基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新一代居民側(cè)智能斷路器研究

陳宇沁，楊世海，方 超，張 凡

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心，南京210019；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京211102）

電子信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動了智能化技術(shù)的快速發(fā)展以及產(chǎn)品的智能化升級[1]。傳統(tǒng)的居民側(cè)微型斷路器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在智能化電網(wǎng)和信息互聯(lián)互通的需求，開發(fā)兼具傳統(tǒng)微型斷路器功能，同時具備數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控的新一代微型斷路器順應(yīng)了時代技術(shù)的發(fā)展以及用戶的需求[2]。

本文研究了新一代微型斷路器，具備普通斷路器的短路保護(hù)、過載保護(hù)功能，同時具有軟件漏電測量值實(shí)時上報，電壓、電流、功率等電參量測量功能和電能測量功能以及電能質(zhì)量監(jiān)測功能。當(dāng)斷路器故障電弧產(chǎn)生時，該斷路器將產(chǎn)生告警信息并根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)進(jìn)行主動跳閘。

1 漏電電流檢測及保護(hù)技術(shù)

1.1 硬件漏電檢測電路及輸出電路

漏電檢測電路如圖1 所示，漏電輸出控制電路如圖2 所示。漏電檢測使用的是FM2147 芯片。

圖1 漏電檢測電路Fig.1 Leakage detection circuit

圖2 漏電輸出控制電路Fig.2 Leakage output control circuit

該電路具有如下特點(diǎn)：

（1）當(dāng)發(fā)生漏電流時，OS 管腳輸出一個持續(xù)30 ms 的高電平脈沖信號；

（2）對于不同的漏電流，具有高的漏電流檢測靈敏性；

（3）具有防EMC 噪聲干擾的功能；

（4）適用于110 V～220 V（50 Hz～60 Hz）的交流網(wǎng)絡(luò)。

漏電互感器套在L 線和N 線上， 當(dāng)出現(xiàn)漏電時，如人觸電、電線老化或電線破損等原因，L 線和N 線上的電流不一樣， 即在漏電互感器上將有電流產(chǎn)生，通過R35和R37采樣電阻變成交流電壓，然后輸入FM2147 芯片內(nèi)。FM2147 將輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛行е礡MS 值，當(dāng)檢測到RMS 值大于規(guī)定值時，在5管腳上輸出不小于30 ms 的高電平脈沖。通過控制輸出電路EL3063 過零觸發(fā)雙相硅輸出光耦， 光耦的4 和6 管腳導(dǎo)通，從而在可控硅的控制極G 上產(chǎn)生一個壓降，可控硅導(dǎo)通，根據(jù)可控硅的特性，一旦極性T1和T2導(dǎo)通后，控制極G 不需要電平維持，光耦導(dǎo)通時間30 ms，大于可控硅的控制極G 導(dǎo)通時間。TRIP1和NOUT1導(dǎo)通，進(jìn)而控制跳閘繼電器導(dǎo)通，控制整個斷路器跳閘，那么整個斷路器內(nèi)部電子部分無電源?？煽毓鑆4，斷開連接，確保下次漏電檢測輸出電路能夠正常工作。

1.2 漏電測試方案

傳統(tǒng)的漏電保護(hù)里面是使用一個電阻，當(dāng)按下測試按鍵后，會在電阻上產(chǎn)生一個電流，此電流只在漏電互感器的N 線或者L 線上產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生一個模擬的漏電流，讓硬件漏電檢測電路檢測這個漏電流，從而產(chǎn)生跳閘動作。這種模擬漏電產(chǎn)生電路，在硬件漏電電路檢測有故障的時候，比如漏電芯片不工作，或者可控硅或者其他元器件故障的時候，嘗試按下漏電測試按鈕，會出現(xiàn)測試電阻溫度過高，從而燒壞測試電阻的問題，造成安全隱患。

為避免這個安全隱患， 本文設(shè)計了一個方案，如圖3 所示， 能夠測試漏電流檢測硬件電路的好壞。在漏電互感器的初級線圈里面，除了讓LN 線同時穿過，作為正常漏電檢測作用外，同時繞一圈線圈通過初級線圈。通過設(shè)計一個電路在這個初級線圈中產(chǎn)生一個漏電流，此時在漏電互感器的次級也將產(chǎn)生一個信號供硬件漏電電流檢測。當(dāng)用戶按下漏電測試按鈕后，單片機(jī)會檢測到此信號。通過驅(qū)動“CLT_IR”信號上輸出一個PWM 信號，在漏電互感器的模擬漏電初級線圈上產(chǎn)生變化的電流信號，通過漏電互感器在次級也將感應(yīng)一個變化的電流信號輸出，并且超過漏電芯片檢測閾值，從而輸出控制信號控制跳閘線圈得電，使斷路器跳閘。

