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(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院， 南京 210019； 2.國家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210019；4.浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司，杭州 310000)

集成電能計(jì)量及遠(yuǎn)程互動的微型智能斷路器設(shè)計(jì)

歐陽曾愷1,2，徐晴1, 2，劉建1, 2，田正其1, 2，黃奇峰1,2，錢立軍3，丁振4

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京210019； 2.國家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210019；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京210019；4.浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司，杭州310000)

目前微型斷路器主要用于住宅配電線路的監(jiān)控與保護(hù)，不具備多用電回路的分項(xiàng)電能計(jì)量及自動通斷控制，也不支持遠(yuǎn)程互動;為提高斷路器智能化、互動化水平，降低用戶生活能耗，設(shè)計(jì)了一種集成電能計(jì)量及遠(yuǎn)程互動功能的微型智能斷路器，包括斷路器本體、開關(guān)電源模塊、主控單元、采樣回路、自動重合閘模塊、顯示屏等;通過基于RS-485總線的一路總開關(guān)、多路分開關(guān)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)多用電回路的分項(xiàng)用電數(shù)據(jù)計(jì)量、存儲、顯示及負(fù)荷曲線上傳;基于電力線寬帶載波通信方式實(shí)現(xiàn)用戶經(jīng)服務(wù)主站和集中器與斷路器的遠(yuǎn)程互動;用戶可查詢家庭多用電回路的負(fù)荷情況并遠(yuǎn)程控制斷路器自動對選定用電回路拉合閘，有利于提高住宅節(jié)能水平，適用于建筑能耗管理、電力需求側(cè)響應(yīng)等場合。

微型斷路器；電能計(jì)量；寬帶載波；多回路控制；遠(yuǎn)程互動

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，住宅建筑的能源消耗問題已不容忽視。改造現(xiàn)有住宅的配套設(shè)施、開展電力需求側(cè)管理，促進(jìn)用戶與供電企業(yè)的供需互動，將是降低住宅建筑能耗，實(shí)現(xiàn)全社會節(jié)能減排的有效途徑。微型斷路器(minimum circuit breaker，MCB)是低壓配電系統(tǒng)中廣泛使用的一種開關(guān)電器，承擔(dān)終端配電線路，尤其是住宅內(nèi)用電回路與電器設(shè)備的監(jiān)控與保護(hù)重任，可即時接通、分?jǐn)嗑€路并處理短路、接地、過負(fù)荷及過壓等電氣故障，對供用電的安全、穩(wěn)定起到十分重要的作用[1-3]。若能在現(xiàn)有微型斷路器基礎(chǔ)上對其進(jìn)行功能擴(kuò)展，在不額外增大體積的前提下實(shí)現(xiàn)住宅內(nèi)多用電回路的分項(xiàng)電能計(jì)量及遠(yuǎn)程拉合閘，將有助于增加用戶參與電力需求側(cè)響應(yīng)的可行性及積極性，降低電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，提升住宅建筑節(jié)能水平。

目前的家用微型斷路器智能化程度不高，大部分需要手動復(fù)位實(shí)現(xiàn)用電合閘，尚不能智能識別負(fù)荷屬性、根據(jù)用戶需求進(jìn)行響應(yīng)[4]?，F(xiàn)代信息通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)等多學(xué)科的發(fā)展與交叉融合為研究微型智能斷路器提供了良好的技術(shù)條件[5]。微型智能斷路器以微處理器為核心，一方面具備傳統(tǒng)斷路器的過負(fù)荷、過電壓壓、漏電流等多元保護(hù)能力，另一方面可以擴(kuò)展自動重合閘、負(fù)荷分析、本地LCD顯示等新型功能，并通過配置通信接口實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的雙向通信，構(gòu)成集監(jiān)控、保護(hù)、信息交互于一體的通信網(wǎng)絡(luò)，使斷路器從基本的本地保護(hù)升級為智能化、網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程保護(hù)[6-7]。

