基于能耗监测的高校实验室安全管理策略

支 琴， 熊顺子， 彭华松

（上海交通大学a．招投标与政府采购办公室；b．生命科学技术学院；c．资产管理与实验室处，上海200240）

0 引 言

随着高校实验室安全管理逐步完善和研究项目范围的不断扩大，改革安全管理成为实验室管理的核心。高校的实验室建设和管理是一项系统工程。包括：楼宇管理（项目，融资，采购），信息管理（设备，实验，研究）、人事、环境、安全管理和各类法规等。从管理角度来看，主要是人员、资金、产品、信息和项目等元素之间在不同组织空间、时间上的组合。这些因素包括多个实验室工作子系统。安全管理是此子系统的优先事项。

实验室安全管理主要包括设施和环境、人员、样品处理和实验仪器设备管理等。其中设施与环境管理主要是实验室配套设施的运行、维护，在实验环境安全的前提下提供规范、标准、安全的实验条件。

本文从高校实验室安全运行的要求出发，对实验室复杂空间、设施设备的用电需求，以及实验室用能负荷的要求进行梳理，提出了高校实验室能耗监测平台的架构，并通过实验室各类能耗监测，对实验室安全隐患进行识别并提出相应的平台管理策略。

1 高校实验室安全运行要求

1.1 实验室用电负荷要求

实验室必须满足其内部设备的用电要求，实验室的用电负荷有两个特点：发展性与不确定性。发展性是指初始实验室未充分利用，用电负荷低。随着学科发展和实验室建设规模的不断扩大，实验室使用时间和实验设备数量与种类也在增加，从而增加了用电负载；不确定性主要针对电力负荷，即当实验室作功能性调整或改进时，实验装置改变会导致电源类型和工作工况的改变。因此，实验室能源系统的设计需充分考虑到预期的实验室使用和功能计划，并作扩展性的配置，以确保实验室安全有效使用实验室能源。

1.2 复杂空间的用电需求

实验室面向不同学科的使用其供电需求也不同。由于实验楼内坐落不同等级、不同学科的实验室，因此实验楼供电必须满足复杂空间的用电需求。

根据国标GB19489-2008《实验室生物安全通用要求》，不同实验室所处对象、生物危害程度和采取的反复措施可分为4级；微生物生物安全实验室4级。其采用BSL-1、BSL-2、BSL-3、BSL-4 表示；动物生物安全实验室用ABSL-1、ABSL-2、ABSL-3、ABSL-4 表示相应级别。国标中对各等级实验室的电力供应系统提出了要求：①电源符合实验室的所有电气要求，必需有冗余；②生物安全柜，鼓风机和排气阀、照明系统、自动控制、监控和报警系统应配备连续电源（UPS），电源应至少保持30 min；③ 专用配电箱应安装在安全的位置；④3级、4级实验室供电管线应采用金属管铺设，穿过墙和楼板的电线管应加套管或采用专用电缆穿墙装置。套管内用不收缩、不燃材料密封。

因此，根据各级实验室复杂空间的布局，实验室配电设计必须满足规范要求，同时必须做好冗余。

1.3 实验设备用电需求

实验室内安装有各种设备，其必须满足各种设备的用电需求。这对供电系统设计、建造提出了更高的要求。比如，有些设备供电为220 V，有些为380 V供电。因此，在供电系统设计、建造时，必须把供电容量和电压质量等纳入考虑范围。若供电不符合设备要求或电能质量考虑不足，会导致整个供电系统超负荷，供电线路过热而引起安全事故。

电源的质量是指供电系统电源各参数的稳定性和可靠性，包括三相平衡、电压波动幅度等，是实验用电安全运行要求的重点与核心。

2 实验室能耗监测平台的构建

基于以上要求，高校实验室的安全管理基础是构建实验室能耗监测平台，本次改造以校生物药学楼群为例，在全校节能监管平台系统架构下，通过校园网络资源，实现学院2级能耗数据的实时采集、远程传输、动态管理等。

