淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的安全用電智能裝置的研發(fā)與選型

徐霜
（安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801）

摘要 ：基于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其融入到智能計(jì)量設(shè)備管理中，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，大大提高用電效率和安全用電管理水平。 
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) ；安全用電 ；智能計(jì)量設(shè)備

0 引言
        近年來，隨著用電設(shè)備的增多，電氣火災(zāi)發(fā)生起數(shù)也不斷上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)已占總火災(zāi)數(shù)量的30%以上了。因此，安全用電變得越來越重要，除了要提高人們安全用電意識(shí)外，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)終端等信息技術(shù)，來解決用電安全問題變得越來越重要和緊迫。

1用電現(xiàn)狀分析 
       目前低壓用戶用電中，一般只在入戶電源進(jìn)線端安裝了漏電保護(hù)開關(guān)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，電氣火災(zāi)數(shù)量占比更高的主要還是戶內(nèi)電氣設(shè)備短路、接觸不良、電氣設(shè)備故障、過載、過熱等方面的原因。而且目前低壓用戶用電也很少按照分房間、分回路、分插座、分電器類別進(jìn)行用電管理，沒有對(duì)回路的負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量及過載監(jiān)管，容易造成單回路負(fù)載太大而引起線路短路、過熱等故障，很容易因此而發(fā)生火災(zāi)災(zāi)情。

2安全用電智能計(jì)量設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用 
2.1 智能計(jì)量設(shè)備硬件總體設(shè)計(jì) 
        智能計(jì)量設(shè)備硬件總體設(shè)計(jì)主要分為三部分，部分是主控單元部分，主要包括計(jì)量模塊、電源模塊、存儲(chǔ)芯片、RTC時(shí)鐘、LCD顯示、RS232串口模塊等部分，此部分設(shè)計(jì)采用了集成計(jì)量和MCU控制的ADE7169F16計(jì)量芯片，ADE7169是SOC單芯片，集成了51核單片機(jī)，電源管理（ADC電池電壓測(cè)量），硬件RTC（溫補(bǔ)），計(jì)量精度高，可測(cè)量電流、電壓有效值、有功功率、無功功率、電網(wǎng)頻率、有功電能量等實(shí)時(shí)電參數(shù)。 
        第二部分是受控單元部分，受控單元部分根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需要，可選擇普通開關(guān)或固態(tài)開關(guān)。（1）普通開關(guān)或斷路器（空氣開關(guān)）的通斷 ：依靠活動(dòng)二個(gè)金屬觸點(diǎn)的接觸或不接觸來實(shí)現(xiàn)通斷，所以，它們是一種機(jī)械裝置或機(jī)電裝置，帶負(fù)載斷開會(huì)有電弧產(chǎn)生，分?jǐn)鄷r(shí)間也需要30~50ms，但由于其低成本特性，目前還是主流選擇。（2）固態(tài)開關(guān)的開關(guān)：通過改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，可以連接和斷開負(fù)載。半導(dǎo)體被加工成晶體管（半導(dǎo)體管）。它是通過半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。不生成弧。斷開時(shí)間可以達(dá)到一個(gè)微妙的水平，比傳統(tǒng)的開關(guān)快數(shù)十萬倍。這樣，當(dāng)短路引起的故障電流未達(dá)到短路電流的峰值時(shí)，可以迅速切斷電路，大大降低短路時(shí)釋放的能量。同時(shí)，也減少了短路產(chǎn)生的有害電火花。流過電阻的電流產(chǎn)生的熱量為Q=I2rt。圖1顯示了電流的平方與短路故障前后的時(shí)間之間的關(guān)系。圖中曲線的面積對(duì)應(yīng)于短路時(shí)釋放的能量。結(jié)果表明，普通開關(guān)和固態(tài)開關(guān)釋放的能量是短路開關(guān)釋放能量的4000倍以上。

