一种工地现场的施工用电节能管理控制系统的制作方法

1.本发明属于用电管理技术领域，尤其涉及一种工地现场的施工用电节能管理控制系统。


背景技术：

2.目前的工程项目中的电能管理主要以人工巡检记录统计分析的方式为主，存在以下问题：（1）电能数据监测的准确性以及时效性低，存在安全隐患，且受主观影响较大，采用人工巡检记录方式可能出现记录疏忽与错误，只能记录各个巡检时间点数据，并不能反映整体电能特性曲线，对后续电能调度与分析的指导意义不强；（2）基于这种人工巡检记录统计分析的管理方式，当电气故障发生时只能通过断路器与漏保对故障电路断开以进行保护，缺乏有效的报警机制，往往故障发生很长一段时间才被管理人员发现，这对之后的电气检修和维护十分不利。
3.目前工地用电智慧化管理系统的研究正处于起步阶段，还没有形成较为成熟的信息化管理模式，现阶段已有的建筑工程用电管理系统主要以电力参数的统计与展示为导向，功能单一，缺少对数据的科学化分析与决策；而且现阶段已有的建筑工程用电管理系统缺乏对临时用电安全的信息化追踪与管控，工地现场主要的电气事故 40%以上是由于现场临时用电不规范导致的，如私拉乱接、线路虚搭、未按设备容量要求接线等，发生故障后很难进行溯源。
4.另外，现阶段已有的建筑工程用电管理系统只对电流电压等参数进行采样，缺乏对配电柜所处环境情况的监测，现阶段已有的建筑工程用电管理系统多采用有线形式传输，部署安装的成本较高，且大多采用远端逻辑控制模式，当施工现场出现严重安全隐患事故时，往往由于信号传输的延时性导致不能第一时间做出响应。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种工地现场的施工用电节能管理控制系统，能够对施工用电数据进行科学化分析与决策，实现全方位工地用电安全管理，减少项目施工过程中能耗的浪费，智能化程度高且实时性好。
6.本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
7.一种工地现场的施工用电节能管理控制系统，包括相互连接的用电管理模块和系统单元，用电管理模块包括采集单元、控制单元、传输单元，采集单元包括智能电表和电柜状态采集传感器，控制单元包括plc、模拟量采集模块、数字量采集模块、负载检测单元、以太网模块、扩展通讯模块，传输单元包括dtu和通讯电缆；系统单元综合处理采集单元采集到的数据，基于云端实现电能数据可视化展示、施工能耗管控、非施工时间现场设备管理、照明负荷调整、电气故障检修管理。
8.进一步地，所述电柜状态采集传感器用于采集配电柜状态参数数据，包括温度传
感器、露点传感器、光照传感器、扬尘传感器、电流传感器，电柜状态采集传感器采集的数据以电流信号的形式输入至控制单元的模拟量采集模块中，经plc通过指令读出，并存储于plc内部专用寄存器中；智能电表用于采集配电柜下级线路中用电设备电力参数数据，智能电表检测的数据传递至控制单元中，并存储于plc内部专用寄存器中，用于供负载检测单元使用；plc内部预设有阈值参数，采集单元采集到的各参数数据超过相应的阈值范围时，plc输出控制指令至相应的末端设备。
9.进一步地，所述传输单元的核心处理器件为dtu，dtu通过rs485基于modbus协议与plc数据互通，将plc内部专用寄存器中的数据以modbus-rtu格式转换至json格式，供系统单元识别处理；dtu还与负载检测单元通过rs485通信，监测智能电表上传plc的数据，并将其存储至负载检测单元中进行负载识别处理，负载识别处理完成后，负载检测单元中的负载检测数据回传至dtu，dtu汇总负载检测数据、电柜状态采集传感器采集的配电柜状态参数数据、智能电表采集的用电设备电力参数数据后统一传递至系统单元。
