上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司 陳澤宇 徐獻(xiàn)清 李新強(qiáng)

1 引言

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的加快推進(jìn)與配套政策的密集出臺(tái)以及輸配電行業(yè)圍繞信息化、數(shù)字化和智能化模式的轉(zhuǎn)型需求，需要通過(guò)一種媒介對(duì)大量的、碎片化的配用電系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)、管理，讓數(shù)字、信息技術(shù)與電力輸配電行業(yè)充分結(jié)合，在這樣的背景下，智能斷路器應(yīng)運(yùn)而生[1]。

2 智能斷路器現(xiàn)狀及發(fā)展

智能斷路器作為電力系統(tǒng)建設(shè)中重要的保護(hù)、控制元件，不僅使用在家庭，也應(yīng)用于建筑、風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等各工業(yè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)對(duì)智能斷路器的需求是物聯(lián)網(wǎng)與垂直行業(yè)融合下新的藍(lán)海市場(chǎng)[2]。我國(guó)每年新增安裝空開(kāi)20億只，相當(dāng)于0.3萬(wàn)億元增量規(guī)模，并且目前空開(kāi)存量600億只，如果將老舊的元器件逐步替代升級(jí)為智能斷路器，意味著近十萬(wàn)億元存量市場(chǎng)，這些存量及未來(lái)增量的斷路器，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)將逐步完成智能化升級(jí)改造。巨大的市場(chǎng)規(guī)模和增長(zhǎng)潛力，意味著需要成熟的質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)能力，以提高產(chǎn)品的市場(chǎng)監(jiān)管力度[3]。

3 主流智能斷路器功能分析

智能斷路器是在傳統(tǒng)低壓斷路器基礎(chǔ)上發(fā)展而成，其在原有低壓斷路器接通、承載以及分?jǐn)嚯娏鞴δ艿幕A(chǔ)上增加了通信功能、測(cè)量采集功能、遠(yuǎn)程控制功能等，部分智能斷路器也能夠通過(guò)通迅,在上位機(jī)上進(jìn)行保護(hù)特性參數(shù)的設(shè)置和修改。智能斷路器一般具備一個(gè)或者多個(gè)功能。

3.1 測(cè)量功能

一是電參數(shù)測(cè)量。電壓、電流、功率、電量、頻率等參數(shù)的測(cè)量；二是狀態(tài)量的測(cè)量。開(kāi)、合閘閘位狀態(tài)；三是其他物理量。溫度（周?chē)h(huán)境、各接線(xiàn)端子、觸頭等、濕度、氣壓等。

3.2 通信功能

使用Modbus、DeviceNet、Profibus 等通訊協(xié)議通過(guò)各種傳播方式（如RS232C、RS485等通訊接口，WiFi、藍(lán)牙傳輸?shù)龋┡c上位機(jī)、電能表等設(shè)備互聯(lián)并通訊數(shù)據(jù)。

3.3 監(jiān)測(cè)功能

通過(guò)通訊功能將測(cè)量采集到的數(shù)據(jù)在顯示屏、上位機(jī)中顯示。

3.4 遠(yuǎn)程控制

通過(guò)通訊功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制斷路器分合閘。

3.5 異常報(bào)警

異常狀態(tài)下斷路器的報(bào)警及信息顯示，如異常脫扣、過(guò)載、溫度/溫升異常等。

3.6 異常判斷

判斷斷路器異常原因或故障原因，并顯示對(duì)應(yīng)信息。

3.7 記錄功能

位置信息錄入記錄，接通分?jǐn)啻螖?shù)記錄、斷路器保護(hù)事件、異常報(bào)警事件、變位事件、自檢事件、保護(hù)功能投退事件、失復(fù)電事件記錄。

3.8 時(shí)鐘功能

能夠度量和顯示時(shí)間，為采集信號(hào)數(shù)據(jù)提供時(shí)間信息，定時(shí)開(kāi)關(guān)，給定時(shí)斷電、上電功能提供時(shí)間信息。

