集成電能計量及遠程互動的微型智能斷路器設計

， ， ， ，，，

(1.國網江蘇省電力公司電力科學研究院， 南京 210019； 2.國家電網公司電能計量重點實驗室，南京 210019；3.國網江蘇省電力公司，南京 210019；4.浙江正泰儀器儀表有限責任公司，杭州 310000)

集成電能計量及遠程互動的微型智能斷路器設計

歐陽曾愷1,2，徐晴1, 2，劉建1, 2，田正其1, 2，黃奇峰1,2，錢立軍3，丁振4

(1.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京210019； 2.國家電網公司電能計量重點實驗室，南京210019；3.國網江蘇省電力公司，南京210019；4.浙江正泰儀器儀表有限責任公司，杭州310000)

目前微型斷路器主要用于住宅配電線路的監控與保護，不具備多用電回路的分項電能計量及自動通斷控制，也不支持遠程互動;為提高斷路器智能化、互動化水平，降低用戶生活能耗，設計了一種集成電能計量及遠程互動功能的微型智能斷路器，包括斷路器本體、開關電源模塊、主控單元、采樣回路、自動重合閘模塊、顯示屏等;通過基于RS-485總線的一路總開關、多路分開關的拓撲設計，實現家庭內多用電回路的分項用電數據計量、存儲、顯示及負荷曲線上傳;基于電力線寬帶載波通信方式實現用戶經服務主站和集中器與斷路器的遠程互動;用戶可查詢家庭多用電回路的負荷情況并遠程控制斷路器自動對選定用電回路拉合閘，有利于提高住宅節能水平，適用于建筑能耗管理、電力需求側響應等場合。

微型斷路器；電能計量；寬帶載波；多回路控制；遠程互動

0 引言

隨著我國城鎮化水平的不斷提高，住宅建筑的能源消耗問題已不容忽視。改造現有住宅的配套設施、開展電力需求側管理，促進用戶與供電企業的供需互動，將是降低住宅建筑能耗，實現全社會節能減排的有效途徑。微型斷路器(minimum circuit breaker，MCB)是低壓配電系統中廣泛使用的一種開關電器，承擔終端配電線路，尤其是住宅內用電回路與電器設備的監控與保護重任，可即時接通、分斷線路并處理短路、接地、過負荷及過壓等電氣故障，對供用電的安全、穩定起到十分重要的作用[1-3]。若能在現有微型斷路器基礎上對其進行功能擴展，在不額外增大體積的前提下實現住宅內多用電回路的分項電能計量及遠程拉合閘，將有助于增加用戶參與電力需求側響應的可行性及積極性，降低電網負荷峰谷差，提升住宅建筑節能水平。

目前的家用微型斷路器智能化程度不高，大部分需要手動復位實現用電合閘，尚不能智能識別負荷屬性、根據用戶需求進行響應[4]。現代信息通信技術、傳感器技術、智能控制技術等多學科的發展與交叉融合為研究微型智能斷路器提供了良好的技術條件[5]。微型智能斷路器以微處理器為核心，一方面具備傳統斷路器的過負荷、過電壓壓、漏電流等多元保護能力，另一方面可以擴展自動重合閘、負荷分析、本地LCD顯示等新型功能，并通過配置通信接口實現與其他設備的雙向通信，構成集監控、保護、信息交互于一體的通信網絡，使斷路器從基本的本地保護升級為智能化、網絡化的遠程保護[6-7]。

針對目前家用微型斷路器存在的上述不足，本文設計了一種集成電能計量及遠程互動的微型斷路器。通過一路總開關和多路分開關的拓撲設計，在具備傳統家用微型斷路器保護功能的基礎上，實現家庭內多用電回路的分項電流、電壓、功率及電量(包括總電量和當前電量)的計量、存儲、顯示，以及負荷曲線數據的上傳。支持RS-485與寬帶載波2種通信模式，可選擇手動或自動兩種拉合閘控制模式。在自動控制模式下可通過寬帶載波通信方式接收來自用戶服務網站的遠程命令，自動拉、合閘。采用開關電源及片上系統設計嚴格控制斷路器總開關體積為4 P，分開關體積為2 P，實現了較低成本下住宅節能水平的提升，適用于電力需求側管理、合同能源管理、建筑能耗管理、智慧城市建設等場合，具有良好的工程應用價值。