10.进一步地，所述系统单元根据施工项目实际情况将施工项目划分为多个区域，每个区域内的二级配电柜处均布置一个用电管理模块，并编号；智能电表采集二级配电柜处使用中的用电设备电力参数数据，最终上传至云端后建立基本电力数据库，用于进行电力参数直观展示；系统单元通过对基本电力数据库中耗电量参数单独分析，以区域为单位，将区域中所有用电设备的耗电量求和，汇总形成区域耗电参数，将各区域耗电参数进行对比分析，形成并展示各区域用电趋势曲线图，提醒相关人员重点关注耗电量较高的区域；系统单元还根据基本电力数据库中的耗电量数据进行当日、当月的电量汇总统计，直接展示当日、当月环比用电趋势，为制定每个月的用电计划提供数据指导。
11.进一步地，所述系统单元根据施工现场常用设备的额定参数于云端建立设备空载和负载电流数据库，智能电表采集二级配电柜处使用中的用电设备电力参数数据后交由负载检测单元进行负载识别，判断接入设备的类型，系统单元接收负载检测数据并对应设备空载和负载电流数据库中的电流值，筛选出设备的工作电流，与空载和负载电流进行对比，判断设备工作状态为空载或负载，当设备为空载运行状态时，再次判断该状态是否持续10分钟，若是则发出设备空闲关机提醒，否则继续通过智能电表进行实时监测，当设备为负载运行状态时，继续通过智能电表进行实时监测。
12.进一步地，所述系统单元内输入有非施工时间区间，施工用电节能管理控制系统工作时，系统单元筛选非施工时间区间内传入的由智能电表采集的用电设备电力参数数据，以工作电流的大小作为判别标准，判断用电设备是否处于工作状态；若判断出用电设备处于工作状态，再次判断该工作状态是否持续10分钟，若持续10分钟则进行非施工时间关机提醒，否则继续通过智能电表进行实时监测，若判断出用电设备未处于工作状态则继续通过智能电表进行实时监测。
13.进一步地，施工用电节能管理控制系统运行后，所述系统单元建立故障信息数据库，用于储存用电管理模块控制单元计算分析出的故障预警详细信息，系统单元进行故障原因分析，识别故障具体类型，并根据每条故障信息的云端发送接口识别出发生故障的对应用电设备编号，定位故障发生的区域以及该区域处的二级配电箱；系统单元根据每台用电设备的历史故障记录形成单台用电设备故障清单，故障清单中记录有故障发生的频次及时间，结合每台用电设备的运行维护周期情况，确定用电设备的维护周期并派发工单至相
应的维护人员。
14.进一步地，所述负载检测单元包括主控模块、蜂鸣器模块、电源模块、调试模块、交互模块、通信模块，通过收集已知的模型参数建立多维度模型，对工地现场设备负载进行识别，识别对象包括工程现场焊机类、卷扬机类、切割机类和大功率加热类设备四类；模型参数包括频率、相电压、线电压、相电流、中线电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功功率需量、无功功率需量、谐波畸变率、相角差、k个谐波含有率n、波峰系数、电话谐波波峰因数，其中，n表示次数，n为从0或从1开始的等差数列，公差为3，n小于等于30，k为等差数列的个数。
15.进一步地，所述负载检测单元对工地现场设备负载进行识别的过程如下：步骤1：将已知样本数据库a中的样本数据进行多元线性回归计算，获得超平面，其中，已知样本数据库a中包含已知的四类识别对象对应的（15 k）种模型参数数据，表示频率值，表示相电压，表示线电压，表示电话谐波波峰因数，表示超平面的截距，表示超平面的法向量，为转置符号；超平面将多维空间分为两个区域，分别是和，其中，表示大功率加热类设备区域，表示现场焊机类、卷扬机类、切割机类设备区域；步骤2：将已知样本数据库a中现场焊机类、卷扬机类、切割机类设备对应的进行多元线性回归计算，获得超平面，其中，表示超平面的截距，表示超平面的法向量；超平面按照步骤1中的方法将分为两个区域，分别是和，其中，表示现场焊机类设备区域，表示卷扬机类、切割机类设备区域；步骤3：将已知样本数据库a中卷扬机类、切割机类设备对应的进行多元线性回归计算，获得超平面，其中，表示超平面的截距，表示超平面的法向量；超平面按照步骤1中的方法将分为两个区域，分别是和，其中，表示卷扬机类设备区域，表示切割机类设备区域；步骤4：将（15 k）个维度空间分成4个区域，分别为、、、，这四个区域分别对应现场大功率加热类设备、焊机类设备、卷扬机类设备、切割机类设备四个分类，此时多维度模型建立完成；步骤5：采集单元采集到施工现场的未知的电力参数数据后放入（15 k）个维度空间中，即放入多维度模型中，根据落在多维空间中的位置判断出对应的设备类型；步骤6：系统单元将设备类型以及通过人机界面反馈给现场管理人员，现场管理人员确认识别信息是否正确；