3.9 參數(shù)設(shè)置

保護(hù)特性參數(shù)的設(shè)置和修改。

3.10 拓?fù)湫盘?hào)識(shí)別功能

一般為在電力線(xiàn)信道中的微電流信號(hào)的識(shí)別和發(fā)送，可識(shí)別特定頻率的特征電流信號(hào)，對(duì)識(shí)別到的信號(hào)能夠根據(jù)信號(hào)特性判斷其有效性，按照一定的頻率和調(diào)制方式發(fā)送特征信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路的拓?fù)渥R(shí)別。

3.11 故障預(yù)測(cè)

具備故障診斷功能，即使發(fā)現(xiàn)故障隱患及故障趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)知性研究，如分析斷路器動(dòng)作過(guò)程中的觸頭動(dòng)作信號(hào)預(yù)測(cè)斷路器的機(jī)械故障，或分析采集到的如觸頭的電壓，電流信號(hào)，滅弧室屏蔽罩電位信號(hào)等建立故障診斷模型，對(duì)斷路器進(jìn)行故障診斷。

3.12 壽命預(yù)測(cè)

目前有多種預(yù)測(cè)壽命研究方法，如通過(guò)加速老化試驗(yàn)分析性能退化規(guī)律，基于剩余壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行參數(shù)預(yù)估；實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)影響壽命的多種特征量，預(yù)測(cè)斷路器壽命。此類(lèi)功能市場(chǎng)上主流的斷路器均已配置，技術(shù)相對(duì)成熟，其余功能企業(yè)亦在研發(fā)中，并無(wú)在市場(chǎng)上發(fā)布技術(shù)成熟的產(chǎn)品。

4 主要標(biāo)準(zhǔn)分析

智能斷路器目前大多數(shù)產(chǎn)品依據(jù)的國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如某品牌的智能塑殼斷路器，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 14048.2,雖然具備通訊功能，但未對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。部分帶通訊功能、遠(yuǎn)程控制功能的斷路器執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 21706-2008，雖規(guī)定了組合電器在主要驗(yàn)證組合產(chǎn)品的電氣性能、絕緣性能的試驗(yàn)要求以及試驗(yàn)結(jié)果的判定，但也沒(méi)有對(duì)智能化功能進(jìn)行驗(yàn)證。NB/T 42149-2018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了具有遠(yuǎn)程控制功能的小型斷路器的范圍、特性、標(biāo)志、正常的使用和安裝條件、結(jié)構(gòu)和性能要求以及試驗(yàn)程序要求[4]。

Q/GDW 12174—2021標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了智能量測(cè)開(kāi)關(guān)的分類(lèi)及特性，在智能化檢測(cè)方面規(guī)定了包括電壓、電流、頻率和功率因數(shù)的測(cè)量范圍和量測(cè)準(zhǔn)確度等級(jí)等要求。目前部分具備量測(cè)功能的智能斷路器產(chǎn)品，會(huì)依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)認(rèn)證，但是各集成商、用戶(hù)會(huì)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，提出相應(yīng)的要求，此時(shí)應(yīng)按照實(shí)際功能情況與制造商聲稱(chēng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證[5]。

5 檢測(cè)方法研究

一是測(cè)試設(shè)備，包括測(cè)試電源、測(cè)試儀表、服務(wù)器、顯示屏幕、無(wú)線(xiàn)功能測(cè)試設(shè)備、串口服務(wù)器、交換機(jī)等。二是測(cè)試電源，輸出頻率、相位可調(diào)的高精度電壓源和電流源。三是測(cè)試儀表，用于測(cè)量被測(cè)產(chǎn)品的測(cè)量準(zhǔn)確度。四是服務(wù)器，用于運(yùn)行測(cè)試程序，提供控制平臺(tái)并存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。五是無(wú)線(xiàn)功能測(cè)試設(shè)備，用于驗(yàn)證具備藍(lán)牙、WiFi 等無(wú)線(xiàn)通訊功能的產(chǎn)品功能。六是串口服務(wù)器，能夠?qū)⒋谵D(zhuǎn)換成TCP/IP 、MODBUS 等協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。七是交換機(jī)，測(cè)試試驗(yàn)中各數(shù)據(jù)的交互。