1 功能架構

為實現預期目標，微型智能斷路器應具備以下功能：

1)多用電回路的分項電能計量：微型智能斷路器由一路總開關和多路分開關構成，安裝在戶內配電箱(型號通常為PZ30)內。總開關位于住宅的總進線處,可控制住宅內全部用電回路的通斷；分開關位于住宅內的各分支用電回路上。開關內部集成了采樣電路及計量模塊，可實現該回路的電流、電壓、有功功率和電能的計量。各路數據經RS-485總線匯總至總開關主控單元累加，得到住宅當前總電流、功率及電能量。

2)多用電回路的電能存儲與顯示：微型智能斷路器在總開關處裝有一個LCD顯示屏，可用于輪流顯示各分開關所在用電回路的用電數據及匯總所得的住宅當前總電流、功率及用電量。

3)本地及遠程通信：微型智能斷路器的各路分開關與總開關之間將通過RS-485總線實現本地數據的串口通信。同時，為實現用戶與微型智能斷路器的遠程互動，需將本地數據經通信網絡傳輸至遠方的用戶服務主站。為減少改造成本，最大程度利用現有設施，考慮到電網公司現有的用電信息采集系統已經大規模推廣應用、技術方案成熟，可直接通過電網公司在用戶臺區部署的集中器進行斷路器存儲數據的抄讀及控制命令的下發，最終實現定時將本地用電數據經集中器上傳至用戶服務主站。用戶通過登錄主站，將可查詢自家當前各用電回路的用電數據，也可以設置各類遠程控制參數，如是否同意參與電網公司的需求側響應等。

4)負荷曲線存儲及上傳：通過在微型智能斷路器總開關的主控單元加裝高精度時鐘和FLASH存儲卡，可實現家庭內各分支用電回路負荷曲線數據的帶時標存儲，采用數據壓縮技術每天一次將負荷曲線數據塊上傳至集中器，既保證數據測量準確性，也控制了數據流量，不至于過多占據通信帶寬。此項功能有助于電網公司進行用戶負荷分析，也可作為用戶參與了負荷轉移/削減等需求響應事件的佐證記錄，將有力支撐電力需求側響應激勵機制的實施。

5)遠程多用電回路通斷控制：微型智能斷路器設有手動及自動兩種拉合閘模式，當處于自動模式時，用戶可在主站上對所查詢的多支用電回路進行通斷選擇。

6)常規用電安全保護：微型智能斷路器具備常規的短路、漏電流、過負荷等保護功能。一旦某用電回路監測到上述情形，該回路上的分開關將快速響應，及時分閘。

2 系統設計

基于上述功能架構，微型智能斷路器組成結構如圖1所示，主要包括斷路器本體、開關電源模塊、主控單元、采樣回路、自動重合閘模塊、寬帶載波通信模塊、LCD顯示屏、控制方式選擇按鍵、清零按鍵等部分。微型智能斷路器的總開關和分開關均具備本地數據處理、存儲、通信及自動重合閘功能，區別在于其輸入電流規格不同、對應功能不同。

圖1 微型智能斷路器系統結構圖

本文設計的總開關最大輸入電流定為80 A，并具備按鍵響應、LCD顯示、遠程通信的功能。由于總開關電流規格大于40 A，所以斷路器本體必須占2 P空間，再考慮自動重合閘模塊和寬帶載波通信模塊，總開關體積需要4 P。分開關最大輸入電流定為40 A，具備電流、電壓采樣及功率、電能計量功能。由于電流規格較小，斷路器本體只占1 P，若本地通信只需支持RS-485，在采用隔離型485芯片方案下，附加重合閘模塊，總體積可控制在2 P。

2.1 開關電源模塊

微型智能斷路器內部各模塊正常工作時功率需求差異較大，普通線性電源難以達到設計要求。由于開關電源可將輸入的交流電壓轉換為各種設備所需的不同直流電壓，因此本文采用開關電源模塊實現對各模塊的穩定供電，其工作框架圖如圖2所示。