步骤7：若现场管理人员确认识别信息正确，则将放入已知样本数据库a中，更新已知样本数据库a，重复步骤1～步骤4，更新多维度模型；若现场管理人员确认识别不正确，则将丢弃。
16.进一步地，所述负载检测单元对工地现场设备负载进行识别的步骤1中，超平面将多维空间分为两个区域的具体过程如下：将样本数据放入（15 k）个维度的空间内，到超平面的距离为，其中，为对应的二元变量，表示负类或正类，取值为-1或 1；通过以下约束条件求得超平面：， ；；其中，，，，，，，表示维度；，表示在第个维度上到超平面的距离。
17.本发明具有如下有益效果：本发明通过对施工用电数据进行科学化分析与决策，实现设备空闲时间关机提醒、人员休息时间关机提醒、大型设备实时负载率动态监测、工作生活区动态负荷调整、照明负荷调整、设备不安全状态预警、保护越级跳闸预警、设备自动维护提醒等多种功能，实现全方位工地用电安全管理，减少项目施工过程中能耗的浪费。
18.本发明针对各类施工设备，对其使用过程中电力相关参数特征量进行动态提取与过程分析，建立多维度数据模型，通过识别算法的开发，对现场用电设备进行精准识别与定位，解决临时用电带来的不安全因素。
19.本发明包含了配电箱实时监控系统，通过对配电箱实时电流、温度、湿度等数据的检测，根据设定阈值自动开启排风扇或启动报警，避免线路凝露导致的绝缘不足和其他故障未能及时发现带来的次生伤害；本发明整体具有可靠性高、监测参数多、实时性好等优点，可有效保证施工现场用电安全，显著提高用电管理智能化程度。
20.本发明中的用电数据传输摈弃了传统的有线传输方式，采用类似边缘网关模式，对设备采集到的数据进行预处理和运算后，通过dtu传送至系统单元，实现了数据的无线传输，实时性好。
附图说明
21.图1为负载检测单元进行负载识别流程图；图2为系统单元实现电能数据可视化展示流程图；图3为系统单元实现施工能耗管控流程图；
图4为系统单元实现非施工时间现场设备管理；图5为系统单元实现电气故障检修管理流程图。
具体实施方式
22.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
23.本发明所述的工地现场的施工用电节能管理控制系统，包括用电管理模块和系统单元，用电管理模块包括采集单元、控制单元、传输单元。采集单元包括智能电表和电柜状态采集传感器；控制单元包括plc、模拟量采集模块、数字量采集模块、负载检测单元、以太网模块、扩展通讯模块；传输单元包括dtu和通讯电缆；系统单元为互联网后台，用于综合分析处理采集单元所采集的数据。
24.电柜状态采集传感器用于采集配电柜状态参数数据，包括温度传感器、露点传感器、光照传感器、扬尘传感器、电流传感器，分别用于采集配电柜内部温度、露点温度、光照强度、悬浮颗粒数和进线电流，电柜状态采集传感器采集的数据以电流信号的形式输入至控制单元的模拟量采集模块中，然后经plc通过指令读出相应的配电柜内部温度、露点温度、光照强度、悬浮颗粒数和进线电流，并存储于plc内部专用寄存器中，用于后续控制处理。智能电表用于采集配电柜下级线路中用电设备电力参数数据，包括用电设备的频率、电压、谐波畸变率等数据，智能电表检测的数据同样传递至控制单元中，并存储于plc内部专用寄存器中，用于供负载检测单元的检测参数处理。
25.plc内部预设有阈值参数，包括配电柜内部温度上限、露点温度上限、光照强度下限、光照强度上限、悬浮颗粒数上限、电流上限；当采集单元采集到的各参数数据超过相应的阈值范围时，plc输出控制指令至相应的末端设备，例如，当配电柜内部温度超过相应的上限值时，plc控制配电柜内风扇开启，进行降温，当配电柜内部进线电流超过电流上限值时，plc控制空气开关断路，并向检修人员手机app端发送预警信息，当光照强度低于相应的下限值时，plc控制照明器件开启。
