基于能耗監(jiān)測的高校實驗室安全管理策略

支 琴， 熊順子， 彭華松

（上海交通大學a．招投標與政府采購辦公室；b．生命科學技術(shù)學院；c．資產(chǎn)管理與實驗室處，上海200240）

0 引 言

隨著高校實驗室安全管理逐步完善和研究項目范圍的不斷擴大，改革安全管理成為實驗室管理的核心。高校的實驗室建設(shè)和管理是一項系統(tǒng)工程。包括：樓宇管理（項目，融資，采購），信息管理（設(shè)備，實驗，研究）、人事、環(huán)境、安全管理和各類法規(guī)等。從管理角度來看，主要是人員、資金、產(chǎn)品、信息和項目等元素之間在不同組織空間、時間上的組合。這些因素包括多個實驗室工作子系統(tǒng)。安全管理是此子系統(tǒng)的優(yōu)先事項。

實驗室安全管理主要包括設(shè)施和環(huán)境、人員、樣品處理和實驗儀器設(shè)備管理等。其中設(shè)施與環(huán)境管理主要是實驗室配套設(shè)施的運行、維護，在實驗環(huán)境安全的前提下提供規(guī)范、標準、安全的實驗條件。

本文從高校實驗室安全運行的要求出發(fā)，對實驗室復雜空間、設(shè)施設(shè)備的用電需求，以及實驗室用能負荷的要求進行梳理，提出了高校實驗室能耗監(jiān)測平臺的架構(gòu)，并通過實驗室各類能耗監(jiān)測，對實驗室安全隱患進行識別并提出相應的平臺管理策略。

1 高校實驗室安全運行要求

1.1 實驗室用電負荷要求

實驗室必須滿足其內(nèi)部設(shè)備的用電要求，實驗室的用電負荷有兩個特點：發(fā)展性與不確定性。發(fā)展性是指初始實驗室未充分利用，用電負荷低。隨著學科發(fā)展和實驗室建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，實驗室使用時間和實驗設(shè)備數(shù)量與種類也在增加，從而增加了用電負載；不確定性主要針對電力負荷，即當實驗室作功能性調(diào)整或改進時，實驗裝置改變會導致電源類型和工作工況的改變。因此，實驗室能源系統(tǒng)的設(shè)計需充分考慮到預期的實驗室使用和功能計劃，并作擴展性的配置，以確保實驗室安全有效使用實驗室能源。

1.2 復雜空間的用電需求

實驗室面向不同學科的使用其供電需求也不同。由于實驗樓內(nèi)坐落不同等級、不同學科的實驗室，因此實驗樓供電必須滿足復雜空間的用電需求。

根據(jù)國標GB19489-2008《實驗室生物安全通用要求》，不同實驗室所處對象、生物危害程度和采取的反復措施可分為4級；微生物生物安全實驗室4級。其采用BSL-1、BSL-2、BSL-3、BSL-4 表示；動物生物安全實驗室用ABSL-1、ABSL-2、ABSL-3、ABSL-4 表示相應級別。國標中對各等級實驗室的電力供應系統(tǒng)提出了要求：①電源符合實驗室的所有電氣要求，必需有冗余；②生物安全柜，鼓風機和排氣閥、照明系統(tǒng)、自動控制、監(jiān)控和報警系統(tǒng)應配備連續(xù)電源（UPS），電源應至少保持30 min；③ 專用配電箱應安裝在安全的位置；④3級、4級實驗室供電管線應采用金屬管鋪設(shè)，穿過墻和樓板的電線管應加套管或采用專用電纜穿墻裝置。套管內(nèi)用不收縮、不燃材料密封。

因此，根據(jù)各級實驗室復雜空間的布局，實驗室配電設(shè)計必須滿足規(guī)范要求，同時必須做好冗余。

1.3 實驗設(shè)備用電需求

實驗室內(nèi)安裝有各種設(shè)備，其必須滿足各種設(shè)備的用電需求。這對供電系統(tǒng)設(shè)計、建造提出了更高的要求。比如，有些設(shè)備供電為220 V，有些為380 V供電。因此，在供電系統(tǒng)設(shè)計、建造時，必須把供電容量和電壓質(zhì)量等納入考慮范圍。若供電不符合設(shè)備要求或電能質(zhì)量考慮不足，會導致整個供電系統(tǒng)超負荷，供電線路過熱而引起安全事故。