圖2 開關電源工作框架圖

在本文設計中，開關電源模塊共分兩大路供電。第一路輸出電壓為12 V，為自動重合閘模塊的直流電機驅動電路和MCU中的寬帶載波通信模塊供電；第二路輸出電壓為5 V，為主控單元內的SOC芯片、數據存儲模塊和RS-485通信模塊供電。

在電機驅動電路中，直流電機驅動電壓為12 V，動作電流為200 mA，可得驅動功率為2.4 W。寬帶載波通信模塊的工作電壓為12 V，工作電流需150 mA，算得功耗為1.8 W。主控單元內的SOC芯片直接驅動LCD顯示屏，整體SOC芯片功耗不大于0.3 W，而數據存儲模塊和RS-485通信模塊合計功耗不大于0.1 W。綜上，為保障微型智能斷路器穩定工作，可將開關電源的額定輸出功率定為6 W。

2.2 主控單元

考慮到微型智能斷路器的整體體積及運行效率，主控單元的設計采用了集成計量模塊及MCU的片上系統(system-on-chip，SOC)方案[8]。

在SOC方案下，計量模塊完成電信號的采集及運算，MCU調用計量模塊運算結果，完成電路通斷控制、遠程通信和人機交互。由于計量模塊具備高測量精度的電信號處理能力，可獨立完成電參量采集、模數轉換等數字量運算，因此大大降低了MCU的運行負荷，提升了微型智能斷路器的整體運行效率。

1)MCU:MCU處理器內核基于ARM 32位Cortex-M0 CPU設計，實現了微型智能斷路器總開關與分開關的RS-485本地通信以及與集中器的寬帶載波遠程通信，并驅動LCD以5 s一次的刷新周期輪流顯示家庭各分支用電回路及總回路的當前電流、當日用電量(指當天零點至目前的電能示值)、累計用電量。MCU還負責響應清零及控制方式選擇按鍵的輸入，按下清零鍵將清空保存的歷史日用電量數據；控制選擇鍵用于實現斷路器拉合閘手動或自動控制方式的切換，手動模式下斷路器將不響應用戶的遠程控制命令，而自動模式下用戶仍可以手動分合閘。

2)計量模塊:SOC芯片計量模塊的有功電能測量誤差小于0.1%，可提供高精度有效值、頻率、ADC波形數據等計量參數；提供多種能量累加方式選擇；支持掉零線、掉火線的低功耗防竊電計量；支持直流計量、單相三線計量。既保證了電能計量的精確性，又提供了多類型的數據供用戶查詢，為用電負荷分析提供了技術條件。

3)數據存儲模塊:由于家庭用電回路分支數多，用電數據運算量、存儲量較大，因此需對SOC芯片自帶的8 K靜態存儲器進行擴展，滿足大容量的數據存儲需求。本文采用了外掛EEPROM芯片(M24256-BRMN6TP)的方案實現各類用電數據存儲，保證微型智能斷路器可存儲近30天的日用電量及累計的總用電量數據。

2.3 采樣回路及自動重合閘模塊

由于智能微型斷路器計量的電能僅供用戶參考而不參與電費結算，因此不需要達到普通智能電能表的計量精度。為節省空間，內部不使用導軌電能表，而是采用錳銅分流器完成電流采樣、分壓網絡電阻完成電壓采樣，并將兩者集成至斷路器本體內。再經SOC芯片計量模塊，構成采樣回路，實現用電回路的電流、電壓、瞬時功率、電能量計量。電流、電壓采樣電路如圖3所示。

圖3 電流及電壓采樣電路

自動重合閘模塊結構如圖4所示，231是驅動電路、232是直流電機、233是齒輪傳動機構，采用內部組件共用開關電源的方式供電，并去除了重合閘控制芯片與反饋電路，改為集成到主控單元統一控制，有效壓縮了模塊體積。

