物聯(lián)網(wǎng)斷路器集成化高精度檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

王鵬程，陸洲杰，張永軍

(1.杭州電力設(shè)備制造有限公司蕭山欣美成套電氣制造分公司，浙江 杭州 311200；2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002)

1 引言

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代下，傳統(tǒng)的電網(wǎng)模式已經(jīng)無法滿足我國(guó)對(duì)電能的需求，而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和電網(wǎng)的融合是解決這個(gè)問題的一個(gè)合理的方案。電力物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的一種應(yīng)用，是信息通信技術(shù)發(fā)展到一定階段的結(jié)果，其將有效整合通信基礎(chǔ)設(shè)施資源和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源，提高電力系統(tǒng)信息化水平，提高電力系統(tǒng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施利用效率，為電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等環(huán)節(jié)提供重要技術(shù)支撐。文獻(xiàn)[1]介紹了物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的概念特點(diǎn)，并針對(duì)國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀提出了搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)平臺(tái)使雙方充分滲透與融合；文獻(xiàn)[2]詳細(xì)描述了智能斷路器的結(jié)構(gòu)原理，并對(duì)其功能特點(diǎn)以及在電力系統(tǒng)中的工作過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；文獻(xiàn)[3]對(duì)智能化斷路器的開發(fā)進(jìn)行了細(xì)致的講解，并重點(diǎn)討論了用于智能化斷路器的智能化全功能低壓脫扣器的開發(fā)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電能質(zhì)量也做了大量的研究。文獻(xiàn)[4]提出了基于模糊層次分析法(FAHP)的靈敏度分析方法，用于對(duì)電能質(zhì)量中各指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)值變化所產(chǎn)生的影響進(jìn)行綜合評(píng)估，引導(dǎo)供電公司和用戶采取合理的供用電決策；文獻(xiàn)[5]針對(duì)模擬相位測(cè)量電路精確度不高的問題設(shè)計(jì)了基于FFT的高精度相位測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了相位測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字化，集成化；文獻(xiàn)[9]針對(duì)電動(dòng)汽車在充電時(shí)產(chǎn)生諧波電流的問題，采用有源濾波器(APF)對(duì)諧波進(jìn)行治理，并采用無差拍控制策略實(shí)現(xiàn)指令電流的精確跟蹤。

本文首先介紹了斷路器集成化的高精度檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)配電環(huán)節(jié)中的電能質(zhì)量評(píng)估方式做了簡(jiǎn)單的描述，同時(shí)介紹了物聯(lián)網(wǎng)斷路器的基本結(jié)構(gòu)以及對(duì)其高精度檢測(cè)技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

2 高精度檢測(cè)和電能質(zhì)量評(píng)估方法

2.1 高精度檢測(cè)技術(shù)

低壓配電網(wǎng)作為電網(wǎng)的末端，直接面對(duì)用戶，具有體量大、分布廣、供電環(huán)境復(fù)雜、需求多樣化等特點(diǎn)。在低壓配電領(lǐng)域，因?yàn)槿狈τ行У谋O(jiān)控、測(cè)量，依然處于電話報(bào)修、故障搶修、人工巡檢的模式，且存在設(shè)備停電恢復(fù)難，響應(yīng)不及時(shí)，運(yùn)行維護(hù)成本高等諸多問題。造成這些問題的其中一大原因就是傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)的管理比較粗放、簡(jiǎn)單，導(dǎo)致測(cè)量的精度較低。

傳統(tǒng)的斷路器對(duì)電流相位的猜測(cè)算法主要是基于離散傅里葉變化的頻域算法，傳統(tǒng)的傅里葉算法可以提取出基頻分量并且可以有效抑制整數(shù)次諧波，但其算法基于靜態(tài)相量模型，會(huì)出現(xiàn)頻譜泄露等問題。傳統(tǒng)的斷路器對(duì)電流諧波的檢測(cè)算法主要是快速傅里葉變換及其改進(jìn)算法，其中快速傅里葉算法頻率的分辨率有限，對(duì)于臨近的頻率成分無法檢測(cè)；其改進(jìn)算法大多采用的是加窗譜線插值，雖然加窗譜線插值FFT算法諧波參數(shù)的檢測(cè)精度較高，但其對(duì)間諧波的檢測(cè)較低；

針對(duì)傳統(tǒng)斷路器精確度不高的問題，設(shè)計(jì)了基于快速傅里葉變換法(FFT)的高精度相位測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA為控制與運(yùn)算核心，并用16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)2路同頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至FPGA中，在用快速傅里葉變換法進(jìn)行相位差的計(jì)算，最后將結(jié)果上傳至控制中心。經(jīng)過測(cè)試，該測(cè)量系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的測(cè)量法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，集成化，同時(shí)測(cè)量精度高，滿足實(shí)際的要求。

