周歧斌,　朱澤偉,　王炯祺,　邢天放

(1.上海市防雷中心, 上?！?01615; 2.浙江省防雷中心, 浙江 杭州　310008)

智能家居中的電涌保護(hù)器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

周歧斌1,朱澤偉1,王炯祺1,邢天放2

(1.上海市防雷中心, 上海201615; 2.浙江省防雷中心, 浙江 杭州310008)

摘要：介紹了電涌保護(hù)器(SPD)在線監(jiān)測(cè)原理,從感知層、中間層、管理層及應(yīng)用層方面闡述了智能家居中SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)要求。提出SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)SPD的老化程度、脫扣狀態(tài)、后備保護(hù)狀態(tài)和雷擊計(jì)數(shù)狀態(tài)等性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),將采集信號(hào)傳輸至管理層、應(yīng)用層,實(shí)現(xiàn)雷擊發(fā)生警報(bào)、故障告警、老化趨勢(shì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等災(zāi)害預(yù)警功能,降低SPD使用風(fēng)險(xiǎn),提升智能家居的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：智能家居; SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 硬件技術(shù)要求; 軟件系統(tǒng)

0引言

智能家居是以住宅為平臺(tái),利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù),將家居生活的有關(guān)設(shè)施進(jìn)行集成,構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)。由于大量電子信息設(shè)備和系統(tǒng)構(gòu)建了智能家居的基礎(chǔ)硬件平臺(tái),因此這些電子信息設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)過(guò)電壓和電涌電流的敏感性也促使智能家居應(yīng)采用合適的電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)來(lái)抑制過(guò)電壓和泄放電涌電流。

SPD是一種用于低壓電氣系統(tǒng)和通信信號(hào)系統(tǒng)的安全保護(hù)產(chǎn)品,但在提供保護(hù)時(shí),其本身的性能指標(biāo)會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而降低,最終由于沖擊能量過(guò)載導(dǎo)致劣化[1]。如果劣化過(guò)程控制不當(dāng),SPD可能因短路失效導(dǎo)致起火燃燒,也可能導(dǎo)致供電及通信中斷。由于電氣和通信信號(hào)線路多,SPD價(jià)格貴,使用方希望SPD徹底失效后再更換,因此需要定期安排維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)SPD[2-3]。SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)SPD性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),精確監(jiān)控SPD的性能劣化情況,并在危險(xiǎn)發(fā)生前有效抑制,節(jié)省人力、物力成本。

1SPD在線監(jiān)測(cè)原理

本文所述的SPD為使用壓敏電阻作為單一器件制成的,根據(jù)GB/T 27746—2011《低壓電器用金屬氧化物壓敏電阻器(MOV)技術(shù)規(guī)范》,判別壓敏電阻劣化有6種模式,由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)無(wú)法對(duì)相關(guān)的電壓參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)(如壓敏電壓、限制電壓等),故在工程中唯一可以在線測(cè)量的是泄漏電流爬升失效模式。所以目前使用互感器對(duì)SPD的阻性電流或有功功耗進(jìn)行測(cè)量,進(jìn)而判斷其老化程度。需要注意的是,在線監(jiān)測(cè)的泄漏電流和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)讀取的泄漏電流有一定的差異,在線監(jiān)測(cè)的泄漏電流值要求在工頻電壓(AC 220 V)下測(cè)量。

除了在線監(jiān)測(cè)泄漏電流(反映SPD的老化程度),還應(yīng)監(jiān)測(cè)SPD的脫扣狀態(tài)(內(nèi)部脫離器)、后備保護(hù)狀態(tài)(外部脫離器)和雷擊計(jì)數(shù)。脫扣狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)原理是監(jiān)測(cè)SPD遙信端口信號(hào),通過(guò)自身采集系統(tǒng)不間斷地采集遙信端口信號(hào),當(dāng)信號(hào)斷開(kāi)時(shí)采集系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警;后備保護(hù)狀態(tài)(如小型斷路器MCB)的監(jiān)測(cè)原理是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)MCB的開(kāi)閉狀態(tài),當(dāng)MCB出現(xiàn)斷開(kāi)時(shí)采集系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警。雷擊計(jì)數(shù)的原理是脈沖電流感應(yīng)器件緊靠SPD安裝在接地線上,感應(yīng)的脈沖電流信號(hào)經(jīng)限幅、整流、濾波后驅(qū)動(dòng)電磁計(jì)數(shù)器將雷電次數(shù)記錄下來(lái)。

2SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)

SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以分為感知層、中間層、管理層及應(yīng)用層。

2.1感知層

感知層(現(xiàn)場(chǎng)端)包含SPD、各類后備保護(hù)開(kāi)關(guān)、采集SPD及雷擊參數(shù)的傳感器(如泄漏電流和脈沖電流互感器等)、數(shù)據(jù)采集器,其中數(shù)據(jù)采集器是將傳感器采集的各種信號(hào)進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的總線信號(hào),并傳送到中間層。

2.2中間層

中間層(網(wǎng)絡(luò)傳輸層)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和介質(zhì)以IP形式將網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳送至管理層,單一壓敏電阻監(jiān)測(cè)應(yīng)設(shè)定唯一靜態(tài)標(biāo)識(shí)號(hào),用戶可通過(guò)服務(wù)器客戶端識(shí)別標(biāo)識(shí)號(hào)對(duì)不同監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集和處理。SPD壓敏電阻監(jiān)測(cè)儀器與用戶終端顯示儀器可采用串口通信[4]或無(wú)線GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

2.3管理層

管理層由基本IT設(shè)備、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等組成,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的通信、存儲(chǔ)、發(fā)布等。SPD在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)基本架構(gòu)如圖1所示。不同建筑物的SPD均設(shè)置壓敏電阻在線監(jiān)測(cè)儀器,儀器臺(tái)數(shù)根據(jù)SPD安裝級(jí)數(shù)確定,同一建筑物不同級(jí)數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均可通過(guò)同一串口、GPRS利用中間層設(shè)備上傳至服務(wù)器[5-6]。

圖1　SPD在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)基本架構(gòu)

2.4應(yīng)用層

應(yīng)用層對(duì)管理層數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)[7-8],是整個(gè)系統(tǒng)的最高平臺(tái),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)管理、報(bào)警管理、日志管理、用戶管理、設(shè)備管理、冗余管理等。

SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2　SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

用戶利用系統(tǒng)客戶端初始登錄時(shí),應(yīng)對(duì)所有SPD在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行初始化設(shè)置,例如時(shí)間的同步校正、采樣周期的即時(shí)采樣(以超過(guò)一次雷暴過(guò)程平均時(shí)長(zhǎng)為宜)以及定時(shí)采樣(5 min為宜)。若初始化失敗,應(yīng)檢查網(wǎng)絡(luò)連接或SPD在線監(jiān)測(cè)儀的工作狀態(tài),應(yīng)用層系統(tǒng)端做出正確提示,同時(shí)SPD在線監(jiān)測(cè)儀必要時(shí)也可進(jìn)行手動(dòng)初始化操作。

當(dāng)雷暴過(guò)程來(lái)臨時(shí),同一建筑物(群)系統(tǒng)連接的所有在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行初始化設(shè)置后,管理人員選擇第一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣方式(即時(shí)采樣)。即時(shí)采樣用來(lái)檢測(cè)壓敏電阻工作狀態(tài),觀察系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)雷電流侵襲,直至雷暴過(guò)程結(jié)束為止,當(dāng)監(jiān)測(cè)電流超過(guò)設(shè)定預(yù)期閾值時(shí),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安全報(bào)警功能。

在雷暴過(guò)程結(jié)束后,在線監(jiān)控SPD的泄漏電流等參數(shù)發(fā)生變化,SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置成第二種壓敏電阻數(shù)據(jù)采樣方式(定時(shí)采樣)。根據(jù)用戶設(shè)備端的防雷安全要求、等級(jí)或建筑物防雷類別,可將定時(shí)采樣周期設(shè)置為5 min～24 h,當(dāng)監(jiān)測(cè)電流超過(guò)設(shè)定預(yù)期閾值時(shí),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安全報(bào)警。