此設(shè)計方案的優(yōu)點(diǎn)是模擬漏電電路為弱電信號，不會產(chǎn)生安全隱患，同時在斷路器設(shè)計結(jié)構(gòu)上節(jié)省了空間。

圖3 模擬漏電產(chǎn)生電路Fig.3 Analog leakage generating circuit

1.3 漏電有效值實(shí)時監(jiān)測功能方案

漏電檢測互感器輸出接采樣電阻把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號如圖4 所示。分成兩路，一路給硬件漏電保護(hù)作為信號的輸入。一路給SOC 單片機(jī)ADC 進(jìn)行采樣，每10 ms 進(jìn)行一個有效值的輸出。

圖4 漏電有效值實(shí)時監(jiān)測功能Fig.4 Real-time monitoring function of leakage RMS

用戶可實(shí)時讀取漏電流實(shí)時有效值， 同時，可設(shè)置軟件漏電預(yù)警或者保護(hù)功能。如硬件漏電流保護(hù)閾值為30 mA， 軟件預(yù)警或者保護(hù)的閾值可以設(shè)置在人可以感知漏電并進(jìn)行自行脫離風(fēng)險的電流10 mA。當(dāng)漏電達(dá)到10 mA 時，會推送消息給居民提醒電氣線路或者設(shè)備有漏電風(fēng)險，通過這種方式將觸電風(fēng)險降到最低。

1.4 漏電保護(hù)電路EMC 防護(hù)技術(shù)

做浪涌抗擾度試驗時的試驗條件是4 kV/12Ω，1.2/50 μs，正負(fù)各5 次。針對圖5 電路試驗過程發(fā)現(xiàn)打幾個浪涌波形后， 將產(chǎn)生智能斷路器跳閘動作，說明試驗時，壓敏上的殘壓較大，導(dǎo)致過零觸發(fā)雙硅輸出光耦U11有很微弱的電流流過， 最終導(dǎo)致可控硅導(dǎo)通，產(chǎn)生跳閘。

圖5 漏電檢測輸出控制電路（無RC 吸收）Fig.5 Leakage detection output control circuit（without RC absorption circuit）

改進(jìn)電路，增加RC 吸收，如圖6 所示。試驗多只樣機(jī)，發(fā)現(xiàn)偶爾有樣機(jī)出現(xiàn)跳閘動作。說明RC 吸收沒有全部吸收干擾，還是有能量流過過零觸發(fā)雙硅輸出光耦。

圖6 漏電檢測輸出控制電路（加RC 吸收）Fig.6 Leakage detection output control circuit（with RC absorption circuit）

繼續(xù)改進(jìn)電路在RC 吸收和可控硅之間增加一個二極管，如圖7 所示，當(dāng)打正向浪涌電壓時，利用二極管導(dǎo)通時間，RC 吸收可以吸收大部分壓敏上的殘留能量，不足以讓可控硅導(dǎo)通，通過大量實(shí)驗，不再有實(shí)驗過程中有跳閘現(xiàn)象。

圖7 漏電檢測輸出控制電路（加RC 吸收+二極管）Fig.7 Leakage detection output control circuit（with RC absorption circuit and diode）

2 故障電弧檢測技術(shù)

2.1 互感器電磁技術(shù)

關(guān)于互感器， 低頻互感器采用鐵硅鋁材料，高頻互感器采用塑料環(huán)。繞線時低頻互感器電感控制在15 mH 左右，自諧振頻率大于50 kHz；高頻互感器電感控制在11～15 μH，自諧振頻率大于15 MHz。

2.2 雙芯互感器密封技術(shù)

雙芯互感器的高頻塑料磁環(huán)設(shè)計在里面，低頻鐵硅鋁磁環(huán)設(shè)計在外面，結(jié)構(gòu)上在高頻環(huán)和低頻環(huán)之間設(shè)計防止樹脂過去的隔板，在互感器灌封時，樹脂不會流到高頻環(huán)里面，以保證高頻環(huán)的頻率特性。

2.3 故障電弧檢測電路

圖8 故障電弧檢測電路Fig.8 Fault arc detection circuit

故障電弧監(jiān)測電路核心采用復(fù)旦微電子公司研發(fā)的FM9010 模組，如圖8 所示，這款模組采用專用芯片F(xiàn)M2203 為主控核心配合雙芯互感器、 放大器、電源電路、電阻電容等元器件，實(shí)現(xiàn)完整的電弧監(jiān)測功能。

該模塊特點(diǎn)有內(nèi)置電源， 輸入6～12 V 電源即可，內(nèi)置電流互感器信號調(diào)理電路，支持外部擴(kuò)展SRAM，用于采集故障電弧波形存儲，在專用雙芯電流互感器以及外圍電路配合下，能夠監(jiān)測回路中發(fā)生的故障電弧現(xiàn)象，并發(fā)出報警信號。