電源的質(zhì)量是指供電系統(tǒng)電源各參數(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，包括三相平衡、電壓波動幅度等，是實驗用電安全運行要求的重點與核心。

2 實驗室能耗監(jiān)測平臺的構(gòu)建

基于以上要求，高校實驗室的安全管理基礎(chǔ)是構(gòu)建實驗室能耗監(jiān)測平臺，本次改造以校生物藥學樓群為例，在全校節(jié)能監(jiān)管平臺系統(tǒng)架構(gòu)下，通過校園網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)學院2級能耗數(shù)據(jù)的實時采集、遠程傳輸、動態(tài)管理等。

2.1 項目概況

生物醫(yī)藥樓群位于閔行校區(qū)，共有9棟建筑組成，每棟建筑各層設(shè)有獨立的強電間及配電柜，配電柜可分為樓層照明插座專用、樓層動力專用（空調(diào)及插座）。樓群建有2間獨立的400 V配電室（09-1、09-2站）為本大樓供電，4臺10 kV、400 V變壓器容量分別為1 600 kVA。共有52個配電回路已安裝有施耐德PM800系列智能電表，作為1級計量已納入學校原有的校園節(jié)能監(jiān)管平臺。樓群內(nèi)部計量尚不完備。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

為提升管理精度，須定位實驗室安全隱患點，生物醫(yī)藥樓群能耗監(jiān)測平臺以實驗室重點用能設(shè)施、設(shè)備以及復雜區(qū)域與監(jiān)測對象，通過增加數(shù)據(jù)采集模塊，實驗室計量表進行改造，其主要建設(shè)內(nèi)容：① 分項計量改造。安裝大樓總表以及動力照明、空調(diào)、插座以及特殊用電進行分項計量改造。② 分戶計量改造。部分房間供電線路重新設(shè)計，并添加分戶電表，以獨立控制和管理每個房間能耗。③復雜空間線路及計量改造：大樓內(nèi)公共部分用電由于配電房空間及線路復雜的原因（如：走廊、衛(wèi)生間、電梯、開水器等）安裝相應計量表，對相應能耗進行監(jiān)測。④線路梳理與調(diào)整。統(tǒng)籌供電線路，減少額外用電控制回路，實現(xiàn)房間用電高效計量。同時，對現(xiàn)有房間用電計量線路亂拉亂接現(xiàn)狀進行調(diào)整，接到相對應的控制箱上，盡可能減少因用電超載而造成的用電安全隱患；⑤監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。

2.3 平臺架構(gòu)

實驗室能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)采用分層分布式的銜接方式，根據(jù)各物理設(shè)備可劃分為4個層級：監(jiān)管層、管理層、通信層及設(shè)備層。平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)

其中監(jiān)管層由校級能耗監(jiān)管平臺組成；管理層由各2級單位實驗室能耗數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站兩部分組成；通信層主要由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)及交換機等通信設(shè)備組成；設(shè)備層由各類智能電表組成。各層級的詳細物理設(shè)備組成情況如下：

能耗數(shù)據(jù)中心設(shè)有數(shù)據(jù)庫服務器、分析數(shù)據(jù)庫、運維工作站、UPS電源、物理防火墻等硬件配置。能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)中心負責將本學校范圍內(nèi)的監(jiān)測對象，采集其設(shè)備層傳輸?shù)挠媚軘?shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)整合、存儲、分析、計算，輸出至終端顯示設(shè)備、并最終上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)管層。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站設(shè)有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務器、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)軟件等設(shè)備。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站負責將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時匯總、分析處理與分戶計量數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)兼容，共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

通信層包括數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、工業(yè)交換機等，主要負責連接管理層和設(shè)備層之間的信號傳輸和數(shù)據(jù)共享。