針對目前家用微型斷路器存在的上述不足，本文設(shè)計(jì)了一種集成電能計(jì)量及遠(yuǎn)程互動的微型斷路器。通過一路總開關(guān)和多路分開關(guān)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，在具備傳統(tǒng)家用微型斷路器保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)多用電回路的分項(xiàng)電流、電壓、功率及電量(包括總電量和當(dāng)前電量)的計(jì)量、存儲、顯示，以及負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)的上傳。支持RS-485與寬帶載波2種通信模式，可選擇手動或自動兩種拉合閘控制模式。在自動控制模式下可通過寬帶載波通信方式接收來自用戶服務(wù)網(wǎng)站的遠(yuǎn)程命令，自動拉、合閘。采用開關(guān)電源及片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制斷路器總開關(guān)體積為4 P，分開關(guān)體積為2 P，實(shí)現(xiàn)了較低成本下住宅節(jié)能水平的提升，適用于電力需求側(cè)管理、合同能源管理、建筑能耗管理、智慧城市建設(shè)等場合，具有良好的工程應(yīng)用價值。

1 功能架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，微型智能斷路器應(yīng)具備以下功能：

1)多用電回路的分項(xiàng)電能計(jì)量：微型智能斷路器由一路總開關(guān)和多路分開關(guān)構(gòu)成，安裝在戶內(nèi)配電箱(型號通常為PZ30)內(nèi)?？傞_關(guān)位于住宅的總進(jìn)線處,可控制住宅內(nèi)全部用電回路的通斷；分開關(guān)位于住宅內(nèi)的各分支用電回路上。開關(guān)內(nèi)部集成了采樣電路及計(jì)量模塊，可實(shí)現(xiàn)該回路的電流、電壓、有功功率和電能的計(jì)量。各路數(shù)據(jù)經(jīng)RS-485總線匯總至總開關(guān)主控單元累加，得到住宅當(dāng)前總電流、功率及電能量。

2)多用電回路的電能存儲與顯示：微型智能斷路器在總開關(guān)處裝有一個LCD顯示屏，可用于輪流顯示各分開關(guān)所在用電回路的用電數(shù)據(jù)及匯總所得的住宅當(dāng)前總電流、功率及用電量。

3)本地及遠(yuǎn)程通信：微型智能斷路器的各路分開關(guān)與總開關(guān)之間將通過RS-485總線實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的串口通信。同時，為實(shí)現(xiàn)用戶與微型智能斷路器的遠(yuǎn)程互動，需將本地?cái)?shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)方的用戶服務(wù)主站。為減少改造成本，最大程度利用現(xiàn)有設(shè)施，考慮到電網(wǎng)公司現(xiàn)有的用電信息采集系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模推廣應(yīng)用、技術(shù)方案成熟，可直接通過電網(wǎng)公司在用戶臺區(qū)部署的集中器進(jìn)行斷路器存儲數(shù)據(jù)的抄讀及控制命令的下發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)定時將本地用電數(shù)據(jù)經(jīng)集中器上傳至用戶服務(wù)主站。用戶通過登錄主站，將可查詢自家當(dāng)前各用電回路的用電數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置各類遠(yuǎn)程控制參數(shù)，如是否同意參與電網(wǎng)公司的需求側(cè)響應(yīng)等。

4)負(fù)荷曲線存儲及上傳：通過在微型智能斷路器總開關(guān)的主控單元加裝高精度時鐘和FLASH存儲卡，可實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)各分支用電回路負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)的帶時標(biāo)存儲，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)每天一次將負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)塊上傳至集中器，既保證數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性，也控制了數(shù)據(jù)流量，不至于過多占據(jù)通信帶寬。此項(xiàng)功能有助于電網(wǎng)公司進(jìn)行用戶負(fù)荷分析，也可作為用戶參與了負(fù)荷轉(zhuǎn)移/削減等需求響應(yīng)事件的佐證記錄，將有力支撐電力需求側(cè)響應(yīng)激勵機(jī)制的實(shí)施。

5)遠(yuǎn)程多用電回路通斷控制：微型智能斷路器設(shè)有手動及自動兩種拉合閘模式，當(dāng)處于自動模式時，用戶可在主站上對所查詢的多支用電回路進(jìn)行通斷選擇。