2.4 過零檢測電路

過零檢測電路的作用是在檢測到漏電信號時，模塊發(fā)出報警信號驅(qū)動斷路器跳閘，可以有效的減少跳閘電弧的產(chǎn)生，電路圖如圖9 所示。

圖9 過零檢測電路Fig.9 Zero crossing detection circuit

2.5 誤報后的故障電弧AI 學(xué)習(xí)

居民收到故障電弧探測報警后，首先判斷是否電氣問題比如接觸不良，線路老化等，若發(fā)現(xiàn)用電情況確認(rèn)為誤報，居民可通過手機(jī)APP 通知云端誤報情況。云端會下發(fā)指令到智能斷路器，智能斷路器收到指令后，將保存在存儲器中的電弧波形上傳到云端，云端根據(jù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷問題現(xiàn)象，并根據(jù)AI 算法把相應(yīng)的波形加入白名單，得到一組新的設(shè)置參數(shù)下發(fā)到智能斷路器。通過此方案， 可以有效降低智能斷路器故障電弧的誤報率，提高了電氣安全預(yù)警保護(hù)的可靠性。

3 電參量測量計量功能

3.1 電流采樣技術(shù)

故障電弧檢測模塊需采樣電流實(shí)時值，在設(shè)計電弧檢測互感器里面嵌入了一個低頻互感器，這個互感器就是用于檢測電流的實(shí)時值。這個電流互感器的輸出通過一個采樣電阻變成電壓信號后，分成兩路，一路給故障電弧檢測模塊用，一路給SOC 計量模塊的電流采樣用。

3.2 計量電路

電壓采樣電路如圖10 所示。由于L 線接地，通過串聯(lián)分壓后，輸入到MCU 電壓采樣引腳上。電壓和電流采樣后，通過MCU 的計量核可以得到電壓、電路、有功功率、無功功率、視在功頻率、功率因數(shù)電參量以及電能參數(shù)，以及電壓、電流總諧波畸變率，2～15 次諧波含有率。

圖10 電壓采樣和電流采樣電路Fig.10 Voltage sampling and current sampling circuit

4 溫度采集技術(shù)

溫度采集傳感器采用熱電阻NTC。熱電阻安裝在智能斷路器接線端子處，采用絕緣粘性材料粘結(jié)在端子下方。進(jìn)線兩路，出線兩路，一共四路溫度進(jìn)行采集。采樣電路如圖11 所示。

圖11 溫度采集電路Fig.11 Temperature acquisition circuit

NTC 熱敏電阻的電阻值隨著溫度上升而迅速下降，利用這一特性，可將NTC 熱敏電阻通過測量其電阻值來確定相應(yīng)的溫度。

5 電機(jī)防堵轉(zhuǎn)功能

5.1 軟件防堵轉(zhuǎn)功能

斷路器的合閘和分閘動作，齒輪傳動均為SOC控制，在SOC 正常工作的時候，可以有效控制分閘和合閘動作的時間，防止齒輪傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題時，電機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況持續(xù)產(chǎn)生。電機(jī)驅(qū)動芯片采用的是內(nèi)部采用H 橋電機(jī)驅(qū)動電路芯片，可以通過控制管腳進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。電機(jī)采用3 級齒輪放大，因此采用微型電機(jī)即可驅(qū)動智能斷路器實(shí)行自動重合閘。

5.2 硬件防堵轉(zhuǎn)功能技術(shù)

MP5036 此芯片具有保護(hù)輸出短路過流作用。如圖12 所示， 過流電流值可通過R32電阻值設(shè)置。目前選定的值為5.6 kΩ， 限流的值大概在300 mA。同時芯片的內(nèi)阻為43 mΩ， 在最大電流為300 mA時，產(chǎn)生的壓降為0.013 V，這個壓降比較低，可以忽略對電機(jī)的驅(qū)動的影響。

圖12 硬件防堵轉(zhuǎn)電路Fig.12 Hardware anti locked rotor circuit

電機(jī)內(nèi)阻在15 Ω～30 Ω 左右。電機(jī)正常工作時，相當(dāng)于在內(nèi)阻上串聯(lián)了一個電感阻抗，增加了整個電抗阻值，電流在60 mA 左右，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時，電壓全部加載電機(jī)內(nèi)阻上，12 V 時，電流為800 mA～400 mA，此時，流過MP5036 的電流大于要保護(hù)的電流值，MP5036 將關(guān)斷輸出電壓值， 即V12V 的電壓為0。通過電機(jī)電平檢測電路， 進(jìn)行分壓采樣后到MCU 的一個普通IO 管腳，通過檢測這個IO 管腳的高低電平，既可以得知目前是否堵轉(zhuǎn)。如果為高電平，沒有堵轉(zhuǎn)，如果為低電平，則電機(jī)堵轉(zhuǎn)。在電機(jī)堵轉(zhuǎn)后，可以通過MP5036 的En 管腳，輸入低電平，使芯片不輸出，徹底把電機(jī)驅(qū)動電路的電源供應(yīng)切斷，以防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)時產(chǎn)生電機(jī)發(fā)熱，燒壞甚至產(chǎn)生火災(zāi)的可能性。

