淺談物流中心園區智慧用電系統的設計

摘 要：煙草物流配送中心儲存的卷煙具有價值高、易燃等特點，因此加強煙草物流配送中心的防火是安防的重要工作之一。本文提出一種基于物聯網的智慧用電系統，應用于物流中心園區，該系統由感知終端層網絡層應用層交百層組成。通過物聯網技術對物流中心園區電氣量進行數據跟蹤與統計分析及時地發現電氣線路和用電設備的異常并上送報警信息，工作人員通過交互層遠程控制用電設備，達到消除潛在安全隱患的目的，實現用電設備的智能化管理。通過開展在功能性、非功能性、性能以及應用場景等方面的實驗驗證和試點建設，表明了該系統可以實時地監控用電設備，有效地提升了用電設備的安全性、可靠性，降低了用電設備的事故發生率。

關鍵詞：煙草物流配送中心:物聯網；云計算；智慧用電；智能型電路保護空開。

0引言

根據國家及國家煙草總局頒布的節能減排、 降本增效指導思想，在智能制造新時代的帶領下，煙草物流中心應以創新利國家建設帶領和支撐升級發展,推進現代物流建設。加快建設智慧物流提升倉儲智能化水平實現智能化數據化，充分融合國家智能制造大方向。智慧物流指的是以信息技術為支撐,在物流的運輸、倉儲、包裝、裝卸搬運、流通加工配送、信息服務等各個環節實現智能化，就卷煙物流配送中心而言倉儲、分揀作為核心業務，涉及諸多設備、信息、管理等方面數據，為建設智能合儲提供了基礎。在一系列智能化改造過程中增加了大量的自動化設備提高工作效率的同時也增加了電氣設備引發火災的風險。因此，如何規避這些風險是從業者值得思考的問題。

近年來,物聯網、云計算和大數據技術在信息技術方面取得了長足的進步,不少學者利用這些技術實現了設備的智慧化管理。文獻[2]提出了基于云技術和物聯網的綠色中心空調系統，實現了環境監測、空調、通風和溫度控制等功能，有效地降低了機房的能耗。文獻[3]通過使用物聯網技術對燃煤火電廠中的人員管控、缺陷識別、門禁系統等方面進行改進和升級，以提高安全水平和效率。文獻[4]通過試驗證明了LoRaWan電力物聯網的架構可以對建筑能耗實現可觀的降低。文獻[5]通過物聯網技術、大數據技術等新興技術搭建一個智慧用電監控系統，對電氣參數進行監控和報警，從而達到預警電氣火災的目的。

在上述背景下，本文提出一種基于物聯網的智慧用電系統,通過物聯網技術對物流中心園區電氣量進行數據跟蹤與統計分析，及時地發現電氣線路和用電設備的異常并上送報警信息，工作人員通過交互層遠程控制用電設備,達到消除潛在安全隱患的目的,實現用電設備的智能化管理。*后通過實驗和試點建設驗證了該系統可以實時地監控用電設備，有效地提升了煙草物流配送中心用電設備的安全性、可靠性，降低了用電設備的事故發生率。
1物聯網技術

如圖1所示“物聯網"(InternetofThings)是一個集合感知網、傳感網、互聯網的網絡，它通過各種信息傳感裝置將現實物品與網絡進行連接。使用互聯網技術的目的就是讓所有的現實物品與網絡進行連接，可以在網絡上對物品進行自動、實時地定位、識別、監控等。因此物聯網主要有射頻識別技術、傳感器技術、智能技術和納米技術這四個關鍵性應用技術。

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1. RFID

  射頻識別技術(Radio FrequencyIdentification RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別過程無需人工干預，可工作于各種惡劣環境，同時射頻識別技術可以識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。射頻識別技術目前可以和大數據技術、云計算等結合，可以更好地應用到物聯網上。

  1.2傳感器技術

  傳感器網絡主要包括感應通訊、計算三個方面,主要技術為無線數據庫技術和用于其他傳感器通訊的網絡技術，特別是多次跳躍路由協議。通過感知識別技術讓物品可以清晰地表達自己所代表的信息。傳感器網絡可以說是物聯網的眼睛和耳朵,負責感知海量信息。

  1.3智能技術

  采用智能技術，使得物品具有一定的智能性。能夠主動或者被動地實現與人溝通，甚至實現物品與物品之間的溝通，是物聯網的關鍵技術之一。作為支撐物聯網的關鍵技術，主要的研究方向和內容包括人工智能理論研究、先進的人機交互技術與系統、智能控制技術與系統、智能信號處理。

