，对线路接头打火情况进行预警。

实时监控性：系统可对每一用电回路的电流、电压、功率、接头温度等用电指标参数情况进行实时监测与报警。

（4）易管理性：电源自控技术、物联网技术与报 警技术的集成，系统具有远程实时监测、控制、 报警、管理功能。集中管理、多级联网、分析决策, 为客户实现了安全用电、规范用电、节能用电、智慧用电的智能化管理。

（5）降低能耗、节能减排:对每一回路灵活设置分区、分时供电管理，以适应前端各种长期、临时、 营业、非营业等情况下的供电需求，可对每一回路设置定时供电管理，减少不必要电力消耗。

（6）易维护性：前端设备单路故障断电不影响其他回路工作，系统维护方便，即装即用，简化维护工作。

（7）高兼容性：安防工程的安全性和可靠性很 大程度上取决于所选设备的性能、质量。但高质量设备组合在一起，并不一定能构成高质量的系统，根据实际情况考虑设备相互间的兼容性，以保证系统的正常运行。

此外本系统还有着可扩展、操作简便、易于掌握等特点。

3 试点应用分析

为了验证本系统的有效性和适应性，广西壮族自治区某公司自2021年9月起便从系统功能、性能、非功能性和实际应用性四方面开展了实验验证和现场的试点建设。试点建设分为试点推广阶段、分区域试点推广阶段、全物流中心园区推广阶段三个阶段，经过三个阶段的应用与推广，验证了本文所提的智慧用电系统具有良好的稳定性。
首先对物流中心所有用电设备、设施的功率、 电压电流等资料进行调研和收集；然后向市场采购已有的物联网用电模块进行更换配电箱的空开模块;接着根据项目物流中心联合工房的设备使用情况调整物联网智慧用电模块的灵敏度、各种阀值等参数，同时设计烟草专用物联网智慧用电管理平台软件;*后通过调正参数和运行测试，在线实时监 测所有用电情况，反复调试后，选取安全、优质、稳定、可靠的参数方案写入硬件用电模块，完成物联网智慧用电管理平台的开发，*终实现对该烟草公司物流园区重要用电设备设施的智能化监测、管理、预警、控制等功能，实现高度集成的电源智慧管理。本文开发实现的智慧用电系统性能测试结果如表1所示。

（1）数据刷新响应时间：用户使用浏览器访问智慧用电系统云平台，等待时间远小于Is,人机交互页面上数据实时刷新的平均响应时间为250ms, 数据采集的实时性好，信息交互效率高，无响应超时，一旦发现安全隐患，系统能迅速进行报警。

（2）负载量：人机交互子系统能承受被200个以上用户同时访问。

（3）远程控制时间：对于设备的远程合闸分闸平均响应时间为362ms,响应时间快,无响应超时。

经测试能较好的实现对物流中心联合工房电气量进行数据跟踪与统计分析，及时地发现电气线路和用电设备的异常并上送报警信息，降低工房安 全隐患，实现智能化管理。与传统管理方式相比, 智慧管理方式人员管理成本降低了15%左右，用电安全系数提高了50%,物流中心园区用电安全、节能、结构得到了进一步优化和提升。综上所述，本文所提的智慧用电系统具有响应速度快、数据交互效率高、人机交互界面友好、负载量高、远程控制迅速准确等特点，在提高了物流配送中心用电安全的同时，提升了经济效益。
4安全用电管理云平台
4.1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，给国家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自主研发的剩余电流互感器、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，指导企业实现第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。

4.2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、国家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。
4.3系统架构

本平台的整体结构如图所示：
 

5.系统功能
 

6.产品选型

 

序号	名称	型号、规格	单位	备注
1	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。	套	单相
2	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。	套	单相
3	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。	只	三相
4	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。	套	三相
5	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。	套	三相
6	无线传输模块 AF-GSM400-4G	下行485上行4G，内嵌TCP/IP协议，内置看门狗，性能稳定，需加SIM卡，SIM卡甲供	只	安科瑞
7	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。	只	安科瑞
8	故障电弧探测器AAFD-40	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	只	安科瑞

 

典型配置方
7.1 ARCM300系列仪表直连平
a）配置方案

 

 

 

说明：ARCM300-Z-4G和ARCM300-ZD-4G直接上传到平台。
b）安装实例

 

7.2 ARCM300系列仪表接入网关上传到平台

a）配置方案
 

 

说明：arcm系列仪表通过485接口连接网关，由网关上传到平台，一个网关下面可以接入30块仪表

b）安装实例

 

7.3故障电弧探测器和灭弧式保护器接入平台

配置方案

 

 

 

说明：故障电弧探测器和灭弧式保护器通过485接口连接网关，由网关上传到平台，一个网关下面可以接入30块设备。

安装实例

 

 

 

审核编辑 黄宇