設(shè)備層主要是用來監(jiān)測和采集現(xiàn)場電表數(shù)據(jù)，由本項目安裝的智能遠程電表組成。

2.4 功能設(shè)計

校園節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)是指對校園建筑及設(shè)施安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸?shù)仁侄渭皶r采集能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)校園建筑及設(shè)施能耗的實時監(jiān)測和動態(tài)分析等功能的硬件和軟件系統(tǒng)總稱。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計量裝置、現(xiàn)場總線、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備等；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站等；數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)存儲與處理、管理平臺、數(shù)據(jù)上傳接口軟件以及服務器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備等。

校園節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用B／S軟件架構(gòu)。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸應優(yōu)先并充分利用校園網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用TCP／IP協(xié)議。

校園節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)應具備能耗數(shù)據(jù)采集、遠程傳輸、自動分類統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析、指標比對、圖表顯示、報表管理、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)上傳等功能，滿足校園節(jié)能監(jiān)管要求。

本軟件采用標準的B／S（Browser／Server）架構(gòu)，即瀏覽器和服務器結(jié)構(gòu)。它是一次性到位開發(fā)，能實現(xiàn)不同人員，從不同地點，以不同接入方式（比如LAN，WAN，Internet／Intranet等）訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫；它能有效地保護數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權(quán)限，服務器數(shù)據(jù)庫也很安全。

B／S架構(gòu)維護和升級方式簡單。目前，軟件系統(tǒng)改進和升級越來越頻繁，B／S架構(gòu)產(chǎn)品明顯體現(xiàn)著更為方便特性。B／S架構(gòu)的軟件只需管理服務器，所有客戶端只是瀏覽器，根本不需做任何維護。無論用戶規(guī)模有多大，有多少分支機構(gòu)都不會增加任何維護升級的工作量，所有操作只需針對服務器進行。

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、應用層和訪問層3個層次。目的是將系統(tǒng)各個運轉(zhuǎn)功能獨立分開，達到靈活擴充系統(tǒng)功能、降低故障率為目的，盡量減少各個子系統(tǒng)之間的耦合度，可以靈活地調(diào)整各子系統(tǒng)功能，彼此獨立運行，方便后續(xù)維護工作，增強系統(tǒng)的一致性、擴展性和兼容性。

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)備份和讀寫分離中間件子系統(tǒng)，讀寫分離中間件通過mysql-proxy實現(xiàn)，主要目的是提高整個能耗系統(tǒng)的訪問速度，讀寫分離是把對數(shù)據(jù)庫讀和寫的操作分開對應不同的數(shù)據(jù)庫服務器，這樣可有效減輕數(shù)據(jù)庫壓力，也可減輕IO壓力。主數(shù)據(jù)庫提供寫操作，從數(shù)據(jù)庫提供讀操作，在能耗監(jiān)管系統(tǒng)中，讀取數(shù)據(jù)庫的時間占據(jù)很大部分。當主數(shù)據(jù)庫進行寫操作時，數(shù)據(jù)要同步到從數(shù)據(jù)庫，這樣才能有效保證數(shù)據(jù)庫完整性。

應用層從邏輯上可劃分為數(shù)據(jù)處理、消息管理、分析展示和后臺管理等大類，每類下有一個或多個子系統(tǒng)。將應用層軟件系統(tǒng)劃分成各個相對獨立的子系統(tǒng)，盡量減少各個子系統(tǒng)之間的耦合度，可以靈活地調(diào)整各子系統(tǒng)功能，彼此獨立運行，方便后續(xù)的維護工作，增強系統(tǒng)的一致性、擴展性和兼容性。

訪問層可以同時實現(xiàn)網(wǎng)頁和移動客戶端訪問，網(wǎng)頁使用HTML、JS、PHP、WebGL等語言和技術(shù)進行開發(fā)，用戶訪問時無需安裝任何插件，支持所有分辨率自動切換，移動客戶端通過swift和java進行開發(fā)。

3 實驗室安全隱患識別及其管理策略

通過能耗監(jiān)測平臺，對實驗室用能設(shè)施設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，針對實驗室的用能特點，提出諧波處理、三相平衡等處理措施，同時通過平臺實現(xiàn)違規(guī)用電、突發(fā)斷電等情況的識別和處理，為實驗室安全用能管理提供多種管理和技術(shù)處理措施。