2.1 项目概况

生物医药楼群位于闵行校区，共有9栋建筑组成，每栋建筑各层设有独立的强电间及配电柜，配电柜可分为楼层照明插座专用、楼层动力专用（空调及插座）。楼群建有2间独立的400 V配电室（09-1、09-2站）为本大楼供电，4台10 kV、400 V变压器容量分别为1 600 kVA。共有52个配电回路已安装有施耐德PM800系列智能电表，作为1级计量已纳入学校原有的校园节能监管平台。楼群内部计量尚不完备。

2.2 建设内容

为提升管理精度，须定位实验室安全隐患点，生物医药楼群能耗监测平台以实验室重点用能设施、设备以及复杂区域与监测对象，通过增加数据采集模块，实验室计量表进行改造，其主要建设内容：① 分项计量改造。安装大楼总表以及动力照明、空调、插座以及特殊用电进行分项计量改造。② 分户计量改造。部分房间供电线路重新设计，并添加分户电表，以独立控制和管理每个房间能耗。③复杂空间线路及计量改造：大楼内公共部分用电由于配电房空间及线路复杂的原因（如：走廊、卫生间、电梯、开水器等）安装相应计量表，对相应能耗进行监测。④线路梳理与调整。统筹供电线路，减少额外用电控制回路，实现房间用电高效计量。同时，对现有房间用电计量线路乱拉乱接现状进行调整，接到相对应的控制箱上，尽可能减少因用电超载而造成的用电安全隐患；⑤监测系统建设。

2.3 平台架构

实验室能耗监测系统建设采用分层分布式的衔接方式，根据各物理设备可划分为4个层级：监管层、管理层、通信层及设备层。平台架构如图1所示。

图1 平台架构

其中监管层由校级能耗监管平台组成；管理层由各2级单位实验室能耗数据中心、数据中转站两部分组成；通信层主要由数据采集网关及交换机等通信设备组成；设备层由各类智能电表组成。各层级的详细物理设备组成情况如下：

能耗数据中心设有数据库服务器、分析数据库、运维工作站、UPS电源、物理防火墙等硬件配置。能耗监测数据中心负责将本学校范围内的监测对象，采集其设备层传输的用能数据，执行数据整合、存储、分析、计算，输出至终端显示设备、并最终上传至数据监管层。

数据中转站设有数据中转服务器、数据中转软件等设备。数据中转站负责将监测数据实时汇总、分析处理与分户计量数据中心实现兼容，共享系统数据。

通信层包括数据采集网关、工业交换机等，主要负责连接管理层和设备层之间的信号传输和数据共享。

设备层主要是用来监测和采集现场电表数据，由本项目安装的智能远程电表组成。

2.4 功能设计

校园节能监管系统是指对校园建筑及设施安装分类和分项能耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，实现校园建筑及设施能耗的实时监测和动态分析等功能的硬件和软件系统总称。系统由数据采集、数据传输系统和数据中心组成。数据采集系统包括计量装置、现场总线、数据网关设备等；数据传输系统包括数据传输网络和数据中转站等；数据中心包括数据存储与处理、管理平台、数据上传接口软件以及服务器、网络设备、存储设备等。

校园节能监管系统基于互联网技术，采用B／S软件架构。数据网络传输应优先并充分利用校园网作为数据传输网络，采用TCP／IP协议。

校园节能监管系统应具备能耗数据采集、远程传输、自动分类统计、数据分析、指标比对、图表显示、报表管理、数据储存、数据上传等功能，满足校园节能监管要求。

本软件采用标准的B／S（Browser／Server）架构，即浏览器和服务器结构。它是一次性到位开发，能实现不同人员，从不同地点，以不同接入方式（比如LAN，WAN，Internet／Intranet等）访问和操作共同的数据库；它能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。

B／S架构维护和升级方式简单。目前，软件系统改进和升级越来越频繁，B／S架构产品明显体现着更为方便特性。B／S架构的软件只需管理服务器，所有客户端只是浏览器，根本不需做任何维护。无论用户规模有多大，有多少分支机构都不会增加任何维护升级的工作量，所有操作只需针对服务器进行。