5.1 測(cè)量功能驗(yàn)證

依據(jù)制造商聲稱(chēng)的測(cè)量參數(shù)類(lèi)型、測(cè)量范圍以及測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，可按一般工業(yè)用儀表的準(zhǔn)確度（如1、1.5、2.5、4.0等）對(duì)智能斷路器的準(zhǔn)確度進(jìn)行等級(jí)劃分。取電流測(cè)量功能斷路器為例，按使用設(shè)備分為標(biāo)準(zhǔn)電源法和標(biāo)準(zhǔn)儀表法，被測(cè)產(chǎn)品的準(zhǔn)確度等級(jí)與引用誤差之間的關(guān)系詳見(jiàn)表1。

表1 準(zhǔn)確度與引用誤差的關(guān)系

5.1.1 標(biāo)準(zhǔn)電源法

一是選取智能斷路器電流量程范圍中5個(gè)測(cè)量點(diǎn)（交流斷路器選取額定頻率作為測(cè)試試驗(yàn)頻率點(diǎn)）；二是設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)電流，被測(cè)產(chǎn)品顯示電流，則被測(cè)產(chǎn)品的示值誤差為：

被測(cè)產(chǎn)品的引用誤差為：

式中，R為被檢智能斷路器測(cè)量范圍上限。當(dāng)產(chǎn)品的示值范圍包含負(fù)值時(shí)，為儀表測(cè)量范圍的上限和下限之差。

5.1.2 標(biāo)準(zhǔn)儀表法

一是選取智能斷路器電流量程范圍中5個(gè)測(cè)量點(diǎn)（交流斷路器選取額定頻率作為測(cè)試試驗(yàn)頻率點(diǎn)）；二是當(dāng)電源的準(zhǔn)確度不能滿(mǎn)足要求，將電源作為一般穩(wěn)流源使用，配上標(biāo)準(zhǔn)儀表，調(diào)節(jié)電源輸出電流，標(biāo)準(zhǔn)儀表的顯示值為，被測(cè)產(chǎn)品的示值誤差和引用誤差可以按式（1）和式（2）得出。具備其他類(lèi)型測(cè)量參數(shù)功能的智能斷路器，方法與測(cè)量電流方法類(lèi)似，如電壓，諧波電流等。具備如溫度、濕度等測(cè)量功能的智能斷路器，可以使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境箱與標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行檢測(cè)，得出準(zhǔn)確度等級(jí)。

5.2 通信功能驗(yàn)證

通過(guò)測(cè)試主站給斷路器發(fā)送接收信號(hào)，驗(yàn)證斷路器是否正確應(yīng)答，測(cè)試主站通常為具備硬件層面通訊協(xié)議，如串口RS232/RS485/RS422，并具備Modbus、DeviceNet、Profibus 等通訊協(xié)議的調(diào)試工具，通過(guò)調(diào)試工具發(fā)送接收斷路器的信號(hào)報(bào)文，并具備連接網(wǎng)絡(luò)的電力載波接口、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、藍(lán)牙模塊、網(wǎng)口連接使用TCP/IP 協(xié)議的上位機(jī)系統(tǒng)。測(cè)試如圖1所示。

圖1 測(cè)試

檢測(cè)方法包括：一是通信協(xié)議一致性。具備RS232/RS485/RS422串口通訊功能的產(chǎn)品應(yīng)在設(shè)置多種波特率的情況下，驗(yàn)證測(cè)試主站與被測(cè)產(chǎn)品是否正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，驗(yàn)證串口的有效性、連通性以及通信速率；具備電力載波、藍(lán)牙、WiFi 等通訊功能的產(chǎn)品，驗(yàn)證測(cè)試主站與產(chǎn)品是否正確的數(shù)據(jù)交互。二是通信地址檢查。測(cè)試主站發(fā)送查詢(xún)通訊地址報(bào)文，產(chǎn)品應(yīng)正確回復(fù)地址，并能通過(guò)回復(fù)的地址與產(chǎn)品正常通信。