3.1 諧波處理

供電系統(tǒng)中的諧波是對周期性非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量和一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這些分量稱為諧波。在實際應用中諧波的產(chǎn)生主要是由于供電系統(tǒng)中存在大容量整流或換流設(shè)備以及非線性負荷，導致電流波形畸變而造成的。大量諧波的存在給供電系統(tǒng)帶來了巨大的危害，具體體現(xiàn)在：① 諧波會增加用電設(shè)備的功率損耗和電能損耗；電流不穩(wěn)定會導致設(shè)備過熱，降低設(shè)備利用率。如，過熱的電力布線，絕緣老化，照明設(shè)備的閃爍顯示等；②供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波可能與某些實驗設(shè)備電器元件發(fā)生諧振，形成諧波放大現(xiàn)象，從而導致產(chǎn)生數(shù)據(jù)的不正確；③大量諧波會引起開關(guān)發(fā)生故障，開關(guān)柜中斷，嚴重時損壞設(shè)備，電力系統(tǒng)的安全使用受到威脅。

基于以上問題，本次改造采用了有源濾波的方式對諧波進行治理。APF有源濾波器具有工作環(huán)境廣泛、動態(tài)管理等特點，其中重點是高控制和快速響應。APF不僅可以過濾，還可以自動監(jiān)控并快速響應；不產(chǎn)生對系統(tǒng)的阻抗，使其過濾效率穩(wěn)定。隨著大功率自動關(guān)閉裝置的不斷發(fā)展，特別是在引入微控制器技術(shù)之后，有源濾波技術(shù)得到了高度發(fā)展，并逐漸從用戶自身的諧波抑制擴展到整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量控制。同時，平臺輔助有源濾波器對電力諧波進行檢測。在重點用能時間中，任何電力諧波異常都會以警告形式在首頁表現(xiàn)。改造中，對該樓群進行了一次諧波檢測，結(jié)果如表1所示。

表1 諧波檢測表

從表1可以看出，該樓群總用電質(zhì)量較好。諧波大多出現(xiàn)在17次以下的奇數(shù)部分，且占比較少。

3.2 三相平衡

三相不平衡是指由各項功率不平衡引起的非對稱三相電源現(xiàn)象，這是基本的負載不平衡問題。根據(jù)國標的現(xiàn)行規(guī)定（GB-T 15543—1995《三相電壓允許不平衡度》），供電系統(tǒng)中各接口正常電壓允許在2%以內(nèi)波動、短時間內(nèi)電壓波動不得超過4%。其中為確保交換保護和自動設(shè)備發(fā)出正確的行動，短期允許值一詞并不意味著應始終假設(shè)規(guī)定的限值。對每個用戶接入公共連接點的正常電壓不平衡度允許值一般為1．3%。

三相不平衡是電能質(zhì)量分析的關(guān)鍵指標。在高校實驗室設(shè)施設(shè)備運行場景中，實驗室設(shè)施設(shè)備的運行遵循科研活動規(guī)律，具有負載形式多樣、運行不確定等特點，其供電系統(tǒng)存在一定的三相不平衡情況。各相之間的不平衡會導致用電設(shè)備使用壽命縮短，加速部件的更換頻率，增加設(shè)備維護的成本。在三相電壓不平衡的情況下供電也會嚴重危及用電設(shè)備的安全運行。

因此，本次能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)加裝了電壓監(jiān)控模塊，跟蹤監(jiān)控學院樓群各區(qū)域三相電壓情況。通過直觀展示各位置三線電壓情況，解決接線問題導致的單相大負荷、不平衡。通過改變樓群各項界限負荷，加強對各樓層實驗室用電的就地管理。同時，電壓監(jiān)控模塊還有報警功能，對短時間電壓不平衡度大于2%的情況在平臺中進行告警通知，從而加強設(shè)備的運行管理。