26.负载检测单元包括主控模块、蜂鸣器模块、电源模块、调试模块、交互模块、通信模块，负载检测单元通过收集已知的大量模型参数进行建模，用于对未知的模型进行分类，利用智能电表检测的电力参数数据进行工地现场设备负载识别。本实施例中的负载识别对象主要针对的是工程现场焊机类、卷扬机类、切割机类和大功率加热类设备；负载检测单元收集的模型参数共有（15 k）个，故每个数据有（15 k）个维度，模型参数分别是：频率、相电压、线电压、相电流、中线电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功功率需量、无功功率需量、谐波畸变率、相角差、k个谐波含有率n（n表示次数，例如“谐波含有率5”表示5次谐波含有率，n的计算规则为从0或从1开始的等差数列，公差为3，n最大不超过30，k为等差数列的个数）、波峰系数、电话谐波波峰因数。实际应用中，针对不同场景可适当改变参数选择来建立模型的维度。
27.负载检测单元进行负载识别的方法如图1所示，具体如下：步骤1：将已知样本数据库a中的数据作为训练数据，其中，该已知样本数据库a中的数据为事先已知且准确的，包含有各类负载识别对象对应的模型参数数据；基于线性分类器，将已知样本数据库a中的样本数据
进行多元线性回归计算，获得超平面进行多元线性回归计算，获得超平面，其中，样本数据表示已知样本数据库a中某一已知设备在某个时间点的运行参数，每个包含有（15 k）个参数，表示频率值，表示相电压，表示线电压，表示电话谐波波峰因数，表示超平面的截距，表示超平面的法向量，为转置符号；超平面将多维空间分为两个区域，分别是(大功率加热类设备)区域和（现场焊机类、卷扬机类、切割机类设备）区域，具体过程如下：将样本数据放入（15 k）个维度的空间内，到超平面的距离为，其中，为对应的二元变量，表示负类（negative class）或正类（positive class），取值为-1或 1；通过以下约束条件求得超平面：， ；；其中，，，，，，，表示维度；，表示在第个维度上到超平面的距离，例如表示在“频率”这个维度上到超平面的距离，表示在“电话谐波波峰因数”这个维度上到超平面的距离；步骤2：基于线性分类器，将已知样本数据库a中现场焊机类、卷扬机类、切割机类设备对应的进行多元线性回归计算，获得超平面，其中，表示超平面的截距，表示超平面的法向量；超平面按照步骤1中的方法将分为两个区域，分别是(现场焊机类设备)区域和（卷扬机类、切割机类设备）区域；步骤3：基于线性分类器，将已知样本数据库a中卷扬机类、切割机类设备对应的进行多元线性回归计算，获得超平面，其中，表示超平面的截距，表示超平面的法向量；超平面按照步骤1中的方法将分为两个区域，分别是(卷扬机类设备)区域和（切割机类设备）区域；步骤4：将（15 k）个维度空间分成4个区域，分别为、、、，这四个区域分
别对应现场大功率加热类设备、焊机类设备、卷扬机类设备、切割机类设备四个分类，此时多维度模型建立完成；步骤5：采集单元采集到施工现场的未知的电力参数数据（即现场采样数据）后，放入（15 k）个维度空间中，即放入多维度模型中，根据其落在多维空间中的位置判断出其对应的设备类型；步骤6：系统单元将该设备类型及相关实时电力参数数据通过人机界面反馈给现场管理人员，现场管理人员确认识别信息是否正确，同时提醒现场人员该设备使用注意事项，并进行实时监管；步骤7：若现场管理人员确认识别信息正确，则将放入已知样本数据库a中，更新已知样本数据库a，重复步骤1～步骤4，更新模型，使模型精度更准确；若现场管理人员确认识别不正确，则将丢弃。
28.扩展通讯模块主要用于扩展plc通讯口，可实现与智能电表、dtu的rs485数据通信。以太网模块基于tcp/ip通信协议，经以太网与其他设备连接，为了扩展以太网通信接口，将交换机与以太网模块连接，交换机可分别与塔吊、吊篮、现场扬尘监控等现场设备直接进行数据交换，增加了通信接口的多样性。
