基于CAT1技术的照明剩余电流监测系统

刘凯凯, 李晨曦, 王 赛

(上海五零盛同信息科技有限公司, 上海 200331)

0 引 言

市政路灯作为城市基础设施的组成部分,在城市的交通安全、社会治安、人民生活中具有举足轻重的地位,发挥着不可替代的作用。路灯给人们的生活带来很多便利,提升了城市居民的夜生活品质,但路灯独特的特点也带来了一些隐患。路灯分布在城市的各个角落,城市居民很容易接触到路灯杆,路灯杆大多使用钢铁材料,灯具等带电设备处在灯杆顶部,供电线缆分布在路灯杆体内[1]。当带电设备或供电线缆老化破损时,路灯杆将处于带电状态,如果路灯杆接地不良,人体接触到路灯杆会发生触电事故,甚至造成非常严重的后果。

路灯主线缆大多采用地下直埋的方式,时间久后部分线缆的绝缘层发生氧化或腐蚀现象,导致绝缘性能下降。另外,城市快速发展过程中,地下管道铺设、道路改扩建、绿化等工程量显著提高,部分工程施工过程中难免对路灯线缆铺设区域进行开挖,极易破坏路灯线缆[2-4]。部分企业施工过程中造成路灯线缆损坏后,为逃避责任,私自简单接线、直接重新填埋,为路灯线缆埋下安全隐患[5]。

每年汛季,国内均有路灯杆带剩余电流导致行人受伤/身亡的事故发生。因此,有必要对城市路灯线路剩余电流进行管理,保障正常照明供电,保障行人生命安全。目前的路灯供电系统设计中,一般配备普通剩余电流保护断路器,其剩余电流分闸阈值不可调,无法远程监测剩余电流[6]。路灯线路环境复杂,剩余电流保护断路器误跳闸后,需维护人员到现场确认并合闸,这种方式维护困难、耗时耗力[7]。长此以往,部分维护人员把剩余电流保护断路器旁路掉,导致部分路灯线路的剩余电流保护名存实亡。

2020年5月,工业和信息化部办公厅印发了《工业和信息化办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知》,通知制定了主要目标:准确把握全球移动物联网技术标准和产业格局的演进趋势,推动2G/3G物联网业务迁移转网,建立NB-IoT(窄带物联网)、4G(含LTE-CAT1,即速率类别1的4G网络)和5G协同发展的移动物联网综合生态体系。在深化4G网络覆盖、加快5G网络建设的基础上,以NB-IoT满足大部分低速率场景需求,以LTE-CAT1(以下简称CAT1)满足中等速率物联需求和话音需求,以5G技术满足更高速率、低时延联网需求[8]。CAT1技术作为移动物联网的主要组成部分,相较于5G、CAT4的4G网络等具有较大的成本优势,相较于NB-Iot网络而言实时性、并发量等性能更好,基站数量多网络覆盖好[9],非常适用于通信速率要求较低、实时性要求较高的剩余电流监测系统。

本文设计了基于CAT1技术的剩余电流监测系统,针对城市路灯剩余电流管理痛点给出了解决方案。

1 系统设计

基于CAT1技术的剩余电流监测系统主要由剩余电流控制探测器、主站软件(剩余电流物联网平台)组成。基于CAT1技术的剩余电流监测系统组成框图如图1所示。剩余电流控制探测器支持8路剩余电流采集,支持8路开关量输出控制,可通过按键和液晶屏进行人机交互,通过CAT1通信接入主站软件。主站软件支持剩余电流实时数据查询、剩余电流分闸报警消除、剩余电流参数设置和查询、主动报警解析、分合闸控制以及时间记录查询等功能。

图1 基于CAT1技术的剩余电流监测系统组成框图

2 剩余电流控制探测器设计

剩余电流控制探测器组成框图如图2所示。剩余电流控制探测器主要由电源、主控电路、剩余电流采集、控制模块、CAT1通信、外部Flash、实时时钟、LCD液晶、按键、指示灯等模块组成。

图2 剩余电流控制探测器组成框图

电源模块为其他电路模块的正常工作提供电源,先通过AC-DC电源电路把AC 220 V转换为DC 5 V,再把5 V分别转换至3.8 V和3.3 V,3.8 V单独为CAT1模组供电,3.3 V为其余电路模块供电。

主控电路采用STM32F103RCT6作为核心芯片,其采用Cortex-M3内核,CPU最高速度达72 MHz,内部Flash容量256 kB、SRAM容量48 kB,具有3个ADC(18通道)、12通道通用DMA。

剩余电流采集电路实现8路剩余电流采集功能。剩余电流互感器采集信号经滤波和放大后连接至MCU的ADC采样通道,采用多通道分段采集方法提高剩余电流采集精度,剩余电流采集范围达0～30 A。

控制模块实现8路输出控制功能。其中控制器件采用常闭触点继电器,线路正常时线路通过常闭触点保持连接,剩余电流产生并达到分闸阈值时继电器动作线路断开,实现剩余电流分闸功能。

CAT1通信电路采用EC600N作为核心器件,其是移远通信专为M2M和IOT领域而设计的LTE CAT1无线通信模块,支持最大下行速率10 Mb/s和最大上行速率5 Mb/s,超小封装,采用镭雕工艺,散热功能更好。