  1.4納米技術

  當前電子技術的發展趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷。其中,更小指的是響應速度要快更冷指的是單個器件的功耗要小。納米技術是建設者的*后疆界。它的影響是巨大的， 納米技術為物聯網技術提供了一個更加廣活的平臺。讓物聯網可以拓展到更小體積的物品上。在傳統中使用傳感器技術就能檢測到物體的信息。物體中的嵌人式智能技術能夠通過在網絡邊界轉移信息處理能力而增強網絡的威力，而納米技術的優勢意味著物聯網當中體積越來越小的物體能夠進行交互和連接。
  2智慧用電系統架構設計 

  2.1智慧煙草物聯網系統概念
  智慧煙草物聯網系統以先進的傳感器 物聯網、云計算、大數據、人工智能等先進信息技術為基礎,由智能型設備設施、監測預警系統、有線/無線傳輸系統、智能控制系統、云平臺及移動APP組成通過對煙草物流中心園區的各項用電設備設施的溫度信息、電壓電流信息等進行統一化監控與管理構安全體系標準體系評價體系預警體系、科學指導體系為主的網絡化、一體化智能監管平臺。實現對物流中心園區的安全用電情況的智能監測報警與遠程可控管理，對各用電回路的重要安全指標參數進行實時監測與報警，對各種危險用電行為進行預警和保護并在智慧用電安全監管與中能管理平臺中對以上異常警情進行遠程管理,將安全用電事故預防在前，管控在事中。

  煙草物流配送中心屬于重要物資防范部位其具有儲存卷煙價值高和卷煙的易燃性等特點，加強煙草物流配送中心的防火是安防防范中重要的工作，電氣火災發生主要原因如圖2所示。納人服務范圍的設備能通過物聯網技術對電氣引發火災的主要因素進行不間斷的數據跟蹤與統計分析。實時發現電氣線路和用電設備存在的安全隱患，有效防止電氣火災的發生，將發現的安全隱患即時發送預警信息，達到消除潛在安全隱患的目的，實現自動化、精細化的能源管理、控制、決策。

  2.2智慧用電系統架構

  本文設計的智慧用電系統架構如圖3所示。智慧用電系統的架構可以劃分為四個層次:感知終端層、網絡層、應用層、交互層。

  感知終端層主要作用是信息感知與采集，主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器。RFID標簽、電壓電流傳感器等，是智慧用電系統的底層部分。技術方面，絕大部分傳感器技術基本成熟，可以做到實時在線精準探測，但在低壓斷路器方面卻是無法很好的滿足系統智慧用電管理的需求。

低壓斷路器是低壓配電系統中*重要的開關電器設備之一，在供配電系統中起著供配電線路的控制和故障保護的作用，對電網的安全，穩定以及經濟運行起著十分重要的作用。針對煙草物流配送中心儲存卷煙具有價值高、易燃等特點，需要加強防火工作，因此本文提出和設計了一種智能型電路保護空開(即俗稱的“空氣開關")來替代微型斷路器，從而解決傳統空開安全效率低、無法配合智慧用電系統的問題，提高煙草物流配送中心用電的安全性。

  網絡層的作用是連接感知終端層和應用層。 該層是智慧煙草用電的神經中樞，該層將感知終端層采集的各類信息通過網絡進行匯總，通過各種傳輸方式將各種設備設施信息傳到智慧用電安全監管與電能管理云平臺數據庫。隨著無線傳輸技術的不斷發展，本系統摒棄傳統有線組網方式，采用有線/無線相結合的組網方式來建設智慧用電系統，提高系統安全性。

  應用層主要是將網絡層采集到的數據進行儲存、可視化以及對各終端設備遠程控制，實現智能檢測、監控、報警等功能。本系統摒棄傳統主機客戶端的模式，采用Web技術將系統部署在云平臺上，具有簡潔、高效等優點。

  交互層主要作用為搭建值班人員工作站和移動APP等人機交互模式，讓工作人員能對各種用電危險和行為可以及時做出判斷、處理以及工作備案等。

  2.3智慧用電系統創新性功能

 （1）一鍵上電、一鍵斷電：智慧電箱可通過中心智能安全用電管理平臺軟件，對前端分時、分區設備實現一鍵上電、一鍵斷電等遠程快速操控功能，避免因下班忘記關閉電源造成的過多浪費和安全隱患。

 （2）定期生成用電情況報表：中心智能安全用電管理平臺可按區域、定期生成用電量統計、報警。信息等數據報表并呈現對應的曲線圖，可直觀顯示某時間段區域的用電情況。
 （3）智慧芯片監測、機電控制：智慧電源管理模塊內置機械控電裝置和數字化控制芯片，實現對每一回路的智能斷路控電功能，可實現在數字芯片故障狀態下，各智慧電源管理模塊依舊保留短路保護、漏電保護等用電保護功能。