圖4 自動重合閘裝置結構圖

微型智能斷路器某路開關合閘時，主控單元MCU將根據計量模塊采集、計算所得的各類電參數，分析判斷該用電回路是否存在用電異常，當監測到該路電流過載、電壓過大、短路、漏電流等異常或在自動控制模式下接收到用戶的遠程分閘命令時，MCU將向自動重合閘模塊的驅動電路發送控制脈沖，驅動直流電機帶動齒輪傳動機構，進而推動斷路器脫扣裝置實現該回路開關的自動分閘。自動控制模式下的遠程合閘方式與之同理，不再敘述。

微型智能斷路器的簡易立體裝配如圖5所示：1是蓋板，2是斷路器本體，3是 LCD顯示屏，4是印刷電路板組件，5是外殼，內部集成了開關電源模塊、主控單元、自動重合閘模塊、寬帶載波通信模塊等，6是控制方式選擇按鍵，7是清零按鍵。

圖5 微型智能斷路器簡易立體裝配圖

3 遠程互動方案

目前國內用電信息采集系統的典型通信方案為電能表經RS-485至采集器，采集器通過電力線窄帶載波或無線通信方式至集中器[9]。這種方案存在通信帶寬窄、速率低、實時性差、不能實現雙向快速通信等問題，不利于主站對電能表的實時操作，難以滿足電網企業和用戶對用電信息采集、應用的更高層次要求[10]。

近年來發展起來的電力線寬帶載波通信技術采用正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)等調制技術[11]，在2～12 MHz的頻域內將給定信道分成幾十至上千個獨立的正交子信道，在每個子信道上用一個子載波進行調制，實現各子載波并行地傳輸數據，既提高了頻帶利用率，也消除了子信道之間的干擾，解決了長期以來電力線載波通信技術不穩定、信號衰竭大、傳輸帶寬和距離受限等問題[12]，具有抗干擾、通信速率快、成功率高、實時性強、可實現雙向通信[13]等優點。鑒于目前基于寬帶載波的采集方案已逐步推廣應用，因此可通過為微型智能斷路器MCU配置寬帶載波通信模塊，建立穩定、高效的遠程通信信道，實現集中器對斷路器本地數據的直接抄讀和控制命令下發，為用戶與家庭微型智能斷路器的遠程互動創造條件。

寬帶載波通信模塊通過TTL電平串口與主控單元MCU通信，讀取微型智能斷路器存儲的本地用電數據，經調制后發送給集中器，集中器再經光纖、GPRS無線公網等通信方式將數據上傳至用電信息采集系統主站。主站可擴展一個子模塊專門用于存放與用戶微型智能斷路器相關的各類數據，再提供一個外部數據庫接口至事先建立的用戶服務網站。用戶服務網站可以采用手機APP、微信公眾號等方式供微型智能斷路器的所有者注冊完家庭信息后登錄，用戶將具備查詢、設置、控制3種功能權限。

在查詢功能下，用戶可查看自家住宅總體及安裝分開關的各用電回路的電流、功率、累計用電量、當前用電量情況。

在設置功能下，用戶可選擇是否上傳負荷曲線數據、是否自動參加需求側響應活動、負荷削減優先級(優先切斷哪一支用電回路)等。

在控制功能下，若微型智能斷路器處于自動控制模式，用戶可自行選擇家中任意條用電回路接通或關斷，實現多回路遠程分合閘。

通常用戶臺區的一個變壓器下運行了多個集中器，而每個集中器均管理了更多的從節點(如采集器、微型智能斷路器等)。當一個集中器管轄的多個從節點同時與該集中器通信時，寬帶載波通信基于OFDM調制技術和CSMA/CA沖突避讓機制，確保每個從節點的通信成功率[14]。因此一個臺區內不同用戶的微型智能斷路器可同時與所屬集中器進行數據交互，且互不干擾。基于寬帶載波通信技術的用戶與微型智能斷路器遠程互動方案如圖6所示。

圖6 智能微型斷路器遠程互動通信方案

為使智能微型斷路器成為可被集中器識別的從節點，需預先定義兩者之間的通信規約。因當前智能電能表上行通信規約《DLT 645-2007 多功能電能表通信協議》[15]已與用電信息采集系統深度兼容，考慮到智能微型智能斷路器與電能表在整個通信架構中位置類似，可參照上述規約編寫MCU上行通信程序，實現斷路器與集中器之間的數據通信。