6)常規(guī)用電安全保護(hù)：微型智能斷路器具備常規(guī)的短路、漏電流、過負(fù)荷等保護(hù)功能。一旦某用電回路監(jiān)測到上述情形，該回路上的分開關(guān)將快速響應(yīng)，及時分閘。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上述功能架構(gòu)，微型智能斷路器組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括斷路器本體、開關(guān)電源模塊、主控單元、采樣回路、自動重合閘模塊、寬帶載波通信模塊、LCD顯示屏、控制方式選擇按鍵、清零按鍵等部分。微型智能斷路器的總開關(guān)和分開關(guān)均具備本地?cái)?shù)據(jù)處理、存儲、通信及自動重合閘功能，區(qū)別在于其輸入電流規(guī)格不同、對應(yīng)功能不同。

圖1 微型智能斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的總開關(guān)最大輸入電流定為80 A，并具備按鍵響應(yīng)、LCD顯示、遠(yuǎn)程通信的功能。由于總開關(guān)電流規(guī)格大于40 A，所以斷路器本體必須占2 P空間，再考慮自動重合閘模塊和寬帶載波通信模塊，總開關(guān)體積需要4 P。分開關(guān)最大輸入電流定為40 A，具備電流、電壓采樣及功率、電能計(jì)量功能。由于電流規(guī)格較小，斷路器本體只占1 P，若本地通信只需支持RS-485，在采用隔離型485芯片方案下，附加重合閘模塊，總體積可控制在2 P。

2.1 開關(guān)電源模塊

微型智能斷路器內(nèi)部各模塊正常工作時功率需求差異較大，普通線性電源難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于開關(guān)電源可將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為各種設(shè)備所需的不同直流電壓，因此本文采用開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)對各模塊的穩(wěn)定供電，其工作框架圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)電源工作框架圖

在本文設(shè)計(jì)中，開關(guān)電源模塊共分兩大路供電。第一路輸出電壓為12 V，為自動重合閘模塊的直流電機(jī)驅(qū)動電路和MCU中的寬帶載波通信模塊供電；第二路輸出電壓為5 V，為主控單元內(nèi)的SOC芯片、數(shù)據(jù)存儲模塊和RS-485通信模塊供電。

在電機(jī)驅(qū)動電路中，直流電機(jī)驅(qū)動電壓為12 V，動作電流為200 mA，可得驅(qū)動功率為2.4 W。寬帶載波通信模塊的工作電壓為12 V，工作電流需150 mA，算得功耗為1.8 W。主控單元內(nèi)的SOC芯片直接驅(qū)動LCD顯示屏，整體SOC芯片功耗不大于0.3 W，而數(shù)據(jù)存儲模塊和RS-485通信模塊合計(jì)功耗不大于0.1 W。綜上，為保障微型智能斷路器穩(wěn)定工作，可將開關(guān)電源的額定輸出功率定為6 W。

2.2 主控單元

考慮到微型智能斷路器的整體體積及運(yùn)行效率，主控單元的設(shè)計(jì)采用了集成計(jì)量模塊及MCU的片上系統(tǒng)(system-on-chip，SOC)方案[8]。

在SOC方案下，計(jì)量模塊完成電信號的采集及運(yùn)算，MCU調(diào)用計(jì)量模塊運(yùn)算結(jié)果，完成電路通斷控制、遠(yuǎn)程通信和人機(jī)交互。由于計(jì)量模塊具備高測量精度的電信號處理能力，可獨(dú)立完成電參量采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換等數(shù)字量運(yùn)算，因此大大降低了MCU的運(yùn)行負(fù)荷，提升了微型智能斷路器的整體運(yùn)行效率。

1)MCU:MCU處理器內(nèi)核基于ARM 32位Cortex-M0 CPU設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了微型智能斷路器總開關(guān)與分開關(guān)的RS-485本地通信以及與集中器的寬帶載波遠(yuǎn)程通信，并驅(qū)動LCD以5 s一次的刷新周期輪流顯示家庭各分支用電回路及總回路的當(dāng)前電流、當(dāng)日用電量(指當(dāng)天零點(diǎn)至目前的電能示值)、累計(jì)用電量。MCU還負(fù)責(zé)響應(yīng)清零及控制方式選擇按鍵的輸入，按下清零鍵將清空保存的歷史日用電量數(shù)據(jù)；控制選擇鍵用于實(shí)現(xiàn)斷路器拉合閘手動或自動控制方式的切換，手動模式下斷路器將不響應(yīng)用戶的遠(yuǎn)程控制命令，而自動模式下用戶仍可以手動分合閘。