 （4）線路高效滅弧：智慧電源管理模塊采用13 片滅弧柵，可有效滅弧，預防電氣火災。智慧電源管理模塊采用高熔點動/靜銀觸點設計、高等級滅弧裝置、紫銅接線端子，具有電子輕觸式按鍵開關與機械手柄雙重控制機構的手自一體化設計，采用高規格防火阻燃外殼材料。

 （5）國際標準規格、組網設計:智慧電源管理模塊外觀尺寸均采用國際統一標準，標準的導軌式安裝，針插式通訊連接,通訊即插即拔，各智能模塊可任意排列，靈活配置,便于安裝維護。

 （6）智能分斷、自動送電：智慧電源管理模塊具有過流過載保護功能，超過額定電流35%的狀態下,5s斷路;超過額定電流100%的狀態下，Is斷路; 漏電檢測斷電10s后自動送電。

 （7）全面線路監控:智慧電源管理系統通過對每一回路的漏電流、電壓、電流、功率、開關溫度、用電量、回路線路打火等參數進行實時監控，經由網絡模塊上傳到云平臺，實現管理中心對網點線路狀況一目了然的遠程監控(可擴展到手機的監控)o

 （8）遠程控制線路通斷：監控中心對前端配電箱各回路的供電狀況實時掌控，一旦發現異常報警，為保障人員的生命安全和國家、單位財產安全, 可遠程對前端異常回路進行遠程控制斷閘或故障恢復后的合閘，將事故所引的損失減少到*小。

 （9）智慧化管理:智慧化、物聯網化的電源管理解決方案，可靈活的設定電源管理系統的工作計劃、用量計劃、分時分區供電、用量統計情況、各種異常及報警情況，并以豐富的圖表形式呈現、分析岀安全用電的情況，為管理提供豐富詳細的決策依據,實現輕松管理、智慧管理。如圖4所示。

  2.4智慧用電系統功能特性

 （1）高度集成性：在終端層將電源的各種參數監測與管理集成在一套智慧電源箱內，系統可以實現所有智能化監測、管理、報警、控制等功能，實現高度集成的電源智慧管理。

  圖4平臺多途徑推送用電狀態

  高可靠性:在智慧電源箱內置防雷模塊，具有可靠的防雷接地保護；對過流、過溫、過載、超負荷、短路、缺相等危險用電行為進行預警和保護，對線路接頭打火情況進行預警。

  實時監控性：系統可對每一用電回路的電流、電壓、功率、接頭溫度等用電指標參數情況進行實時監測與報警。

 （4）易管理性：電源自控技術、物聯網技術與報 警技術的集成，系統具有遠程實時監測、控制、 報警、管理功能。集中管理、多級聯網、分析決策, 為客戶實現了安全用電、規范用電、節能用電、智慧用電的智能化管理。

 （5）降低能耗、節能減排:對每一回路靈活設置分區、分時供電管理，以適應前端各種長期、臨時、 營業、非營業等情況下的供電需求，可對每一回路設置定時供電管理，減少不必要電力消耗。

 （6）易維護性：前端設備單路故障斷電不影響其他回路工作，系統維護方便，即裝即用，簡化維護工作。

 （7）高兼容性：安防工程的安全性和可靠性很 大程度上取決于所選設備的性能、質量。但高質量設備組合在一起，并不一定能構成高質量的系統，根據實際情況考慮設備相互間的兼容性，以保證系統的正常運行。

此外本系統還有著可擴展、操作簡便、易于掌握等特點。

  3 試點應用分析

  為了驗證本系統的有效性和適應性，廣西壯族自治區某公司自2021年9月起便從系統功能、性能、非功能性和實際應用性四方面開展了實驗驗證和現場的試點建設。試點建設分為試點推廣階段、分區域試點推廣階段、全物流中心園區推廣階段三個階段，經過三個階段的應用與推廣，驗證了本文所提的智慧用電系統具有良好的穩定性。
  首先對物流中心所有用電設備、設施的功率、 電壓電流等資料進行調研和收集；然后向市場采購已有的物聯網用電模塊進行更換配電箱的空開模塊;接著根據項目物流中心聯合工房的設備使用情況調整物聯網智慧用電模塊的靈敏度、各種閥值等參數，同時設計煙草專用物聯網智慧用電管理平臺軟件;*后通過調正參數和運行測試，在線實時監 測所有用電情況，反復調試后，選取安全、優質、穩定、可靠的參數方案寫入硬件用電模塊，完成物聯網智慧用電管理平臺的開發，*終實現對該煙草公司物流園區重要用電設備設施的智能化監測、管理、預警、控制等功能，實現高度集成的電源智慧管理。本文開發實現的智慧用電系統性能測試結果如表1所示。

