基于物聯網的安全用電智能計量設備研發與應用

雷文鋒

（國網信通億力科技有限責任公司，福州 350003）

近年來，隨著用電設備的增多，電氣火災發生起數也不斷上升，據統計已占總火災數量的30%以上了。因此，安全用電變得越來越重要，除了要提高人們安全用電意識外，借助物聯網、云計算、移動終端等信息技術，來解決用電安全問題變得越來越重要和緊迫。

1 用電現狀分析

目前低壓用戶用電中，一般只在入戶電源進線端安裝了漏電保護開關，根據統計數據顯示，電氣火災數量占比更高的主要還是戶內電氣設備短路、接觸不良、電氣設備故障、過載、過熱等方面的原因。而且目前低壓用戶用電也很少按照分房間、分回路、分插座、分電器類別進行用電管理，沒有對回路的負載進行實時計量及過載監管，容易造成單回路負載太大而引起線路短路、過熱等故障，很容易因此而發生火災災情。

2 安全用電智能計量設備研發與應用

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，第一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、無功功率、電網頻率、有功電能量等實時電參數。

第二部分是受控單元部分，受控單元部分根據應用場景的需要，可選擇普通開關或固態開關。（1）普通開關或斷路器（空氣開關）的通斷：依靠活動二個金屬觸點的接觸或不接觸來實現通斷，所以，它們是一種機械裝置或機電裝置，帶負載斷開會有電弧產生，分斷時間也需要30～50ms，但由于其低成本特性，目前還是主流選擇。（2）固態開關的開關：通過改變半導體的導電性，可以連接和斷開負載。半導體被加工成晶體管（半導體管）。它是通過半導體內部載流子的運動來實現的。不生成弧。斷開時間可以達到一個微妙的水平，比傳統的開關快數十萬倍。這樣，當短路引起的故障電流未達到短路電流的峰值時，可以迅速切斷電路，大大降低短路時釋放的能量。同時，也減少了短路產生的有害電火花。流過電阻的電流產生的熱量為Q=I2rt。圖1顯示了電流的平方與短路故障前后的時間之間的關系。圖中曲線的面積對應于短路時釋放的能量。結果表明，普通開關和固態開關釋放的能量是短路開關釋放能量的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、過電流保護功能，避免因不能及時切斷電源而引起電氣火災的問題發生。對所有的電器設備而言，都有一個額定電壓，額定電流，但在實際使用中，不能完全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%這個電壓，就是“欠壓”，當工作電壓下降到這個電壓以下，保護動作，切斷電源。相反，如果高于+15%這個電壓，就是“過壓”，保護也動作切斷電源。過流保護則針對線路可進行過流保護啟動值設置，超過啟動值電流則進行保護動作，切斷電源。過流保護還應考慮過流保護啟動值的整定。為保證正常情況下過流保護不啟動，過流保護啟動值必須大于該線路的最大負荷電流ILmax；同時還必須考慮在外部故障切除后系統電壓恢復期間，負荷（如：電動機）的自啟動電流（該電流一般大于正常電流）作用下，過流保護能夠正確返回，其返回電流應大于負荷自啟動電流。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，過流保護的啟動值就越大，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行遠程控制和數據采集監測，則需要實現智能計量設備與云端后臺管理系統間的實時通信功能設計。本產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。通信組網模塊需要根據設備安裝地區的環境特點進行選擇，以確保組網的經濟性和實用性。

2.2 智能計量設備應用

智能計量設備應用包含企業和個人版本，企業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，而個人應用主要實現在個人家庭內部線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方面：a、實時監測分析，即監測線路或電器運行狀態；b、峰谷用電分析，即分析峰谷用電消耗，科學合理安排用電時間，提出節能建議；c、遠程遙控，即可以手動遠程控制，也可以定時遠控，還可進行情景聯動控制。