6 其他保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

6.1 過載的預(yù)警和保護(hù)

若用戶負(fù)載達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)警閾值，將推送消息提醒用戶電流過載，并可查看實(shí)時電流信息。若負(fù)載電流達(dá)到預(yù)設(shè)的保護(hù)閾值， 智能斷路器將會跳閘。若智能斷路器處于自動模式，每分鐘會重合閘一次，并再次判斷電流是否達(dá)到保護(hù)閾值，如果正常，則不再跳閘，重試次數(shù)重新計數(shù)。如果達(dá)到保護(hù)閾值，會繼續(xù)跳閘。這樣持續(xù)3 次后，不再重合閘，需要用戶手動合閘或者遠(yuǎn)程發(fā)送合閘指令，并重新計數(shù)。如果智能斷路器處于手動模式，當(dāng)檢測到負(fù)載電流達(dá)到預(yù)設(shè)的保護(hù)閾值時， 進(jìn)行跳閘動作，不再重合閘，用戶只能手動合閘或者遠(yuǎn)程發(fā)送合閘指令。用戶也可以通過手機(jī)或智慧大屏設(shè)置預(yù)警和保護(hù)閾值。

6.2 欠壓過壓預(yù)警和保護(hù)

當(dāng)居民家庭電壓欠壓時，將會造成家用電器工作不穩(wěn)定、反復(fù)重啟等現(xiàn)象。電壓過壓時，可能會超過家用電器的額定電壓范圍，導(dǎo)致電器的損壞。利用智能斷路器的欠壓過壓預(yù)警和保護(hù)功能可以有效的保護(hù)電器。當(dāng)電壓降到欠壓預(yù)警上限，或升到過壓預(yù)警下限時，將上報預(yù)警信息到云平臺，通知用戶目前的過欠壓狀態(tài)，引起用戶注意。當(dāng)電壓降到欠壓保護(hù)上限或者升到過壓保護(hù)上限是，智能斷路器會產(chǎn)生跳閘動作，同時推送消息給用戶產(chǎn)生報警時的狀態(tài)如電路器跳閘狀態(tài)、產(chǎn)生的原因以及過欠壓保護(hù)時的電壓、電流、功率、電能、諧波等信息。

6.3 端子接觸不良預(yù)警和保護(hù)

智能斷路器出線接線端子接線不良時，若負(fù)載電流較大，由于接觸電阻的存在，將會會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度上升，加速斷路器老化，減少斷路器壽命，甚至溫度過高時可能引發(fā)電氣火災(zāi)。利用智能斷路器的溫度預(yù)警和保護(hù)功能可以有效檢測端子接觸不良引起溫度上升，并上報報警信息給用戶，并根據(jù)用戶的設(shè)定保護(hù)措施直接跳閘，切斷溫度繼續(xù)上升的途徑。用戶也可實(shí)時監(jiān)測端子的溫度，并配合后臺軟件，查看歷史溫度信息，以及電氣安全診斷報告。

6.4 遠(yuǎn)程重合閘

智能斷路器支持用戶遠(yuǎn)程的控制斷路器合閘和分閘操作?？梢允褂檬謾C(jī)APP，下發(fā)指令到智能斷路器，執(zhí)行相應(yīng)的動作。如外出游玩時，需執(zhí)行部分支路的跳閘動作，此時可以通過操作手機(jī)就可以完成。

7 通信方式

組網(wǎng)通信方式主要有兩種，一種是通過有線的方式，比如電力線載波進(jìn)行通信，一種是通過無線的方式，比如WiFi，兩種方式均需借助上行電力載波或者WiFi，下行RS485 的采集器[3]。

8 結(jié)語

基于物聯(lián)技術(shù)開發(fā)的新一代居民側(cè)智能斷路器，具有傳統(tǒng)微型斷路器、漏電保護(hù)器的功能，同時具有采集電參量、 電能信息以及電能質(zhì)量信息、端子溫度采集和報警、重合閘、漏電實(shí)時預(yù)警和報警。在硬件設(shè)計上充分考慮了EMC 的場景， 使智能斷路器能夠安全可靠的工作。作為居民家庭用電信息采集和保護(hù)的終端，能夠讓客戶實(shí)時掌握用電信息，同時為電氣安全保駕護(hù)航，具備較好的市場前景。