 （1）數據刷新響應時間：用戶使用瀏覽器訪問智慧用電系統云平臺，等待時間遠小于Is,人機交互頁面上數據實時刷新的平均響應時間為250ms, 數據采集的實時性好，信息交互效率高，無響應超時，一旦發現安全隱患，系統能迅速進行報警。

 （2）負載量：人機交互子系統能承受被200個以上用戶同時訪問。

 （3）遠程控制時間：對于設備的遠程合閘分閘平均響應時間為362ms,響應時間快,無響應超時。

  經測試能較好的實現對物流中心聯合工房電氣量進行數據跟蹤與統計分析，及時地發現電氣線路和用電設備的異常并上送報警信息，降低工房安 全隱患，實現智能化管理。與傳統管理方式相比, 智慧管理方式人員管理成本降低了15%左右，用電安全系數提高了50%,物流中心園區用電安全、節能、結構得到了進一步優化和提升。綜上所述，本文所提的智慧用電系統具有響應速度快、數據交互效率高、人機交互界面友好、負載量高、遠程控制迅速準確等特點，在提高了物流配送中心用電安全的同時，提升了經濟效益。
  4安全用電管理云平臺
  4.1概述
  隨著社會經濟的迅速發展，建筑電氣火災發生的頻率也呈上升勢頭，給國家財產和人民的生命安全造成的損失與日俱增，據統計，電氣隱患是引發建筑火災的首要因素。

  安科瑞電氣推出的安全用電管理云平臺采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現第一時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現“防患于未然"的目的。

  用戶可以利用PC網頁、手機APP、微信小程序、微信公眾號等多種方式實現對平臺的訪問，查詢包括系統信息、實時數據、報警記錄等在內的各種信 息，使用方便。利用該系統為用戶提供的低成本專業服務，能有效提升企業的消防安全管理和電氣設備安全水平，有效防范重大惡性火災財產損失、尤其是重大惡性人員傷亡責任事故的發生。

  4.2應用場所

  本平臺適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛生、金融、電信等領域，也適用于市場、門店等小微場所，對分散在建筑內的探測器進行遙測、遙調、遙控、遙信，方便實現監控與管理。
  4.3系統架構

  本平臺的整體結構如圖所示：

  5.系統功能

  6.產品選型

  7.2 ARCM300系列儀表接入網關上傳到平臺

  a）配置方案

  說明：arcm系列儀表通過485接口連接網關，由網關上傳到平臺，一個網關下面可以接入30塊儀表

  b）安裝實例

  7.3故障電弧探測器和滅弧式保護器接入平臺

1. 配置方案

  說明：故障電弧探測器和滅弧式保護器通過485接口連接網關，由網關上傳到平臺，一個網關下面可以接入30塊設備。

1. 安裝實例

  8.典型業績

  中鐵某局安全用電管理云平臺

  云南玉溪某電力安全用電管理云平臺

  某地強制戒毒所智慧用電氣火災監控系統

  響水某畜牧改造安全用電管理系統

  天津某電子有限公司安全用電管理云平臺

  某冰川遺跡陳列館安全用電管理云平臺

  承德某網絡科技有限公司安全用電管理云平臺

  復旦大學某校區安全用電

  廣東某能源科技有限公司安全用電管理云平臺

  湖南某智慧消防科技有限公司安全用電管理云平臺


  9結束語

  電氣火災往往具有很強的隱蔽性，通過人工觀 察較難發現，一旦發生火災，煙草物流中心工作人員的生命財產安全將受到巨大威脅。本文為消除煙草物流配送中心潛在的安全隱患，設計和開發了煙草專用物聯網智慧用電管理云平臺系統。

  同時，以物聯網技術的輕簡化、實用化以及運營成本低為前提，以成熟技術和產品作為支撐，針對性的根據物流中心園區用電設備提岀技術集成方案,具有很強的安全性。智慧用電系統能在火災事故初期發岀警報，即使沒有工作人員值班也能通過手機APP發出對應事故警報(如開關漏電、線路過載等)，適宜于煙草行業所有的用電設備并進行推廣。

  參考文獻

  [1] 鐘亮，陳超艷，彭云俊.煙草物流配送中心智能倉儲探索.物流技術與應用201924(12):155-156

  [2] 張成挺，王文娟.基于物聯網的智能溫度控制節能機房研究

  [3]趙俊杰，馮樹臣馬克等基于泛在電力物聯網技術的智慧電廠安全管控一體化應用

  [4]李和芮，姚彬，邱德師.基于物聯網的物流中心園區智慧用電系統研究

  [5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.