表2 三相電壓不平衡表

通過NEMA定義、平臺線電壓檢測數(shù)據(jù)計算得到電壓不平衡表。該樓于9：00—18：00電壓不穩(wěn)定度存在一個長時間的震蕩，由此平臺分析本日重點用電管理時間為9：00—18：00。每日的數(shù)據(jù)都會儲存入數(shù)據(jù)庫，每月平臺會將全月數(shù)據(jù)進行整合取平均重點用電管理時間作為下月的參考數(shù)據(jù)。在重點用電管理時間中，平臺將重點區(qū)域的用能情況展示在首頁以便查看并作出應對處理。

3.3 違規(guī)用電

減少實驗室中違規(guī)用電一直是用電管理的重點。如果沒有正確安裝實驗室線路，導線被打結(jié)、劃傷、切割、擠壓或被腐蝕受潮，導致線路外包絕緣層破壞。長此以往，導致火線與零線相碰引起短路，有巨大的危險；插座、插線板使用不當同樣會引起短路。如果插線板使用時間過長，或接入過多用電器而超過插線板使用范圍，造成插線板損壞、發(fā)熱、挑火。實驗室的插頭經(jīng)過長時間使用，產(chǎn)生老化、接觸不良等狀態(tài)，對整個實驗樓供電線系統(tǒng)造成損害。短路時，電流強度很大。巨大的電流會產(chǎn)生極高的溫度，使電線的絕緣保護層融化，點燃周圍的易燃物導致火災。

本次改造在樓宇分項電表中加入電流檢測功能，實時傳輸電流數(shù)據(jù)到能耗監(jiān)測系統(tǒng)中，物業(yè)管理人員可以在網(wǎng)頁上統(tǒng)籌管理電流狀態(tài)。同時，還加裝了電流報警功能面對超過平時電流100%的檢測位點，及時與物業(yè)管理人員報告，減少事故風險。

3.4 突發(fā)斷電

不同實驗室的運行時間也是不同的。某一些實驗室中存在樣品保存設(shè)備（如冰箱、烘箱等），必須保障其24 h運行。因此，對于突發(fā)斷電的處理也是實驗室安全用電管理的一部分。管理者需要為電路設(shè)施保障穩(wěn)定的電力供應，避免因停電而造成經(jīng)濟損失或者事故。高校普遍使用UPS（不間斷電源）作為斷電保護措施；UPS保護時間較短，無法面對發(fā)生在夜晚、斷電時間較長的情況。

本次改造建立斷電報警系統(tǒng)，包括信號采集、電路識別等，報警器的信息大部分來源于電壓或者電流。關(guān)聯(lián)管理人員移動電話或管理平臺計算機屏幕由GSM消息單元可以提供。在正常情況下，系統(tǒng)通道不會發(fā)送警告消息。當供電參數(shù)超過正常范圍時，分戶計量平臺首頁上將產(chǎn)生警報。當警報事件持續(xù)時間超過半個小時后，警報信息會立即通過GSM系統(tǒng)對管理人員進行通知，以便及時采取必要的保護與保障措施，從而保障實驗室設(shè)備與人員的安全。

4 結(jié) 語

實驗室管理是大學教育和科研順利進行的重要保障，也是大學管理的重要組成部分。作為高校管理的重要組成部分，實驗室管理質(zhì)量反映了高校自身管理水平。該系統(tǒng)投入運行后，實現(xiàn)了科研樓群的各實驗室用電分項的實時監(jiān)測和記錄、不同時段電能分項的統(tǒng)計與計費、用電設(shè)備的使用登記與檔案管理。其在安全工作，節(jié)約能源，用電管理方面有著重大意義；同時用電狀況檢測模塊實現(xiàn)了整樓電流、電壓的實時監(jiān)測，減少了實驗室安全事件，保護了實驗室中的人員與儀器，也具有重大的社會意義。

運用能耗監(jiān)測平臺實現(xiàn)高校實驗室安全、精確的管理，已逐漸成為未來高校實驗室管理的主要趨勢。后續(xù)，院系能耗平臺監(jiān)測平臺與校區(qū)規(guī)模的能耗管理平臺對接建立全校的實驗室用電管理體系，達到統(tǒng)一管理、統(tǒng)一保障的效果。

·名人名言·

科學實驗是科學理論的源泉，是自然科學的根本，也是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。

——張文裕