數(shù)據(jù)采樣方式的工作原理是利用SPD在線監(jiān)測(cè)軟件遍歷所有在線監(jiān)測(cè)儀的串口唯一標(biāo)識(shí)號(hào),以確定SPD安裝位置,按照系統(tǒng)采樣要求(定時(shí)、即時(shí))發(fā)送不同類型數(shù)據(jù)采樣指令。當(dāng)感知層收到不同建筑物的數(shù)據(jù)采樣命令后便會(huì)測(cè)試SPD壓敏電阻,測(cè)試數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化識(shí)別格式,存儲(chǔ)于內(nèi)置RAM中。當(dāng)所有儀器采樣任務(wù)完全結(jié)束時(shí),可指令用戶客戶端按照設(shè)定串口號(hào)順序,依次將在線監(jiān)測(cè)儀的測(cè)試數(shù)據(jù)輸出至監(jiān)控設(shè)備,并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù),用戶可將不同建筑物不同級(jí)別SPD采樣數(shù)據(jù)形成按時(shí)間坐標(biāo)的變化曲線,反映SPD的測(cè)試數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),記錄數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)報(bào)表,方便歷史查詢,分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)SPD的變化情況。

3硬件技術(shù)要求

SPD在線監(jiān)測(cè)設(shè)備由單片機(jī)處理器、電流感應(yīng)器件、信號(hào)處理電路、電磁計(jì)數(shù)器、遙信信號(hào)測(cè)量回路、串口電壓轉(zhuǎn)換電路及GPRS模塊等組成,SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過(guò)串口及GPRS通信方式向SPD在線監(jiān)測(cè)儀發(fā)送采樣命令時(shí)監(jiān)測(cè)SPD的劣化狀態(tài)、脫扣狀態(tài)、后備保護(hù)狀態(tài)和雷擊計(jì)數(shù),并在硬件顯示設(shè)備端顯示。最后,單片機(jī)處理器將不同項(xiàng)目的數(shù)據(jù)保存到監(jiān)測(cè)儀的Flash存儲(chǔ)器并傳送至用戶終端,利用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,存儲(chǔ)不同位置SPD的狀態(tài)數(shù)據(jù),顯示其變化趨勢(shì)。

3.1感知層

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)SPD及其后備保護(hù)裝置,應(yīng)對(duì)其工作狀態(tài)、老化程度、脫扣狀態(tài)、后備保護(hù)狀態(tài)和雷擊計(jì)數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采用定時(shí)采集和即時(shí)采集。

除了要求基本電磁兼容外,在預(yù)計(jì)的雷擊工況中,數(shù)據(jù)采集器及其相關(guān)傳感器應(yīng)與所選用的SPD匹配;避免在雷擊時(shí),采集器或傳感器遭受雷擊損壞或影響數(shù)據(jù)的采集(一般即時(shí)采集的方式更易遭受雷擊影響)。如數(shù)據(jù)采集器所采集的SPD最大沖擊電流Iimp為25 kA,則數(shù)據(jù)采集單元(含傳感器)與SPD連線正常運(yùn)行的情況下,25 kA的雷擊沖擊電流不應(yīng)使其損壞或影響其數(shù)據(jù)采集功能。

為了能夠驗(yàn)證和滿足該要求,數(shù)據(jù)采集器應(yīng)在正常接線運(yùn)行的情況下,應(yīng)根據(jù)GB 18802.1—2011《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器 第一部分 性能要求和試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)必須考慮數(shù)據(jù)采集的容錯(cuò)。由于每次雷擊后,SPD短時(shí)間存在泄漏電流不穩(wěn)定的情況,所以需在后期軟件判定時(shí)考慮。