系统逻辑架构分为数据层、应用层和访问层3个层次。目的是将系统各个运转功能独立分开，达到灵活扩充系统功能、降低故障率为目的，尽量减少各个子系统之间的耦合度，可以灵活地调整各子系统功能，彼此独立运行，方便后续维护工作，增强系统的一致性、扩展性和兼容性。

数据层包括数据存储、数据读取、数据备份和读写分离中间件子系统，读写分离中间件通过mysql-proxy实现，主要目的是提高整个能耗系统的访问速度，读写分离是把对数据库读和写的操作分开对应不同的数据库服务器，这样可有效减轻数据库压力，也可减轻IO压力。主数据库提供写操作，从数据库提供读操作，在能耗监管系统中，读取数据库的时间占据很大部分。当主数据库进行写操作时，数据要同步到从数据库，这样才能有效保证数据库完整性。

应用层从逻辑上可划分为数据处理、消息管理、分析展示和后台管理等大类，每类下有一个或多个子系统。将应用层软件系统划分成各个相对独立的子系统，尽量减少各个子系统之间的耦合度，可以灵活地调整各子系统功能，彼此独立运行，方便后续的维护工作，增强系统的一致性、扩展性和兼容性。

访问层可以同时实现网页和移动客户端访问，网页使用HTML、JS、PHP、WebGL等语言和技术进行开发，用户访问时无需安装任何插件，支持所有分辨率自动切换，移动客户端通过swift和java进行开发。

3 实验室安全隐患识别及其管理策略

通过能耗监测平台，对实验室用能设施设备进行数据采集、数据监测和数据分析，针对实验室的用能特点，提出谐波处理、三相平衡等处理措施，同时通过平台实现违规用电、突发断电等情况的识别和处理，为实验室安全用能管理提供多种管理和技术处理措施。

3.1 谐波处理

供电系统中的谐波是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，得到与电网基波频率相同的分量和一系列大于电网基波频率的分量，这些分量称为谐波。在实际应用中谐波的产生主要是由于供电系统中存在大容量整流或换流设备以及非线性负荷，导致电流波形畸变而造成的。大量谐波的存在给供电系统带来了巨大的危害，具体体现在：① 谐波会增加用电设备的功率损耗和电能损耗；电流不稳定会导致设备过热，降低设备利用率。如，过热的电力布线，绝缘老化，照明设备的闪烁显示等；②供电系统产生的谐波可能与某些实验设备电器元件发生谐振，形成谐波放大现象，从而导致产生数据的不正确；③大量谐波会引起开关发生故障，开关柜中断，严重时损坏设备，电力系统的安全使用受到威胁。

基于以上问题，本次改造采用了有源滤波的方式对谐波进行治理。APF有源滤波器具有工作环境广泛、动态管理等特点，其中重点是高控制和快速响应。APF不仅可以过滤，还可以自动监控并快速响应；不产生对系统的阻抗，使其过滤效率稳定。随着大功率自动关闭装置的不断发展，特别是在引入微控制器技术之后，有源滤波技术得到了高度发展，并逐渐从用户自身的谐波抑制扩展到整个电力系统的电能质量控制。同时，平台辅助有源滤波器对电力谐波进行检测。在重点用能时间中，任何电力谐波异常都会以警告形式在首页表现。改造中，对该楼群进行了一次谐波检测，结果如表1所示。

表1 谐波检测表

从表1可以看出，该楼群总用电质量较好。谐波大多出现在17次以下的奇数部分，且占比较少。

3.2 三相平衡

三相不平衡是指由各项功率不平衡引起的非对称三相电源现象，这是基本的负载不平衡问题。根据国标的现行规定（GB-T 15543—1995《三相电压允许不平衡度》），供电系统中各接口正常电压允许在2%以内波动、短时间内电压波动不得超过4%。其中为确保交换保护和自动设备发出正确的行动，短期允许值一词并不意味着应始终假设规定的限值。对每个用户接入公共连接点的正常电压不平衡度允许值一般为1．3%。