29.传输单元的核心处理器件为dtu，dtu通过rs485基于modbus协议与plc实现数据互通，将plc内部专用寄存器中的数据以modbus-rtu格式转换至系统单元便于识别处理的json格式；dtu还与负载检测单元通过rs485通信，监测智能电表上传plc的相关电力数据，并将其存储至负载检测单元中进行负载识别处理，负载识别处理完成后，负载检测单元中的负载检测数据回传至dtu；dtu汇总负载检测数据、配电柜状态参数数据和用电设备电力参数数据后统一传递至系统单元。
30.系统单元基于云端实现电能数据可视化展示、施工能耗管控、非施工时间现场设备管理、照明负荷调整、电气故障检修管理等功能。
31.如图2所示，系统单元根据施工项目实际情况，将施工项目划分为若干区域，每个区域内的二级配电柜处布置一个用电管理模块，并编号，便于后续数据上传后的分类处理以及故障定位；用电管理模块中的智能电表采集二级配电柜处使用中的用电设备电力参数数据，最终上传至云端后建立基本电力数据库，基本电力数据库包括电流、电压、频率、耗电量等数据，用于进行电力参数直观展示。系统单元通过对基本电力数据库中耗电量参数单独分析，以区域为单位，将区域中所有用电设备的耗电量求和，汇总形成区域耗电参数，将各区域耗电参数进行对比分析，形成并展示各区域用电趋势曲线图，帮助相关人员重点关注耗电量较高的区域。系统单元还能够根据基本电力数据库中的耗电量数据进行当日、当月的电量汇总统计，直接展示当日、当月环比用电趋势，为制定每个月的用电计划提供数据指导。
32.如图3所示，系统单元根据施工现场常用设备的额定参数于云端建立设备空载和负载电流数据库，用电管理模块中的智能电表采集二级配电柜处使用中的用电设备电力参数数据后交由负载检测单元进行负载识别，判断接入设备的类型，系统单元接收负载检测数据并对应设备空载和负载电流数据库中的电流值，筛选出设备的工作电流，与空载和负
载电流进行对比，判断设备工作状态为空载或负载，当设备为空载运行状态时，再次判断该状态是否持续10分钟，若是则发出设备空闲关机提醒，否则继续通过智能电表进行实时监测，当设备为负载运行状态时，继续通过智能电表进行实时监测。
33.如图4所示，系统单元内输入有非施工时间区间，本发明所述施工用电节能管理控制系统工作时，系统单元筛选非施工时间区间内传入的由智能电表采集的用电设备电力参数数据，以工作电流的大小作为判别标准，判断用电设备是否处于工作状态；若判断出用电设备处于工作状态，再次判断该工作状态是否持续10分钟，若持续10分钟则进行非施工时间关机提醒，否则继续通过智能电表进行实时监测，若判断出用电设备未处于工作状态则继续通过智能电表进行实时监测。
34.系统单元还与施工现场永久照明工具、摄像头、光照传感设备联动，通过摄像头以及光照传感设备监测施工现场工作人数及当前光照强度，分析计算出合适的光照，完成自动调亮。
35.如图5所示，本发明所述施工用电节能管理控制系统运行后，系统单元建立故障信息数据库，用于储存用电管理模块控制单元计算分析出的故障预警详细信息，包括故障发生时的基本电力参数，如电压、电流、频率、功率因数等，系统单元根据这些基本电力参数进行故障原因分析，识别故障具体类型，如短路、断路等，并根据每条故障信息的云端发送接口识别出发生故障的对应用电设备编号，定位故障发生的区域至该区域处的二级配电箱，有助于提高检修人员检修效率。系统单元还能够根据每台用电设备的历史故障记录形成单台用电设备故障清单，故障清单中记录有故障发生的频次及时间，结合每台用电设备的运行维护周期情况，合理确定用电设备的维护周期并派发工单至相应的维护人员；例如某台用电设备运行维护周期为1个月，自投入使用后第20天发生故障一次，则工单派发周期为20天和1个月，第二次工单派发周期结合维护周期内发生故障的次数适当增减。
36.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。