2)計(jì)量模塊:SOC芯片計(jì)量模塊的有功電能測量誤差小于0.1%，可提供高精度有效值、頻率、ADC波形數(shù)據(jù)等計(jì)量參數(shù)；提供多種能量累加方式選擇；支持掉零線、掉火線的低功耗防竊電計(jì)量；支持直流計(jì)量、單相三線計(jì)量。既保證了電能計(jì)量的精確性，又提供了多類型的數(shù)據(jù)供用戶查詢，為用電負(fù)荷分析提供了技術(shù)條件。

3)數(shù)據(jù)存儲模塊:由于家庭用電回路分支數(shù)多，用電數(shù)據(jù)運(yùn)算量、存儲量較大，因此需對SOC芯片自帶的8 K靜態(tài)存儲器進(jìn)行擴(kuò)展，滿足大容量的數(shù)據(jù)存儲需求。本文采用了外掛EEPROM芯片(M24256-BRMN6TP)的方案實(shí)現(xiàn)各類用電數(shù)據(jù)存儲，保證微型智能斷路器可存儲近30天的日用電量及累計(jì)的總用電量數(shù)據(jù)。

2.3 采樣回路及自動重合閘模塊

由于智能微型斷路器計(jì)量的電能僅供用戶參考而不參與電費(fèi)結(jié)算，因此不需要達(dá)到普通智能電能表的計(jì)量精度。為節(jié)省空間，內(nèi)部不使用導(dǎo)軌電能表，而是采用錳銅分流器完成電流采樣、分壓網(wǎng)絡(luò)電阻完成電壓采樣，并將兩者集成至斷路器本體內(nèi)。再經(jīng)SOC芯片計(jì)量模塊，構(gòu)成采樣回路，實(shí)現(xiàn)用電回路的電流、電壓、瞬時功率、電能量計(jì)量。電流、電壓采樣電路如圖3所示。

圖3 電流及電壓采樣電路

自動重合閘模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，231是驅(qū)動電路、232是直流電機(jī)、233是齒輪傳動機(jī)構(gòu)，采用內(nèi)部組件共用開關(guān)電源的方式供電，并去除了重合閘控制芯片與反饋電路，改為集成到主控單元統(tǒng)一控制，有效壓縮了模塊體積。

圖4 自動重合閘裝置結(jié)構(gòu)圖

微型智能斷路器某路開關(guān)合閘時，主控單元MCU將根據(jù)計(jì)量模塊采集、計(jì)算所得的各類電參數(shù)，分析判斷該用電回路是否存在用電異常，當(dāng)監(jiān)測到該路電流過載、電壓過大、短路、漏電流等異常或在自動控制模式下接收到用戶的遠(yuǎn)程分閘命令時，MCU將向自動重合閘模塊的驅(qū)動電路發(fā)送控制脈沖，驅(qū)動直流電機(jī)帶動齒輪傳動機(jī)構(gòu)，進(jìn)而推動斷路器脫扣裝置實(shí)現(xiàn)該回路開關(guān)的自動分閘。自動控制模式下的遠(yuǎn)程合閘方式與之同理，不再敘述。

微型智能斷路器的簡易立體裝配如圖5所示：1是蓋板，2是斷路器本體，3是 LCD顯示屏，4是印刷電路板組件，5是外殼，內(nèi)部集成了開關(guān)電源模塊、主控單元、自動重合閘模塊、寬帶載波通信模塊等，6是控制方式選擇按鍵，7是清零按鍵。

圖5 微型智能斷路器簡易立體裝配圖

3 遠(yuǎn)程互動方案

目前國內(nèi)用電信息采集系統(tǒng)的典型通信方案為電能表經(jīng)RS-485至采集器，采集器通過電力線窄帶載波或無線通信方式至集中器[9]。這種方案存在通信帶寬窄、速率低、實(shí)時性差、不能實(shí)現(xiàn)雙向快速通信等問題，不利于主站對電能表的實(shí)時操作，難以滿足電網(wǎng)企業(yè)和用戶對用電信息采集、應(yīng)用的更高層次要求[10]。

