物联网断路器集成化高精度检测技术及其应用

王鹏程，陆洲杰，张永军

(1.杭州电力设备制造有限公司萧山欣美成套电气制造分公司，浙江 杭州 311200；2.三峡大学，湖北 宜昌 443002)

1 引言

在当前经济快速发展的时代下，传统的电网模式已经无法满足我国对电能的需求，而实现物联网和电网的融合是解决这个问题的一个合理的方案。电力物联网作为物联网在智能电网中的一种应用，是信息通信技术发展到一定阶段的结果，其将有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，提高电力系统信息化水平，提高电力系统现有基础设施利用效率，为电网发电、输电、变电、配电、用电等环节提供重要技术支撑。文献[1]介绍了物联网和智能电网的概念特点，并针对国内外智能电网的发展现状提出了搭建基于物联网的智能电网平台使双方充分渗透与融合；文献[2]详细描述了智能断路器的结构原理，并对其功能特点以及在电力系统中的工作过程进行了详细的介绍；文献[3]对智能化断路器的开发进行了细致的讲解，并重点讨论了用于智能化断路器的智能化全功能低压脱扣器的开发。同时，国内外学者对电能质量也做了大量的研究。文献[4]提出了基于模糊层次分析法(FAHP)的灵敏度分析方法，用于对电能质量中各指标权重和指标值变化所产生的影响进行综合评估，引导供电公司和用户采取合理的供用电决策；文献[5]针对模拟相位测量电路精确度不高的问题设计了基于FFT的高精度相位测量系统，实现了相位测量系统的数字化，集成化；文献[9]针对电动汽车在充电时产生谐波电流的问题，采用有源滤波器(APF)对谐波进行治理，并采用无差拍控制策略实现指令电流的精确跟踪。

本文首先介绍了断路器集成化的高精度检测技术，并对配电环节中的电能质量评估方式做了简单的描述，同时介绍了物联网断路器的基本结构以及对其高精度检测技术在电力物联网中的应用进行了分析。

2 高精度检测和电能质量评估方法

2.1 高精度检测技术

低压配电网作为电网的末端，直接面对用户，具有体量大、分布广、供电环境复杂、需求多样化等特点。在低压配电领域，因为缺乏有效的监控、测量，依然处于电话报修、故障抢修、人工巡检的模式，且存在设备停电恢复难，响应不及时，运行维护成本高等诸多问题。造成这些问题的其中一大原因就是传统的配电系统的管理比较粗放、简单，导致测量的精度较低。

传统的断路器对电流相位的猜测算法主要是基于离散傅里叶变化的频域算法，传统的傅里叶算法可以提取出基频分量并且可以有效抑制整数次谐波，但其算法基于静态相量模型，会出现频谱泄露等问题。传统的断路器对电流谐波的检测算法主要是快速傅里叶变换及其改进算法，其中快速傅里叶算法频率的分辨率有限，对于临近的频率成分无法检测；其改进算法大多采用的是加窗谱线插值，虽然加窗谱线插值FFT算法谐波参数的检测精度较高，但其对间谐波的检测较低；

针对传统断路器精确度不高的问题，设计了基于快速傅里叶变换法(FFT)的高精度相位测量系统。该系统以FPGA为控制与运算核心，并用16位的模数转换芯片对2路同频信号进行数据采集，将采集到的数据传送至FPGA中，在用快速傅里叶变换法进行相位差的计算，最后将结果上传至控制中心。经过测试，该测量系统相比于传统的测量法，实现了数字化，集成化，同时测量精度高，满足实际的要求。

在配电网中加入物联网集成化断路器，并且通过物联网的优势，做到可以大大提高测量的精准性。

加入集成化物联网断路器之后，通过其高精度检测效果，所接入配电系统的性能将得到优化:

(1)数据可视化:高精度的检测技术可提供实时精确数据，便于实现电能质量有效评估、快速定位处理故障；

(2)设备集成化:断路器集成化之后使得一二次设备完全智能融合，没有二次配线，接线简单；

(3)大数据分析与预警:将物联网断路器集成化之后，不仅可以对电路中的个状态量进行实时监测，同时也可以对检测到的不良数据进行智能预警处理。

(4)智能治理:将物联网断路器集成化后并加装各种模块，使其一体化，综合治理更加便利。

2.2 电能质量评估方式

电能质量的好坏对电力系统的稳定运行有密切的联系。对电能质量的评估，主要是用来检验电网中电能指标是否超出阈值。在整个电力系统中，对电能质量进行有效的评估是不可或缺的一部分。