三相不平衡是电能质量分析的关键指标。在高校实验室设施设备运行场景中，实验室设施设备的运行遵循科研活动规律，具有负载形式多样、运行不确定等特点，其供电系统存在一定的三相不平衡情况。各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速部件的更换频率，增加设备维护的成本。在三相电压不平衡的情况下供电也会严重危及用电设备的安全运行。

因此，本次能耗监测系统建设加装了电压监控模块，跟踪监控学院楼群各区域三相电压情况。通过直观展示各位置三线电压情况，解决接线问题导致的单相大负荷、不平衡。通过改变楼群各项界限负荷，加强对各楼层实验室用电的就地管理。同时，电压监控模块还有报警功能，对短时间电压不平衡度大于2%的情况在平台中进行告警通知，从而加强设备的运行管理。

表2 三相电压不平衡表

通过NEMA定义、平台线电压检测数据计算得到电压不平衡表。该楼于9：00—18：00电压不稳定度存在一个长时间的震荡，由此平台分析本日重点用电管理时间为9：00—18：00。每日的数据都会储存入数据库，每月平台会将全月数据进行整合取平均重点用电管理时间作为下月的参考数据。在重点用电管理时间中，平台将重点区域的用能情况展示在首页以便查看并作出应对处理。

3.3 违规用电

减少实验室中违规用电一直是用电管理的重点。如果没有正确安装实验室线路，导线被打结、划伤、切割、挤压或被腐蚀受潮，导致线路外包绝缘层破坏。长此以往，导致火线与零线相碰引起短路，有巨大的危险；插座、插线板使用不当同样会引起短路。如果插线板使用时间过长，或接入过多用电器而超过插线板使用范围，造成插线板损坏、发热、挑火。实验室的插头经过长时间使用，产生老化、接触不良等状态，对整个实验楼供电线系统造成损害。短路时，电流强度很大。巨大的电流会产生极高的温度，使电线的绝缘保护层融化，点燃周围的易燃物导致火灾。

本次改造在楼宇分项电表中加入电流检测功能，实时传输电流数据到能耗监测系统中，物业管理人员可以在网页上统筹管理电流状态。同时，还加装了电流报警功能面对超过平时电流100%的检测位点，及时与物业管理人员报告，减少事故风险。

3.4 突发断电

不同实验室的运行时间也是不同的。某一些实验室中存在样品保存设备（如冰箱、烘箱等），必须保障其24 h运行。因此，对于突发断电的处理也是实验室安全用电管理的一部分。管理者需要为电路设施保障稳定的电力供应，避免因停电而造成经济损失或者事故。高校普遍使用UPS（不间断电源）作为断电保护措施；UPS保护时间较短，无法面对发生在夜晚、断电时间较长的情况。

本次改造建立断电报警系统，包括信号采集、电路识别等，报警器的信息大部分来源于电压或者电流。关联管理人员移动电话或管理平台计算机屏幕由GSM消息单元可以提供。在正常情况下，系统通道不会发送警告消息。当供电参数超过正常范围时，分户计量平台首页上将产生警报。当警报事件持续时间超过半个小时后，警报信息会立即通过GSM系统对管理人员进行通知，以便及时采取必要的保护与保障措施，从而保障实验室设备与人员的安全。

4 结 语

实验室管理是大学教育和科研顺利进行的重要保障，也是大学管理的重要组成部分。作为高校管理的重要组成部分，实验室管理质量反映了高校自身管理水平。该系统投入运行后，实现了科研楼群的各实验室用电分项的实时监测和记录、不同时段电能分项的统计与计费、用电设备的使用登记与档案管理。其在安全工作，节约能源，用电管理方面有着重大意义；同时用电状况检测模块实现了整楼电流、电压的实时监测，减少了实验室安全事件，保护了实验室中的人员与仪器，也具有重大的社会意义。

运用能耗监测平台实现高校实验室安全、精确的管理，已逐渐成为未来高校实验室管理的主要趋势。后续，院系能耗平台监测平台与校区规模的能耗管理平台对接建立全校的实验室用电管理体系，达到统一管理、统一保障的效果。

·名人名言·

科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。

——张文裕