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

摘要 ：基于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其融入到智能計量設備管理中，實(shí)現對用電設備的遠程監測和控制，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 ；智能計量設備
 
0 引言
近年來(lái)，隨著(zhù)用電設備的增多，電氣火災發(fā)生起數也不斷上升，據統計已占總火災數量的30%以上了。因此，安全用電變得越來(lái)越重要，除了要提高人們安全用電意識外，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動(dòng)終端等信息技術(shù)，來(lái)解決用電安全問(wèn)題變得越來(lái)越重要和緊迫。
 
1用電現狀分析 
目低壓用戶(hù)用電中，一般只在入戶(hù)電源進(jìn)線(xiàn)端安裝了漏電保護開(kāi)關(guān)，根據統計數據顯示，電氣火災數量占比高的主要還是戶(hù)內電氣設備短路、接觸不良、電氣設備故障、過(guò)載、過(guò)熱等方面的原因。而且目低壓用戶(hù)用電也很少按照分房間、分回路、分插座、分電器類(lèi)別進(jìn)行用電管理，沒(méi)有對回路的負載進(jìn)行實(shí)時(shí)計量及過(guò)載監管，容易造成單回路負載太大而引起線(xiàn)路短路、過(guò)熱等故障，很容易因此而發(fā)生火災災情。
 
2安全用電智能計量設備研發(fā)與應用 
2.1 智能計量設備硬件總體設計
智能計量設備硬件總體設計主要分為三部分，部分是主控單元部分，主要包括計量模塊、電源模塊、存儲芯片、RTC時(shí)鐘、LCD顯示、RS232串口模塊等部分，此部分設計采用了集成計量和MCU控制的ADE7169F16計量芯片，ADE7169是SOC單芯片，集成了51核單片機，電源管理（ADC電池電壓測量），硬件RTC（溫補），計量精度高，可測量電流、電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、電網(wǎng)頻率、有功電能量等實(shí)時(shí)電參數。
第二部分是受控單元部分，受控單元部分根據應用場(chǎng)景的需要，可選擇普通開(kāi)關(guān)或固態(tài)開(kāi)關(guān)。（1）普通開(kāi)關(guān)或斷路器（空氣開(kāi)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(lái)實(shí)現通斷，所以，它們是一種機械裝置或機電裝置，帶負載斷開(kāi)會(huì )有電弧產(chǎn)生，分斷時(shí)間也需要30~50ms，但由于其低成本特性，目還是主流選擇。（2）固態(tài)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)：通過(guò)改變半導體的導電性，可以連接和斷開(kāi)負載。半導體被加工成晶體管（半導體管）。它是通過(guò)半導體內部載流子的運動(dòng)來(lái)實(shí)現的。不生成弧。斷開(kāi)時(shí)間可以達到一個(gè)微妙的水平，比傳統的開(kāi)關(guān)快數十萬(wàn)倍。這樣，當短路引起的故障電流未達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(guò)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后的時(shí)間之間的關(guān)系。圖中曲線(xiàn)的面積對應于短路時(shí)釋放的能量。結果表明，普通開(kāi)關(guān)和固態(tài)開(kāi)關(guān)釋放的能量是短路開(kāi)關(guān)釋放能量的4000倍以上。
 
另外，受控單元的主控程序設計也是非常重要的，主程序應增加欠壓、超壓、過(guò)電流保護功能，避免因不能及時(shí)切斷電源而引起電氣火災的問(wèn)題發(fā)生。對所有的電器設備而言，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。為了保護電器設備和用電安全，如果低于－15% 這個(gè)電壓，就是“欠壓”，當工作電壓下降到這個(gè)電壓以下，保護動(dòng)作，切斷電源。相反，如果高于+15%這個(gè)電壓，就是“過(guò)壓”，保護也動(dòng)作切斷電源。過(guò)流保護則針對線(xiàn)路可進(jìn)行過(guò)流保護啟動(dòng)值設置，超過(guò)啟動(dòng)值電流則進(jìn)行保護動(dòng)作，切斷電源。過(guò)流保護還應考慮過(guò)流保護啟動(dòng)值的整定。為保證正常情況下過(guò)流保護不啟動(dòng)，過(guò)流保護啟動(dòng)值必須大于該線(xiàn)路的負荷電流ILmax；同時(shí)還必須考慮在外部故障切除后系統電壓恢復期間，負荷（如：電動(dòng)機）的自啟動(dòng)電流（該電流一般大于正常電流）作用下，過(guò)流保護能夠正確返回，其返回電流應大于負荷自啟動(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，一般取1.15 ～ 1.25；Kast 為自啟動(dòng)系數，一般大于1 ；Kr—受控單元的返回系數，一般取0.85 ～ 0.95。Kr越小，過(guò)流保護的啟動(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具有較高的返回系數的原因。
第三部分串口通信模塊部分，要想通過(guò)智能計量設備內置或與云端后臺管理系統中的命令和算法進(jìn)行遠程控制和數據采集監測，則需要實(shí)現智能計量設備與云端后臺管理系統間的實(shí)時(shí)通信功能設計。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)模塊需要根據設備安裝地區的環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行選擇，以確保組網(wǎng)的經(jīng)濟性和實(shí)用性。
 