在配電網(wǎng)中加入物聯(lián)網(wǎng)集成化斷路器，并且通過物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，做到可以大大提高測(cè)量的精準(zhǔn)性。

加入集成化物聯(lián)網(wǎng)斷路器之后，通過其高精度檢測(cè)效果，所接入配電系統(tǒng)的性能將得到優(yōu)化:

(1)數(shù)據(jù)可視化:高精度的檢測(cè)技術(shù)可提供實(shí)時(shí)精確數(shù)據(jù)，便于實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量有效評(píng)估、快速定位處理故障；

(2)設(shè)備集成化:斷路器集成化之后使得一二次設(shè)備完全智能融合，沒有二次配線，接線簡(jiǎn)單；

(3)大數(shù)據(jù)分析與預(yù)警:將物聯(lián)網(wǎng)斷路器集成化之后，不僅可以對(duì)電路中的個(gè)狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以對(duì)檢測(cè)到的不良數(shù)據(jù)進(jìn)行智能預(yù)警處理。

(4)智能治理:將物聯(lián)網(wǎng)斷路器集成化后并加裝各種模塊，使其一體化，綜合治理更加便利。

2.2 電能質(zhì)量評(píng)估方式

電能質(zhì)量的好壞對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有密切的聯(lián)系。對(duì)電能質(zhì)量的評(píng)估，主要是用來檢驗(yàn)電網(wǎng)中電能指標(biāo)是否超出閾值。在整個(gè)電力系統(tǒng)中，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行有效的評(píng)估是不可或缺的一部分。

在高精度檢測(cè)技術(shù)的前提下，供電公司和用戶可以更直接、更方便得對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行一個(gè)有效地評(píng)估。通過互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)可以將電能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳，再由工作人員對(duì)電能的三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行全方位的評(píng)估，并基于評(píng)估結(jié)果制定相應(yīng)的措施，使得電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)都控制在可以接受的范圍內(nèi)。

配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量主要治理為電流以及波形，對(duì)其中的電壓和頻率以監(jiān)測(cè)為主，治理為輔。監(jiān)測(cè)平臺(tái)會(huì)對(duì)電路中的電流以及諧波等量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到故障信息，系統(tǒng)將快速反應(yīng)故障信息并進(jìn)行預(yù)警。電流波形圖和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)如圖1和圖2所示。

圖1 電流波形圖

圖2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

3 物聯(lián)網(wǎng)斷路器

3.1 物聯(lián)網(wǎng)斷路器的功能

采用一二次設(shè)備融合技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與斷路器相結(jié)合，研制了新型的物聯(lián)網(wǎng)配電斷路器。

斷路器作為一種重要的配電器件，直接與用電終端相連接，是配電環(huán)節(jié)中必不可少的一部分，電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定與斷路器有著緊密的關(guān)系，因此優(yōu)化斷路器性能和智能化程度對(duì)提高低壓配電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性具有重要意義。當(dāng)前，電力系統(tǒng)多應(yīng)用傳統(tǒng)塑殼斷路器低壓保護(hù)器件，但其作為僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)，不可遠(yuǎn)程控制，也無法及時(shí)獲取運(yùn)行信息以制定相關(guān)方案；相對(duì)于傳統(tǒng)斷路器，采用一二次設(shè)備融合技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與斷路器相結(jié)合，研制了新型的物聯(lián)網(wǎng)配電斷路器，物聯(lián)網(wǎng)斷路器將檢測(cè)、通訊和保護(hù)功能集成于一體，可利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊，并通過Wi-Fi與云端的高效無線通訊，實(shí)現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程維護(hù)、移動(dòng)巡檢、空中升級(jí)等操作，同時(shí)可通過手機(jī)或其他移動(dòng)終端對(duì)其進(jìn)行高效管理和運(yùn)行監(jiān)控。在目前的配電網(wǎng)絡(luò)中，物聯(lián)網(wǎng)斷路器可以用來分配電能和保護(hù)線路及電源設(shè)備免受過載、欠電壓、短路和單相接地等故障的危害。智能斷路器的功能如圖3所示。

圖3 智能斷路器功能圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)斷路器的結(jié)構(gòu)

考慮到不同斷路器的結(jié)構(gòu)、形式存在部分差異性，本文以抽屜式智能斷路器為例，對(duì)觸頭系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)以及斷路器連接方式進(jìn)行分析說明。

