浅谈基于物联网的安全用电智能装置的研发与选型

关键词：物联网 ；安全用电 ；智能计量设备

0 引言
        近年来，随着用电设备的增多，电气火灾发生起数也不断上升，据统计已占总火灾数量的30%以上了。因此，安全用电变得越来越重要，除了要提高人们安全用电意识外，借助物联网、云计算、移动终端等信息技术，来解决用电安全问题变得越来越重要和紧迫。

1用电现状分析 
       目前低压用户用电中，一般只在入户电源进线端安装了漏电保护开关，根据统计数据显示，电气火灾数量占比更高的主要还是户内电气设备短路、接触不良、电气设备故障、过载、过热等方面的原因。而且目前低压用户用电也很少按照分房间、分回路、分插座、分电器类别进行用电管理，没有对回路的负载进行实时计量及过载监管，容易造成单回路负载太大而引起线路短路、过热等故障，很容易因此而发生火灾灾情。

2安全用电智能计量设备研发与应用
2.1 智能计量设备硬件总体设计
        智能计量设备硬件总体设计主要分为三部分，部分是主控单元部分，主要包括计量模块、电源模块、存储芯片、RTC时钟、LCD显示、RS232串口模块等部分，此部分设计采用了集成计量和MCU控制的ADE7169F16计量芯片，ADE7169是SOC单芯片，集成了51核单片机，电源管理（ADC电池电压测量），硬件RTC（温补），计量精度高，可测量电流、电压有效值、有功功率、无功功率、电网频率、有功电能量等实时电参数。 
        第二部分是受控单元部分，受控单元部分根据应用场景的需要，可选择普通开关或固态开关。（1）普通开关或断路器（空气开关）的通断 ：依靠活动二个金属触点的接触或不接触来实现通断，所以，它们是一种机械装置或机电装置，带负载断开会有电弧产生，分断时间也需要30~50ms，但由于其低成本特性，目前还是主流选择。（2）固态开关的开关：通过改变半导体的导电性，可以连接和断开负载。半导体被加工成晶体管（半导体管）。它是通过半导体内部载流子的运动来实现的。不生成弧。断开时间可以达到一个微妙的水平，比传统的开关快数十万倍。这样，当短路引起的故障电流未达到短路电流的峰值时，可以迅速切断电路，大大降低短路时释放的能量。同时，也减少了短路产生的有害电火花。流过电阻的电流产生的热量为Q=I2rt。图1显示了电流的平方与短路故障前后的时间之间的关系。图中曲线的面积对应于短路时释放的能量。结果表明，普通开关和固态开关释放的能量是短路开关释放能量的4000倍以上。

        另外，受控单元的主控程序设计也是非常重要的，主程序应增加欠压、超压、过电流保护功能，避免因不能及时切断电源而引起电气火灾的问题发生。对所有的电器设备而言，都有一个额定电压，额定电流，但在实际使用中，不能完全保证在额定电压下工作。为了保护电器设备和用电安全，如果低于－15% 这个电压，就是“欠压”，当工作电压下降到这个电压以下，保护动作，切断电源。相反，如果高于+15%这个电压，就是“过压”，保护也动作切断电源。过流保护则针对线路可进行过流保护启动值设置，超过启动值电流则进行保护动作，切断电源。过流保护还应考虑过流保护启动值的整定。为保证正常情况下过流保护不启动，过流保护启动值必须大于该线路的*大负荷电流ILmax；同时还必须考虑在外部故障切除后系统电压恢复期间，负荷（如：电动机）的自启动电流（该电流一般大于正常电流）作用下，过流保护能够正确返回，其返回电流应大于负荷自启动电流。一般考虑后一种情况，所以有I=（KKast/Kr）ILmax，式中，K为可靠系数，一般取1.15 ～ 1.25；Kast 为自启动系数，一般大于1 ；Kr—受控单元的返回系数，一般取0.85 ～ 0.95。Kr越小，过流保护的启动值就越大，其灵敏性就越差，这就是为什么要求受控单元应具有较高的返回系数的原因。
        第三部分串口通信模块部分，要想通过智能计量设备内置或与云端后台管理系统中的命令和算法进行远程控制和数据采集监测，则需要实现智能计量设备与云端后台管理系统间的实时通信功能设计。本产品可选用的通信模块有WIFI模块、GPRS模块、4G模块、LoRa模块、NB-IOT模块等。通信组网模块需要根据设备安装地区的环境特点进行选择，以确保组网的经济性和实用性。

2.2 智能计量设备应用 
        智能计量设备应用包含企业和个人版本，企业应用注重整栋建筑或建筑群方式的节能与安全用电管理功能，而个人应用主要实现在个人家庭内部线路或主要家庭用电设备安全用电管理，如空调、热水器、冰箱等。应用功能主要包括以下几个方面 ：a、实时监测分析，即监测线路或电器运行状态 ；b、峰谷用电分析，即分析峰谷用电消耗，科学合理安排用电时间，提出节能建议；c、远程遥控，即可以手动远程控制，也可以定时远控，还可进行情景联动控制。

3 安科瑞安全用电云平台介绍及选型
3.1安科瑞安全用电云平台介绍
        Acrelcloud-6000安全用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另一方面，云平台提供超大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。

       具体功能如下：
       3.1.1安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。
       3.1.2安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。
       3.1.3手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。
       3.1.4能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气安全运行分析报告。
       3.1.5监控探测终端产品满足国家法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过国家消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。
       3.1.6漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。

3.2漏电火灾监控探测器

 3.3故障电弧探测器
       安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD，共有两种电流等级，可监测回路故障电弧的发生，并及时预警，提醒用户处理，防止电弧导致的火灾的发生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，该产品不可在同一台AF-GSM400下与ARCM混接。如图：

3.4限流式保护器
        安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1，有三种电流等级，可监测回路短路过载等故障信息，发生故障时预警和产生灭弧效果，防止电弧导致的火灾的发生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。
以下是ASCP200-1的主要功能：
        3.4.1短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号。
        3.4.2过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间（3…60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。
        3.4.3表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器启动超温限流保护，并发出声光报警信号。
        3.4.4过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
        3.4.5配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
        3.4.6漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
        3.4.7保护器具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。

3.5剩余电流互感器

3.6AF-GSM400-2G/4G无线上传模块
       AF-GSM400-2G/4G/CE模块是一款2G/4G有线无线模块，该无线模块为安全用电云平台专用模块。
       AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月，单个模块*多可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟，如发生报警，会实时上传数据。

3.7温度传感器

      温度传感器为一热敏电阻NTC，它提供0-120°的温度监控基准，可以用来监测线缆或配电箱体的温度，提供温度保护。

【参考文献】
[1]林进鹏，苏少琳. 高校学生公寓安全用电智能控制与管理系统研究[J]. 广州大学学报（自然版），2016，15（6）：73-78.
[2]雷文锋.基于物联网的安全用电智能计量设备研发与应用[J].
[3]安科瑞安全用电管理云平台手册.2020.02版.

作者简介：王蒙蒙，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事安全用电的研发与应用。