2.2 智能計量設備應用
智能計量設備應用包含企業(yè)和個(gè)人版本，企業(yè)應用注重整棟建筑或建筑群方式的節能與安全用電管理功能，而個(gè)人應用主要實(shí)現在個(gè)人家庭內部線(xiàn)路或主要家庭用電設備安全用電管理，如空調、熱水器、冰箱等。應用功能主要包括以下幾個(gè)方面 ：a、實(shí)時(shí)監測分析，即監測線(xiàn)路或電器運行狀態(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，提出節能建議；c、遠程遙控，即可以手動(dòng)遠程控制，也可以定時(shí)遠控，還可進(jìn)行情景聯(lián)動(dòng)控制。
 
3 安科瑞安全用電云平臺介紹及選型
3.1安科瑞安全用電云平臺介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、報警、記錄，并且通過(guò)云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過(guò)對上傳至云端的數據進(jìn)行分析，為用戶(hù)提供火災隱患的相關(guān)數據，能夠及早的發(fā)現問(wèn)題并實(shí)施排查，避免火災的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對用戶(hù)的長(cháng)遠發(fā)展具有戰略意義。此外，該系統通過(guò)集中監控，使得數據通過(guò)每個(gè)節點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò )傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進(jìn)行統一的監控和管理。
 
 
 
具體功能如下：
3.1.1安全用電監管服務(wù)系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
    3.1.2安全用電監管服務(wù)系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實(shí)時(shí)監測數據及變化曲線(xiàn)、歷史數據與變化曲線(xiàn)、實(shí)時(shí)報警數據等，能實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)服務(wù)次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產(chǎn)品維護等數據，監管數據能保存十年以上。
    3.1.3手機APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本，能通過(guò)手機APP對每條報警記錄進(jìn)行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
    3.1.4能對各個(gè)單位及設備的電氣安全運行情況進(jìn)行自動(dòng)統計和分析評估，并隨時(shí)展示電氣安全運行分析報告。
    3.1.5監控探測終端產(chǎn)品滿(mǎn)足國家法律法規和有關(guān)技術(shù)標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過(guò)國家消防產(chǎn)品質(zhì)量監測檢驗中心提供的消防3C認證。
    3.1.6漏電探測器能同時(shí)探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過(guò)無(wú)線(xiàn)以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )接入安全用電監管系統平臺。
 
3.2漏電火災監控探測器
 
 
 
3.3故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測回路故障電弧的發(fā)生，并及時(shí)預警，提醒用戶(hù)處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產(chǎn)品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
 
 
 
3.4限流式保護器
安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監測回路短路過(guò)載等故障信息，發(fā)生故障時(shí)預警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過(guò)插入SIM卡直接上傳到平臺。
以下是ASCP200-1的主要功能：
3.4.1短路保護功能。保護器實(shí)時(shí)監測用電線(xiàn)路電流，當線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內實(shí)現快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
3.4.2過(guò)載保護功能。當被保護線(xiàn)路的電流過(guò)載且過(guò)載持續時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3…60秒可設）時(shí)，保護器啟動(dòng)限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
3.4.3表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護器啟動(dòng)超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
3.4.4過(guò)、欠壓保護功能。當保護器檢測到線(xiàn)路電壓過(guò)壓或欠壓時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。
3.4.5配電線(xiàn)纜溫度監測功能。當被監測線(xiàn)纜溫度超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。
3.4.6漏電流監測功能。當被監測的線(xiàn)路漏電超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。
3.4.7保護器具有1路RS485接口，1路2G無(wú)線(xiàn)通訊，可以將數據發(fā)送到后臺監控系統，實(shí)現遠程監控。
 
3.5剩余電流互感器
 
 
3.6AF-GSM400-2G/4G無(wú)線(xiàn)上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)模塊，該無(wú)線(xiàn)模塊為安全用電云平臺模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個(gè)模塊多可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會(huì )實(shí)時(shí)上傳數據。
 
3.7溫度傳感器
 
溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監控基準，可以用來(lái)監測線(xiàn)纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
 
 
 
 
【參考文獻】
[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研究[J]. 廣州大學(xué)學(xué)報（自然版），2016，15（6）：73-78.
[2]雷文鋒.基于物聯(lián)網(wǎng)的安全用電智能計量設備研發(fā)與應用[J].
[3]安科瑞安全用電管理云平臺手冊.2020.02版.