在高精度检测技术的前提下，供电公司和用户可以更直接、更方便得对电能质量进行一个有效地评估。通过互联网，系统可以将电能的实时数据上传，再由工作人员对电能的三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率等各项数据进行综合分析，对电能质量进行全方位的评估，并基于评估结果制定相应的措施，使得电能质量的各项指标都控制在可以接受的范围内。

配电系统的电能质量主要治理为电流以及波形，对其中的电压和频率以监测为主，治理为辅。监测平台会对电路中的电流以及谐波等量进行实时监测，当检测到故障信息，系统将快速反应故障信息并进行预警。电流波形图和数据监测平台如图1和图2所示。

图1 电流波形图

图2 数据监测平台

3 物联网断路器

3.1 物联网断路器的功能

采用一二次设备融合技术，将物联网技术与断路器相结合，研制了新型的物联网配电断路器。

断路器作为一种重要的配电器件，直接与用电终端相连接，是配电环节中必不可少的一部分，电网运行的安全稳定与断路器有着紧密的关系，因此优化断路器性能和智能化程度对提高低压配电系统的运行可靠性具有重要意义。当前，电力系统多应用传统塑壳断路器低压保护器件，但其作为仅能实现系统的保护，不可远程控制，也无法及时获取运行信息以制定相关方案；相对于传统断路器，采用一二次设备融合技术，将物联网技术与断路器相结合，研制了新型的物联网配电断路器，物联网断路器将检测、通讯和保护功能集成于一体，可利用互联网进行通讯，并通过Wi-Fi与云端的高效无线通讯，实现智能化远程维护、移动巡检、空中升级等操作，同时可通过手机或其他移动终端对其进行高效管理和运行监控。在目前的配电网络中，物联网断路器可以用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路和单相接地等故障的危害。智能断路器的功能如图3所示。

图3 智能断路器功能图

3.2 物联网断路器的结构

考虑到不同断路器的结构、形式存在部分差异性，本文以抽屉式智能断路器为例，对触头系统、操作机构以及断路器连接方式进行分析说明。

3.2.1 触头系统

各相触点安装在绝缘室中，触点系统采用多触点并联的结构，减少了触电系统的惯性，保证了断路器系统的高开断能力。

3.2.2 操作机构

操作机构安装在断路器的中心，与主电路隔离；断路器合闸时采用弹簧储能机构，合闸时速度快。同时，操作机构还具有手动储能和电动储能、闭合以及断开的功能。

3.2.3 抽屉式断路器

抽屉式断路器主要由断路器主体、抽屉底座和机械互锁单元组成。断路器的具体组成如下:

(1)摇动抽屉座下部横梁上的摇手柄，可以改变断路器的三个工作位置(位置指示器在手柄旁边)；

(2)“连接”位置:主回路和二次回路均接通，并且此时隔离板开启；

(3)“实验”位置:断开主回路，关闭并隔离绝缘隔离板，只接通二次回路，并且必要时可以进行动作试验；

(4)“分离”位置:主回路与二次回路全部断开，此时隔离板关闭；

(5)抽屉式断路器具有十分可靠的机械连锁装置，断路器只有在连接位置和测试位置处才能闭合；

(6)在同一机架(包括机体和抽屉底座)下具有相同额定电流的可抽出断路器可以互换；

(7)断路器具有47个次级电路接线端子，以方便用户接线。端子的具体接线原理如图3所示。

3.3 物联网断路器的特点

物联网断路器的应用提高了低压配电系统的故障应对能力和运行可靠性。例如，运用物联网断路器检测、通讯功能可以实时监控设备的运行状态，当出现非正常运行状态时。及时采取应对措施，实现故障快速定位、快速检测、快速处理，确保设备运行在一个安全可靠的状态；同时也可以通过监控，对断路器的使用寿命进行更好地监控，为检修提供更好得科学依据。

物联网断路器具有功能一体化的特点，它是以断路器为核心元件，通过一二次设备融合技术将电力仪表、环境与火灾检测、微机保护、数据通讯传输等功能集成化，优化了断路器的监测保护性能。同时，将物联网断路器与智能开关柜等设备构成一个整体，进一步了提高配电网运行的安全可靠性，也使检修变得更加方便、安全。