3.2中間層

由于同一監(jiān)控系統(tǒng)建筑物群安裝SPD數(shù)量較大及每組SPD的采集數(shù)據(jù)種類及采樣頻率較高,為避免數(shù)據(jù)量過(guò)大造成管理層的主機(jī)發(fā)生癱瘓,中間層應(yīng)采用分布式結(jié)構(gòu),即使用帶處理數(shù)據(jù)功能的網(wǎng)關(guān)(非透?jìng)鞯木W(wǎng)關(guān))將整個(gè)系統(tǒng)分為多個(gè)子站,并在子站將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,再上傳至管理層。

為了達(dá)到較好的采集效率,每條總線上的終端數(shù)量不宜過(guò)多,最多32個(gè);總線線路不宜過(guò)長(zhǎng),一般500 m以內(nèi),同時(shí)線路中還應(yīng)考慮相應(yīng)的雷電防護(hù)。一般中間層的數(shù)據(jù)由光纖傳輸,以達(dá)到更好的防雷效果。

3.3管理層及應(yīng)用層

管理層及應(yīng)用層應(yīng)有友好的界面和實(shí)用的功能,并對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行判斷,存儲(chǔ)大量的采集數(shù)據(jù)。所以,一般在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)有各種實(shí)用的功能,如預(yù)警功能、故障告警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、雷擊事件統(tǒng)計(jì)、歷史記錄、操作安全防護(hù)、短信語(yǔ)音報(bào)警、界面組態(tài)、日志管理等功能,以方便技術(shù)人員根據(jù)每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況優(yōu)化防雷系統(tǒng)。為方便用戶的二次開(kāi)發(fā),整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有冗余接口,將整個(gè)防雷系統(tǒng)與智能建筑的其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)處理或驅(qū)動(dòng)其他應(yīng)急設(shè)備。

4結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了智能家居中涉及的SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)技術(shù)要求,從設(shè)計(jì)角度分析感知層、中間層、管理層及應(yīng)用層的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和硬件要求,為整體開(kāi)發(fā)SPD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)支撐。

[1]李祥超,趙學(xué)余,姜長(zhǎng)稷,等.電涌保護(hù)器原理與應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,2011.

[2]楊仲江.防雷裝置檢測(cè)審核與驗(yàn)收[M].北京:氣象出版社,2009.

[3]建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范:GB/T 21431—2015[S].

[4]章輝,葉建芳,葉建威.基于MSComm控件串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù),2011,34(8):126-129.

[5]溫宗周,陳改霞.基于GPS/GPRS的遠(yuǎn)程車(chē)輛管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2013,36(8):52-56.

[6]熊小伏,方偉陽(yáng),程韌俐,等.基于實(shí)時(shí)雷擊信息的輸電線強(qiáng)送決策方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013(19):7-11.

[7]郭在華,朱澤偉,邢天放,等.分層土壤電阻率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(6):1306-1314.

[8]周欣,行鴻彥,季鑫源.多功能自動(dòng)氣象站控制與管理系統(tǒng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2011,25(4):39-54.

Online Monitoring System for Surge Protective Device in Smart Home

ZHOU Qibin1,ZHU Zewei1,WANG Jiongqi1,XING Tianfang2

(1.Shanghai Lightning Protection Center, Shanghai 201615, China; 2.Zhejiang Lightning Protection Center, Hangzhou 310008, China)

Abstract：This paper introduced the online monitoring principle of surge protective device(SPD).The structure and technical requirements of SPD online monitoring sysytem were elaborated including sensing layer,middle layer,management layer and application layer in smart home.It is pointed out that the SPD online monitoring sysytem can real-time monitor the performance index of deterioration,tripping status,backup protection status and the surge numbers.Then the collected signal is transmitted to the management layer and application layer.The functions of thunderstorms warnings,error alarming,and trend statistics of SPD’s aging are realized,which minimize the SPD risk and raise the safety and reliability of smart home.

Key words:smart home; SPD online monitoring sysytem; technical requirements of hardware; software system

*基金項(xiàng)目:上海市氣象局啟明星課題(QM201612)

中圖分類號(hào)：TU 856

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-8417(2016)05-0034-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.009

收稿日期：2016-04-25

朱澤偉(1986—),男,工程師,從事雷電防護(hù)工作。

王炯祺(1985—),男,工程師,從事雷電防護(hù)工作。