5.3 監(jiān)測(cè)功能驗(yàn)證

測(cè)試主站連續(xù)讀取產(chǎn)品當(dāng)前測(cè)量值，和測(cè)量功能一同驗(yàn)證，對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù)與斷路器測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性，驗(yàn)證顯示功能是否正常，以及驗(yàn)證制造商聲稱(chēng)的顯示精度。

5.4 遠(yuǎn)程控制功能驗(yàn)證

在控制端分別施加通信合閘信號(hào)和通信分閘信號(hào)。當(dāng)施加通信信號(hào)時(shí)，斷路器應(yīng)正確合/分閘。重復(fù)試驗(yàn)50次（或與制造商協(xié)商確定次數(shù)），驗(yàn)證控制功能以及操動(dòng)機(jī)構(gòu)的正確性，有效性及可靠性。

5.5 異常報(bào)警、判斷功能驗(yàn)證

通過(guò)試驗(yàn)電源、環(huán)境箱等設(shè)備模擬異常狀態(tài)，驗(yàn)證是否符合說(shuō)明書(shū)明確的異常信號(hào)信息，通過(guò)顯示屏、通信功能或聲光信號(hào)顯示或發(fā)送異常信號(hào)，可以是文字信息或報(bào)文特征信號(hào)。

5.6 記錄、存儲(chǔ)功能驗(yàn)證

使用試驗(yàn)設(shè)備輸出模擬狀態(tài)量或模擬參數(shù)，驗(yàn)證計(jì)數(shù)功能的準(zhǔn)確性。事件記錄應(yīng)至少包含事件發(fā)生時(shí)間和發(fā)生原因。模擬觸發(fā)事件發(fā)生條件進(jìn)行驗(yàn)證，事件發(fā)生后，累計(jì)記錄事件+1，測(cè)試主站讀取事件記錄時(shí)，產(chǎn)品應(yīng)返回正確事件記錄次數(shù)。

5.7 時(shí)鐘功能驗(yàn)證

在斷路器的基頻率測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)量，驗(yàn)證時(shí)鐘準(zhǔn)確度。通過(guò)測(cè)試主站發(fā)送指定時(shí)間的同步報(bào)文，讀取產(chǎn)品的當(dāng)前時(shí)間，應(yīng)與指定的時(shí)間一致；讀取產(chǎn)品的當(dāng)前時(shí)間，間隔5min 再次讀取，時(shí)鐘偏差應(yīng)小于3ms。如時(shí)鐘的分辨率不高，可延長(zhǎng)讀取的間隔時(shí)間，須滿(mǎn)足時(shí)鐘準(zhǔn)確度不超過(guò)0.5s/d 或滿(mǎn)足產(chǎn)品聲稱(chēng)時(shí)鐘準(zhǔn)確度。

5.8 拓?fù)渥R(shí)別功能驗(yàn)證

試驗(yàn)設(shè)備按要求的試驗(yàn)值，將不低于產(chǎn)品采樣頻率的特征電流發(fā)送向測(cè)試產(chǎn)品，測(cè)試產(chǎn)品的信號(hào)識(shí)別功能；試驗(yàn)設(shè)備接受產(chǎn)品發(fā)送的特征信號(hào)，識(shí)別特征碼碼元，每位編碼發(fā)送時(shí)間長(zhǎng)度，單次發(fā)送總體時(shí)間偏差，發(fā)送的特征電流大小是否符合說(shuō)明書(shū)的描述。

6 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)輸配電行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和新型智能電力系統(tǒng)的建設(shè)需求下，智能斷路器的發(fā)展被普遍看好。對(duì)智能斷路器產(chǎn)品研究分析后，該產(chǎn)品主要采用了測(cè)量采集技術(shù)、通信技術(shù)、并集成了斷路器原有的保護(hù)控制功能，研究發(fā)現(xiàn)智能斷路器主要涉及功能并不復(fù)雜，檢測(cè)機(jī)構(gòu)可在斷路器原有檢測(cè)能力基礎(chǔ)上，建設(shè)智能斷路器典型功能驗(yàn)證檢測(cè)能力，滿(mǎn)足市場(chǎng)上智能斷路器的檢測(cè)需求。