物联网断路器的最大特点是可实现开关柜整体运行状态的实时监控，通过物联网断路器的传感器传来的数据，在其本身形成一个对断路器的健康状况进行判断的判据；或者将数据直接上传至数据中心，对断路器的运行状况进行精确运算分析和判别。同属物联网断路器的传感器采用数字化传输方式，数字化方式可使电力数据的储存、传输、分析和转换更为可靠、便捷。

图4 端子接线原理图

4 断路器高精度检测技术在电力物联网中的运用场景分析

4.1 智慧工厂

智慧工厂是实现智能化生产系统过程，以及网络化分布式生产设施。是在数字化工厂的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务。在智慧工厂中，智能化高度集中，任意设备发生故障都可能会导致整个工厂的流水线瘫痪，因此，智能配电系统起着决定性作用，对于各智能开关柜以及其内部的设备的监控尤为关键。其中，物联网断路器作为直接与用电终端相连的设备，其可以提供高效用电管理，提升安全用电机制，并且其对于电力线路是否能安全稳定运行起着至关重要的作用，它常与新型传感器以及数字化控制装置相配合，可以独立采集数据，并且能够及时检测出设备的一些缺陷和故障问题，并且在缺陷变为故障前发出报警信号通知运维人员，从而避免因设备损坏而导致的故障发生。例如一些工厂由于长时间高负荷运作，电力线路会老化，导致电路中的电流会上升，物联网断路器可以根据检测到的电流的大小来判断是否需要进行分闸操作。

4.2 智慧社区

在智慧社区中，不同用户对于电能的需求有所不同，同时，由于居民过多，在过去电网公司对于每个电表的数据采集往往需要人工去挨家挨户抄表，而用户也需要经常去电网公司缴费，造成了很大的不便。将物联网断路器使用在智慧社区之后，可以实现区域化管理、层级化管理，不仅可以免去传统的人工抄表的繁琐步骤，同时用户对于其用电量也可以通过手机APP进行实时查询，极大地提高了工作效率。在运行维护方面，物联网断路器采取单独控制和集成控制，可以通过对电力线路中的各数据进行实时监测，及时对电路中的故障做出报警，使得运维人员可以尽快地对故障进行排除，避免造成更大的经济损失，同时由于其精确地报警，还可以节省对故障进行排查的成本，大大减轻了对人力财力的使用。

4.3 智慧交通

在城市的基础建设中，交通处于一个城市的核心部位，在夜间，道路两旁的路灯往往需要打开，物联网断路器可以通过光线传感器来控制路灯，使得路灯定时开启或者关闭，为城市道路的照明系统带来很大的便利，同时，定时的开启和关闭也可以减少对电能的浪费，做到绿色环保，符合绿色发展和可持续发展的理论。

4.4 智慧消防

很多的火灾都是由于用电不规范引起的，尤其是在夏季，大部分火灾都是由于电气设备超负荷造成的。在智慧消防中，通过物联网技术升级，采用传、感、知等技术方法，对电路中的电压、电流、功率等数据进行实时监测，对事物进行识别、定位、分析，从而从根本上去预防火灾等问题的发生。

4.5 通讯行业

5G技术的出现，对于各行各业都是一个极大的冲击，相较于现在人们普遍使用的4G网络，5G网络会给人们带来更快的网速，更便利的生活方式。近几年对于5G技术的话题一直很火爆，并且国内的通信运营商针对5G已经推行出一些5G商用套餐，在不久的将来，5G技术将会全面代替4G，成为通讯领域内的主要工具，国内也在全面推行5G。在智能电网方面，由于电网覆盖面广，安全性、稳定性要求高，5G技术在智能电网中的应用将会使得电网更加安全可靠。近几年，国内建造了一些5G基站，与此同时，智能断路器配电箱的投入使用将会大大增加，对于电能数据的实时准确地监控可以防止一些不必要的损失的发生。

5 结论与展望

物联网断路器集成化高精度检测技术的广泛应用解决了传统电网中的一些繁琐的问题。随着物联网产业的快速发展，在未来的几年中，物联网断路器可能会逐步代替传统断路器在用电市场中的位置，因为物联网断路器具有传统断路器无法满足市场需求的功能。但将断路器智能化也是需要一定时间，它涉及到很多领域方面的技术，如传感器技术、计算机技术、微电子技术等，需要更多的投入和开发。随着国家电网大力推行泛在电力物联网，相信在不久的将来，物联网断路器会成为电力行业中不可获缺的一部分。