3.2.1 觸頭系統(tǒng)

各相觸點(diǎn)安裝在絕緣室中，觸點(diǎn)系統(tǒng)采用多觸點(diǎn)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，減少了觸電系統(tǒng)的慣性，保證了斷路器系統(tǒng)的高開斷能力。

3.2.2 操作機(jī)構(gòu)

操作機(jī)構(gòu)安裝在斷路器的中心，與主電路隔離；斷路器合閘時(shí)采用彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，合閘時(shí)速度快。同時(shí)，操作機(jī)構(gòu)還具有手動(dòng)儲(chǔ)能和電動(dòng)儲(chǔ)能、閉合以及斷開的功能。

3.2.3 抽屜式斷路器

抽屜式斷路器主要由斷路器主體、抽屜底座和機(jī)械互鎖單元組成。斷路器的具體組成如下:

(1)搖動(dòng)抽屜座下部橫梁上的搖手柄，可以改變斷路器的三個(gè)工作位置(位置指示器在手柄旁邊)；

(2)“連接”位置:主回路和二次回路均接通，并且此時(shí)隔離板開啟；

(3)“實(shí)驗(yàn)”位置:斷開主回路，關(guān)閉并隔離絕緣隔離板，只接通二次回路，并且必要時(shí)可以進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)；

(4)“分離”位置:主回路與二次回路全部斷開，此時(shí)隔離板關(guān)閉；

(5)抽屜式斷路器具有十分可靠的機(jī)械連鎖裝置，斷路器只有在連接位置和測(cè)試位置處才能閉合；

(6)在同一機(jī)架(包括機(jī)體和抽屜底座)下具有相同額定電流的可抽出斷路器可以互換；

(7)斷路器具有47個(gè)次級(jí)電路接線端子，以方便用戶接線。端子的具體接線原理如圖3所示。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)斷路器的特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)斷路器的應(yīng)用提高了低壓配電系統(tǒng)的故障應(yīng)對(duì)能力和運(yùn)行可靠性。例如，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)斷路器檢測(cè)、通訊功能可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)非正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)。及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)故障快速定位、快速檢測(cè)、快速處理，確保設(shè)備運(yùn)行在一個(gè)安全可靠的狀態(tài)；同時(shí)也可以通過監(jiān)控，對(duì)斷路器的使用壽命進(jìn)行更好地監(jiān)控，為檢修提供更好得科學(xué)依據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)斷路器具有功能一體化的特點(diǎn)，它是以斷路器為核心元件，通過一二次設(shè)備融合技術(shù)將電力儀表、環(huán)境與火災(zāi)檢測(cè)、微機(jī)保護(hù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸?shù)裙δ芗苫?，?yōu)化了斷路器的監(jiān)測(cè)保護(hù)性能。同時(shí)，將物聯(lián)網(wǎng)斷路器與智能開關(guān)柜等設(shè)備構(gòu)成一個(gè)整體，進(jìn)一步了提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，也使檢修變得更加方便、安全。

物聯(lián)網(wǎng)斷路器的最大特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜整體運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過物聯(lián)網(wǎng)斷路器的傳感器傳來的數(shù)據(jù)，在其本身形成一個(gè)對(duì)斷路器的健康狀況進(jìn)行判斷的判據(jù)；或者將數(shù)據(jù)直接上傳至數(shù)據(jù)中心，對(duì)斷路器的運(yùn)行狀況進(jìn)行精確運(yùn)算分析和判別。同屬物聯(lián)網(wǎng)斷路器的傳感器采用數(shù)字化傳輸方式，數(shù)字化方式可使電力數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、傳輸、分析和轉(zhuǎn)換更為可靠、便捷。

圖4 端子接線原理圖

4 斷路器高精度檢測(cè)技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的運(yùn)用場(chǎng)景分析

4.1 智慧工廠

智慧工廠是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施。是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)。在智慧工廠中，智能化高度集中，任意設(shè)備發(fā)生故障都可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工廠的流水線癱瘓，因此，智能配電系統(tǒng)起著決定性作用，對(duì)于各智能開關(guān)柜以及其內(nèi)部的設(shè)備的監(jiān)控尤為關(guān)鍵。其中，物聯(lián)網(wǎng)斷路器作為直接與用電終端相連的設(shè)備，其可以提供高效用電管理，提升安全用電機(jī)制，并且其對(duì)于電力線路是否能安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，它常與新型傳感器以及數(shù)字化控制裝置相配合，可以獨(dú)立采集數(shù)據(jù)，并且能夠及時(shí)檢測(cè)出設(shè)備的一些缺陷和故障問題，并且在缺陷變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出報(bào)警信號(hào)通知運(yùn)維人員，從而避免因設(shè)備損壞而導(dǎo)致的故障發(fā)生。例如一些工廠由于長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)作，電力線路會(huì)老化，導(dǎo)致電路中的電流會(huì)上升，物聯(lián)網(wǎng)斷路器可以根據(jù)檢測(cè)到的電流的大小來判斷是否需要進(jìn)行分閘操作。