為支持用戶經服務主站與微型智能斷路器遠程互動，還需擴展當前集中器的上行通訊協議[16]，以實現主站對各集中器下屬微型智能斷路器的統一管理。

對設置參數命令中的“終端電能表/交流采樣裝置配置參數”進行定義擴展，如表1所示。

表1 配置參數擴展

可在配置參數“通信速率及端口號”中定義常數值用于申明該測量點為微型智能斷路器；在“通信地址”中定義斷路器的6字節通信地址；在“所屬采集器通信地址”定義不同值以區別不同用戶；在“電能費率個數”或“用戶大類號及用戶小類號”中定義0為總開關，其他值依次表示各分支用電回路的分開關。這樣就通過集中器實現了對不同用戶智能微型斷路器及某一斷路器總開關下不同分開關的統一管理。

由于電流、電壓、功率、電能量、負荷曲線數據等均已在Q/GDW 1376.1中有對應的Fn明確標識，故無需再對電能數據類型進行通信規約擴展。而拉合閘等控制類操作在DL/T 645中已有定義，因此主站只需對集中器執行數據轉發命令(AFN=10H)中的“透明轉發”(F1)，即可令微型智能斷路器自行響應遠程控制。

綜上可知各用戶的智能微型斷路器均可作為臺區內集中器下的一普通節點，集中器對其的操作與當前抄讀采集器/電表的方式一致。

4 軟件設計

微型智能斷路器軟件系統主程序主要分為系統初始化程序，控制模式判別程序、分合閘控制程序、數據采樣程序，數據處理程序，數據顯示程序、通信程序等幾部分。系統運行的流程如圖7所示。

圖7 軟件系統流程圖

在系統上電初始化后，軟件系統首先判斷斷路器開關是否處于合閘狀態，若處于分閘狀態，則在轉為合閘之前不會運行其余程序。在斷路器合閘后，系統將自動執行數據采樣、處理、顯示及通信等程序，并實時監測用電回路是否出現異常，一旦判定為異常，將會立即執行分合閘控制程序切斷問題線路。在正常情況下，以用戶的手動分合閘操作為最高優先級，用戶的手動分閘將會中斷所有程序的執行；在用戶未進行人工操作時，控制模式判別程序將會判斷斷路器是否在自動模式。若為自動模式，則結合用戶在服務網站設置的遠程控制參數，一旦接收到遠程的分合閘命令，斷路器將會執行分合閘控制程序自動拉合選定的用電線路；若為手動模式，則斷路器正常執行除分合閘外的其余程序，但不響應任何遠程控制命令。

5 試驗結果與分析

根據上述設計要求對微型智能斷路器進行了樣機研制，并從功能特性、環境適應性、機械結構、電氣結構、機械性能、電氣性能、絕緣性能、電磁兼容性、計量準確性、可靠性等方面對其進行了試驗驗證，主要試驗項目及結果如表2所示。

上述試驗結果表明設計的微型智能斷路器滿足相關設備的技術規范要求，具備在家庭用能場景下的電能計量及本地互動功能，基于寬帶載波通信和用戶服務網站建立的遠程交互方案也是可行有效的。

表2 試驗項目與結果一覽

6 結論

本文設計了一種集成電能計量及遠程互動的微型智能斷路器。在明確功能架構的基礎上實現對斷路器各組成單元的最小體積設計，并基于寬帶載波通信技術及通信規約擴展建立了與電網公司用戶服務網站的遠程交互方案。該微型智能斷路器在具備傳統家用斷路器保護功能的基礎上，可提供家庭內多用電回路的分項用電數據計量、存儲、顯示，及負荷曲線數據上傳功能，支持用戶對家庭用電信息的遠程查詢及多用電回路的遠程自動拉合閘控制。實現了較低成本下住宅建筑節能水平的提升，為用戶參與電力需求側響應創造了有利條件，具有良好的應用前景。

[1] 何莉莉.基于微處理器的斷路器智能化技術的研究[D].天津：河北工業大學，2010．

[2] 馬利人,汪斯珂.基于微型斷路器的三相智能電能表費控電路應用分析[J].儀表技術，2012(11)：9-12.

