基于物联网的安全用电智能计量设备研发与应用

雷文锋

（国网信通亿力科技有限责任公司，福州 350003）

近年来，随着用电设备的增多，电气火灾发生起数也不断上升，据统计已占总火灾数量的30%以上了。因此，安全用电变得越来越重要，除了要提高人们安全用电意识外，借助物联网、云计算、移动终端等信息技术，来解决用电安全问题变得越来越重要和紧迫。

1 用电现状分析

目前低压用户用电中，一般只在入户电源进线端安装了漏电保护开关，根据统计数据显示，电气火灾数量占比更高的主要还是户内电气设备短路、接触不良、电气设备故障、过载、过热等方面的原因。而且目前低压用户用电也很少按照分房间、分回路、分插座、分电器类别进行用电管理，没有对回路的负载进行实时计量及过载监管，容易造成单回路负载太大而引起线路短路、过热等故障，很容易因此而发生火灾灾情。

2 安全用电智能计量设备研发与应用

2.1 智能计量设备硬件总体设计

智能计量设备硬件总体设计主要分为三部分，第一部分是主控单元部分，主要包括计量模块、电源模块、存储芯片、RTC时钟、LCD显示、RS232串口模块等部分，此部分设计采用了集成计量和MCU控制的ADE7169F16计量芯片，ADE7169是SOC单芯片，集成了51核单片机，电源管理（ADC电池电压测量），硬件RTC（温补），计量精度高，可测量电流、电压有效值、有功功率、无功功率、电网频率、有功电能量等实时电参数。

第二部分是受控单元部分，受控单元部分根据应用场景的需要，可选择普通开关或固态开关。（1）普通开关或断路器（空气开关）的通断：依靠活动二个金属触点的接触或不接触来实现通断，所以，它们是一种机械装置或机电装置，带负载断开会有电弧产生，分断时间也需要30～50ms，但由于其低成本特性，目前还是主流选择。（2）固态开关的开关：通过改变半导体的导电性，可以连接和断开负载。半导体被加工成晶体管（半导体管）。它是通过半导体内部载流子的运动来实现的。不生成弧。断开时间可以达到一个微妙的水平，比传统的开关快数十万倍。这样，当短路引起的故障电流未达到短路电流的峰值时，可以迅速切断电路，大大降低短路时释放的能量。同时，也减少了短路产生的有害电火花。流过电阻的电流产生的热量为Q=I2rt。图1显示了电流的平方与短路故障前后的时间之间的关系。图中曲线的面积对应于短路时释放的能量。结果表明，普通开关和固态开关释放的能量是短路开关释放能量的4000倍以上。

另外，受控单元的主控程序设计也是非常重要的，主程序应增加欠压、超压、过电流保护功能，避免因不能及时切断电源而引起电气火灾的问题发生。对所有的电器设备而言，都有一个额定电压，额定电流，但在实际使用中，不能完全保证在额定电压下工作。为了保护电器设备和用电安全，如果低于-15%这个电压，就是“欠压”，当工作电压下降到这个电压以下，保护动作，切断电源。相反，如果高于+15%这个电压，就是“过压”，保护也动作切断电源。过流保护则针对线路可进行过流保护启动值设置，超过启动值电流则进行保护动作，切断电源。过流保护还应考虑过流保护启动值的整定。为保证正常情况下过流保护不启动，过流保护启动值必须大于该线路的最大负荷电流ILmax；同时还必须考虑在外部故障切除后系统电压恢复期间，负荷（如：电动机）的自启动电流（该电流一般大于正常电流）作用下，过流保护能够正确返回，其返回电流应大于负荷自启动电流。一般考虑后一种情况，所以有I=（K·Kast/Kr）ILmax，式中，K为可靠系数，一般取1.15～1.25；Kast为自启动系数，一般大于1；Kr—受控单元的返回系数，一般取0.85～0.95。Kr越小，过流保护的启动值就越大，其灵敏性就越差，这就是为什么要求受控单元应具有较高的返回系数的原因。

第三部分串口通信模块部分，要想通过智能计量设备内置或与云端后台管理系统中的命令和算法进行远程控制和数据采集监测，则需要实现智能计量设备与云端后台管理系统间的实时通信功能设计。本产品可选用的通信模块有WIFI模块、GPRS模块、4G模块、LoRa模块、NB-IOT模块等。通信组网模块需要根据设备安装地区的环境特点进行选择，以确保组网的经济性和实用性。

2.2 智能计量设备应用

智能计量设备应用包含企业和个人版本，企业应用注重整栋建筑或建筑群方式的节能与安全用电管理功能，而个人应用主要实现在个人家庭内部线路或主要家庭用电设备安全用电管理，如空调、热水器、冰箱等。应用功能主要包括以下几个方面：a、实时监测分析，即监测线路或电器运行状态；b、峰谷用电分析，即分析峰谷用电消耗，科学合理安排用电时间，提出节能建议；c、远程遥控，即可以手动远程控制，也可以定时远控，还可进行情景联动控制。