4.2 智慧社區(qū)

在智慧社區(qū)中，不同用戶對(duì)于電能的需求有所不同，同時(shí)，由于居民過多，在過去電網(wǎng)公司對(duì)于每個(gè)電表的數(shù)據(jù)采集往往需要人工去挨家挨戶抄表，而用戶也需要經(jīng)常去電網(wǎng)公司繳費(fèi)，造成了很大的不便。將物聯(lián)網(wǎng)斷路器使用在智慧社區(qū)之后，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域化管理、層級(jí)化管理，不僅可以免去傳統(tǒng)的人工抄表的繁瑣步驟，同時(shí)用戶對(duì)于其用電量也可以通過手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，極大地提高了工作效率。在運(yùn)行維護(hù)方面，物聯(lián)網(wǎng)斷路器采取單獨(dú)控制和集成控制，可以通過對(duì)電力線路中的各數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)電路中的故障做出報(bào)警，使得運(yùn)維人員可以盡快地對(duì)故障進(jìn)行排除，避免造成更大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)由于其精確地報(bào)警，還可以節(jié)省對(duì)故障進(jìn)行排查的成本，大大減輕了對(duì)人力財(cái)力的使用。

4.3 智慧交通

在城市的基礎(chǔ)建設(shè)中，交通處于一個(gè)城市的核心部位，在夜間，道路兩旁的路燈往往需要打開，物聯(lián)網(wǎng)斷路器可以通過光線傳感器來控制路燈，使得路燈定時(shí)開啟或者關(guān)閉，為城市道路的照明系統(tǒng)帶來很大的便利，同時(shí)，定時(shí)的開啟和關(guān)閉也可以減少對(duì)電能的浪費(fèi)，做到綠色環(huán)保，符合綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的理論。

4.4 智慧消防

很多的火災(zāi)都是由于用電不規(guī)范引起的，尤其是在夏季，大部分火災(zāi)都是由于電氣設(shè)備超負(fù)荷造成的。在智慧消防中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)升級(jí)，采用傳、感、知等技術(shù)方法，對(duì)電路中的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)事物進(jìn)行識(shí)別、定位、分析，從而從根本上去預(yù)防火災(zāi)等問題的發(fā)生。

4.5 通訊行業(yè)

5G技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)于各行各業(yè)都是一個(gè)極大的沖擊，相較于現(xiàn)在人們普遍使用的4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)給人們帶來更快的網(wǎng)速，更便利的生活方式。近幾年對(duì)于5G技術(shù)的話題一直很火爆，并且國(guó)內(nèi)的通信運(yùn)營(yíng)商針對(duì)5G已經(jīng)推行出一些5G商用套餐，在不久的將來，5G技術(shù)將會(huì)全面代替4G，成為通訊領(lǐng)域內(nèi)的主要工具，國(guó)內(nèi)也在全面推行5G。在智能電網(wǎng)方面，由于電網(wǎng)覆蓋面廣，安全性、穩(wěn)定性要求高，5G技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用將會(huì)使得電網(wǎng)更加安全可靠。近幾年，國(guó)內(nèi)建造了一些5G基站，與此同時(shí)，智能斷路器配電箱的投入使用將會(huì)大大增加，對(duì)于電能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控可以防止一些不必要的損失的發(fā)生。

5 結(jié)論與展望

物聯(lián)網(wǎng)斷路器集成化高精度檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)中的一些繁瑣的問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在未來的幾年中，物聯(lián)網(wǎng)斷路器可能會(huì)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)斷路器在用電市場(chǎng)中的位置，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)斷路器具有傳統(tǒng)斷路器無法滿足市場(chǎng)需求的功能。但將斷路器智能化也是需要一定時(shí)間，它涉及到很多領(lǐng)域方面的技術(shù)，如傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)等，需要更多的投入和開發(fā)。隨著國(guó)家電網(wǎng)大力推行泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，相信在不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)斷路器會(huì)成為電力行業(yè)中不可獲缺的一部分。