        另外，受控單元的主控程序設(shè)計(jì)也是非常重要的，主程序應(yīng)增加欠壓、超壓、過電流保護(hù)功能，避免因不能及時(shí)切斷電源而引起電氣火災(zāi)的問題發(fā)生。對(duì)所有的電器設(shè)備而言，都有一個(gè)額定電壓，額定電流，但在實(shí)際使用中，不能*保證在額定電壓下工作。為了保護(hù)電器設(shè)備和用電安全，如果低于－15% 這個(gè)電壓，就是“欠壓”，當(dāng)工作電壓下降到這個(gè)電壓以下，保護(hù)動(dòng)作，切斷電源。相反，如果高于+15%這個(gè)電壓，就是“過壓”，保護(hù)也動(dòng)作切斷電源。過流保護(hù)則針對(duì)線路可進(jìn)行過流保護(hù)啟動(dòng)值設(shè)置，超過啟動(dòng)值電流則進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，切斷電源。過流保護(hù)還應(yīng)考慮過流保護(hù)啟動(dòng)值的整定。為保證正常情況下過流保護(hù)不啟動(dòng)，過流保護(hù)啟動(dòng)值必須大于該線路的負(fù)荷電流ILmax；同時(shí)還必須考慮在外部故障切除后系統(tǒng)電壓恢復(fù)期間，負(fù)荷（如：電動(dòng)機(jī)）的自啟動(dòng)電流（該電流一般大于正常電流）作用下，過流保護(hù)能夠正確返回，其返回電流應(yīng)大于負(fù)荷自啟動(dòng)電流。一般考慮后一種情況，所以有I=（K•Kast/Kr）ILmax，式中，K為可靠系數(shù)，一般取1.15 ～ 1.25；Kast 為自啟動(dòng)系數(shù)，一般大于1 ；Kr—受控單元的返回系數(shù)，一般取0.85 ～ 0.95。Kr越小，過流保護(hù)的啟動(dòng)值就越大，其靈敏性就越差，這就是為什么要求受控單元應(yīng)具有較高的返回系數(shù)的原因。 
        第三部分串口通信模塊部分，要想通過智能計(jì)量設(shè)備內(nèi)置或與云端后臺(tái)管理系統(tǒng)中的命令和算法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)，則需要實(shí)現(xiàn)智能計(jì)量設(shè)備與云端后臺(tái)管理系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)通信功能設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品可選用的通信模塊有WIFI模塊、GPRS模塊、4G模塊、LoRa模塊、NB-IOT模塊等。通信組網(wǎng)模塊需要根據(jù)設(shè)備安裝地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行選擇，以確保組網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

2.2 智能計(jì)量設(shè)備應(yīng)用 
        智能計(jì)量設(shè)備應(yīng)用包含企業(yè)和個(gè)人版本，企業(yè)應(yīng)用注重整棟建筑或建筑群方式的節(jié)能與安全用電管理功能，而個(gè)人應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)在個(gè)人家庭內(nèi)部線路或主要家庭用電設(shè)備安全用電管理，如空調(diào)、熱水器、冰箱等。應(yīng)用功能主要包括以下幾個(gè)方面 ：a、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，即監(jiān)測(cè)線路或電器運(yùn)行狀態(tài) ；b、峰谷用電分析，即分析峰谷用電消耗，科學(xué)合理安排用電時(shí)間，提出節(jié)能建議；c、遠(yuǎn)程遙控，即可以手動(dòng)遠(yuǎn)程控制，也可以定時(shí)遠(yuǎn)控，還可進(jìn)行情景聯(lián)動(dòng)控制。

3 安科瑞安全用電云平臺(tái)介紹及選型
3.1安科瑞安全用電云平臺(tái)介紹
        Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏鳌⒃O(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、記錄，并且通過云端的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透?jìng)髦噶?，并時(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過對(duì)上傳至云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為用戶提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實(shí)施排查，避免火災(zāi)的發(fā)生。另一方面，云平臺(tái)提供超大容量的信息儲(chǔ)存及穩(wěn)定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對(duì)用戶的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊(duì)，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。

 3.3故障電弧探測(cè)器
       安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號(hào)代碼為AAFD，共有兩種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路故障電弧的發(fā)生，并及時(shí)預(yù)警，提醒用戶處理，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，該產(chǎn)品不可在同一臺(tái)AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

3.4限流式保護(hù)器
        安科瑞限流式保護(hù)器型號(hào)代碼為ASCP200-1，有三種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時(shí)預(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺(tái)。
以下是ASCP200-1的主要功能：
        3.4.1短路保護(hù)功能。保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
        3.4.2過載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)線路的電流過載且過載持續(xù)時(shí)間超過動(dòng)作時(shí)間（3…60秒可設(shè)）時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
        3.4.3表內(nèi)超溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
        3.4.4過、欠壓保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器檢測(cè)到線路電壓過壓或欠壓時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
        3.4.5配電線纜溫度監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)線纜溫度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
        3.4.6漏電流監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的線路漏電超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
        3.4.7保護(hù)器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.5剩余電流互感器

【參考文獻(xiàn)】 
[1]林進(jìn)鵬，蘇少琳. 高校學(xué)生公寓安全用電智能控制與管理系統(tǒng)研究[J]. 廣州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2016，15（6）：73-78. 
[2]雷文鋒.基于物聯(lián)網(wǎng)的安全用電智能計(jì)量設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用[J].
[3]安科瑞安全用電管理云平臺(tái)手冊(cè).2020.02版.