外部Flash和实时时钟共同实现了事件记录等功能。剩余电流告警或分闸产生时,MCU把发生时间、剩余电流值等数据存储至外部Flash中。另外,剩余电流采集校准系数、剩余电流告警/分闸相关设置阈值参数均存储于外部Flash中。

LCD液晶、按键、指示灯共同实现了人机交互功能,操作按键可在LCD上设置相关剩余电流参数、查看相关剩余电流信息和剩余电流事件记录等。指示灯显示剩余电流控制探测器的电源、运行、报警等状态。

3 主站软件设计

主站软件在智慧照明运营管理平台基础上进行扩展开发,用户管理服务、GIS服务、资产服务、日志服务、数据推送服务等沿用原平台相关成熟功能。新开发数据解析服务、剩余电流通信服务、监控数据服务、监控业务服务、用户交互界面。其中数据解析服务增加剩余电流相关协议解析、报警事件解析;剩余电流通信服务增加剩余电流设备识别、指令管理;监控数据服务增加新的设备类型、支持设备增删改查;监控业务服务增加新的设备类型识别等。系统数据流程如图3所示。

图3 系统数据流程

4 关键功能性能设计

4.1 剩余电流多种报警功能设计

城市照明线路运行环境复杂、距离长、分布广,综合电缆绝缘老化、恶劣天气等因素,造成线路剩余电流现象多种多样。通过剩余电流幅值报警、剩余电流幅值分闸、剩余电流突变分闸功能能更精准地跟踪剩余电流变化情况,达到相应报警/分闸条件发生时实时主报。

(1) 剩余电流幅值报警功能。

支持3级剩余电流幅值报警功能,剩余电流幅值每20 ms更新一次,若启用了剩余电流幅值报警功能,在设置的剩余电流幅值报警延时时间内持续判断该实时剩余电流幅值对应的报警等级,若剩余电流幅值大于等于3级阈值,则置报警状态为3级。若剩余电流幅值大于等于2级阈值小于3级阈值且之前报警状态不等于3级,则置报警状态为2级;若之前报警状态为3级,需判断剩余电流幅值是否比3级阈值小了3级阈值与2级阈值的5%,小了5%以上,将报警状态更新为2级,否则保持3级不变。依次类推,若剩余电流幅值小于1级阈值且之前报警状态不等于1级,则置报警状态为0级;若之前报警状态等于1级,则还要判断该平均值是否比1级阈值小了1级阈值的5%,只有小了超过5%,才将报警状态更新为0级,否则保持1级不变。报警状态0级对应无剩余电流幅值报警或剩余电流幅值报警消警状态。

(2) 剩余电流幅值分闸功能。

每20 ms更新一次剩余电流幅值,若启用了剩余电流幅值分闸模式且当前状态为非分闸状态,在设置的剩余电流幅值分闸延时时间内持续将剩余电流幅值与分闸阈值比较。若剩余电流幅值大于等于分闸阈值,则进行分闸操作并主报剩余电流幅值分闸报文。

剩余电流幅值分闸产生后只能通过人工手动消除,无法由剩余电流控制探测器自动消除。当某回路处于剩余电流幅值分闸状态,若收到了消除分闸状态命令,剩余电流控制探测器操作合闸并主报剩余电流幅值分闸消警报文。

(3) 剩余电流突变分闸功能。

非分闸状态下,剩余电流控制探测器把平稳的剩余电流幅值设定为剩余电流突变基准值。每20 ms更新一次剩余电流幅值,若启用了剩余电流突变分闸功能且当前状态为非分闸状态,在设置的剩余电流突变分闸延时时间内持续判断实时剩余电流幅值与剩余电流突变基准值的差值。此差值大于等于剩余电流突变分闸阈值时,剩余电流控制探测器进行分闸操作并主报剩余电流突变分闸报文。

剩余电流突变分闸产生后只能通过人工手动消除,相关机制与剩余电流幅值分闸功能机制相同。

4.2 CAT1通信关键功能性能设计

剩余电流控制探测器通过CAT1网络与主站软件进行通信。CAT1是LTE技术的一种调制和编码技术,其承载于LTE网络,有4G信号的地方就有CAT1网络。

考虑现场安装与维护的便利性,剩余电流控制探测器采用内置CAT1天线设计。天线安放在壳体内电路板上,这对电路板的传导性能有较高的要求。电路板设计注意事项如表1所示。

5 现场应用情况

基于CAT1技术的剩余电流监测系统已在多个项目中应用。某特区城市某点的运行数据如图4所示。现场的剩余电流控制探测器监测到照明线路剩余电流超过阈值会进行实时报警,监测到剩余电流波动至其他等级阈值,亦会实时报警,可精确地跟踪线路剩余电流变化情况。

图4 某特区城市某点的运行数据

剩余电流控制探测器通信效果优异,剩余电流监测系统运行稳定,实时监测剩余电流状态,发生线路异常剩余电流达到分闸阈值后也能及时跳闸,能有效地保护照明线路安全,减少触电风险。

6 结 语

本文设计的基于CAT1技术的剩余电流监测系统,实现了照明线路剩余电流的实时监测、多级主动报警、自动分闸等功能,可满足照明线路剩余电流智能保护的需求。剩余电流控制探测器采用内置天线设计,可靠、稳定且便于安装维护,具有多级、多种剩余电流报警和分闸机制,可有效地防止城市照明线路剩余电流对人身安全造成危害,减少照明线路剩余电流造成的设备故障、安全隐患,具有较大的社会效益和较高的推广价值。