[3] 李鵬杰. 用于微型斷路器的交直流剩余電流保護技術的研究[D]. 天津：河北工業大學，2014．

[4] Nazmiye B O,Rosemary D, Martha B, et al. The development of smart homes market in the UK[J].Energy, 2013, 60(1): 361-372.

[5] 基于PC104總線便攜式斷路器檢測儀的研制[J].自動化與儀表 2010,25(3):10-12.

[6] 張自峰.低壓斷路器智能化的發展趨勢[J].電氣應用，2010(6):23.

[7]牟龍華,朱國鋒,朱吉然.基于智能電網的智能用戶端設計[J].電力系統保護與控制,2013, 38(21): 53-56.

[8] 韓 釗.基于 ADE7758 的多功能電參數測量模塊設計[D]. 北京: 北京交通大學, 2008.

[9] 張有兵,翁國慶,曹一家,等.網絡化電能質量監測系統中的配電線載波通信[J].電工技術學報，2010，25(6):116-122.

[10]陳金輝，韓媛媛，武文平. 基于單片機PIC16F877A 和計量芯片ATT7022A 的三相多功能復費率電能表的設計[J]. 電力系統保護與控制，2010，38(2):98-100.

[11] 劉 堯,黃玉輝,潘華明.配電網電纜屏蔽層寬帶載波通信技術[J].華東電力,2007(12):60-62.

[12] 智志高新.電力載波通信的革命性顛覆:寬帶載波[EB/OL]. [2015-06-05]. http:// www. chinasmartgrid. com. cn/news/20150605/605618.shtml.

[13] 孫 哲.基于寬帶通信的實時用電信息采集系統研究[D].保定:華北電力大學,2014.

[14] 陳 可，胡曉光.基于電力線寬帶載波集中器設計與中繼算法[J].電力自動化設備，2011,31(9)：115-120.

[15] 電力行業電測量標準化技術委員會.多功能電能表通信協議:DLT 645-2007 [S].北京:中國電力企業聯合會,2007.

[16] 國家電網公司.電力用戶用電信息采集系統通信協議 第1部分:主站與采集終端通信協議:Q/GDW 376.1-2013 [S].北京:國家電網公司營銷部,2013.

DesignofMinimumCircuitbreakerIntegratingElectricEnergyMeteringandRemoteInteraction

Ouyang Zengkai1,2，Xu Qing1,2，Liu Jian1,2，Tian Zhengqi1,2，Huang Qifeng1,2Qian Lijun3，Ding Zhen4

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 210019, China; 2.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering, Nanjing 210019, China;3. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210019, China;4. Zhejiang Chint Instrument & Meter Co., Ltd, Hangzhou 310000,China)

Nowadays minimum circuit breaker (MCB) is used for residential distribution line monitoring and protection, not supporting electric energy metering or automatic open-close control for multi-circuits. A design scheme of smart minimum circuit breaker integrating electric energy metering and remote interaction is proposed to improve intelligentization and communication level, which also contributes to decreasing house energy consumption. The smart MCB consists of circuit breaker, switching mode power supply, sampling circuit, auto-reclosure, display screen and so on. Metering, storage, display and upload of multi-circuits electric energy data as well as load curve, are available by “primary-branch” structure based on RS-485 bus. Users are able to communicate with household smart MCB in long distance by service station and concentrator based on power line broadband carrier. Electric energy data query and remote open-close control of selected home circuits are achieved, which is helpful to promote house energy conservation level, indicating a wide application in building energy consumption management and electric power demand side response.

minimum circuit breaker; electric energy metering；broadband carrier； multi-circuits control；remote interaction

2017-03-06；

2017-04-13。

歐陽曾愷(1990-)，男，江蘇南京人，碩士研究生，助理工程師，主要從事電能計量、通信檢測等方向的研究。

1671-4598(2017)10-0141-06

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.037

TN 913.6

A