近年來發(fā)展起來的電力線寬帶載波通信技術(shù)采用正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)等調(diào)制技術(shù)[11]，在2～12 MHz的頻域內(nèi)將給定信道分成幾十至上千個獨(dú)立的正交子信道，在每個子信道上用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)各子載波并行地傳輸數(shù)據(jù)，既提高了頻帶利用率，也消除了子信道之間的干擾，解決了長期以來電力線載波通信技術(shù)不穩(wěn)定、信號衰竭大、傳輸帶寬和距離受限等問題[12]，具有抗干擾、通信速率快、成功率高、實(shí)時性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)雙向通信[13]等優(yōu)點(diǎn)。鑒于目前基于寬帶載波的采集方案已逐步推廣應(yīng)用，因此可通過為微型智能斷路器MCU配置寬帶載波通信模塊，建立穩(wěn)定、高效的遠(yuǎn)程通信信道，實(shí)現(xiàn)集中器對斷路器本地?cái)?shù)據(jù)的直接抄讀和控制命令下發(fā)，為用戶與家庭微型智能斷路器的遠(yuǎn)程互動創(chuàng)造條件。

寬帶載波通信模塊通過TTL電平串口與主控單元MCU通信，讀取微型智能斷路器存儲的本地用電數(shù)據(jù)，經(jīng)調(diào)制后發(fā)送給集中器，集中器再經(jīng)光纖、GPRS無線公網(wǎng)等通信方式將數(shù)據(jù)上傳至用電信息采集系統(tǒng)主站。主站可擴(kuò)展一個子模塊專門用于存放與用戶微型智能斷路器相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，再提供一個外部數(shù)據(jù)庫接口至事先建立的用戶服務(wù)網(wǎng)站。用戶服務(wù)網(wǎng)站可以采用手機(jī)APP、微信公眾號等方式供微型智能斷路器的所有者注冊完家庭信息后登錄，用戶將具備查詢、設(shè)置、控制3種功能權(quán)限。

在查詢功能下，用戶可查看自家住宅總體及安裝分開關(guān)的各用電回路的電流、功率、累計(jì)用電量、當(dāng)前用電量情況。

在設(shè)置功能下，用戶可選擇是否上傳負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)、是否自動參加需求側(cè)響應(yīng)活動、負(fù)荷削減優(yōu)先級(優(yōu)先切斷哪一支用電回路)等。

在控制功能下，若微型智能斷路器處于自動控制模式，用戶可自行選擇家中任意條用電回路接通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)多回路遠(yuǎn)程分合閘。

通常用戶臺區(qū)的一個變壓器下運(yùn)行了多個集中器，而每個集中器均管理了更多的從節(jié)點(diǎn)(如采集器、微型智能斷路器等)。當(dāng)一個集中器管轄的多個從節(jié)點(diǎn)同時與該集中器通信時，寬帶載波通信基于OFDM調(diào)制技術(shù)和CSMA/CA沖突避讓機(jī)制，確保每個從節(jié)點(diǎn)的通信成功率[14]。因此一個臺區(qū)內(nèi)不同用戶的微型智能斷路器可同時與所屬集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，且互不干擾。基于寬帶載波通信技術(shù)的用戶與微型智能斷路器遠(yuǎn)程互動方案如圖6所示。

圖6 智能微型斷路器遠(yuǎn)程互動通信方案

為使智能微型斷路器成為可被集中器識別的從節(jié)點(diǎn)，需預(yù)先定義兩者之間的通信規(guī)約。因當(dāng)前智能電能表上行通信規(guī)約《DLT 645-2007 多功能電能表通信協(xié)議》[15]已與用電信息采集系統(tǒng)深度兼容，考慮到智能微型智能斷路器與電能表在整個通信架構(gòu)中位置類似，可參照上述規(guī)約編寫MCU上行通信程序，實(shí)現(xiàn)斷路器與集中器之間的數(shù)據(jù)通信。

為支持用戶經(jīng)服務(wù)主站與微型智能斷路器遠(yuǎn)程互動，還需擴(kuò)展當(dāng)前集中器的上行通訊協(xié)議[16]，以實(shí)現(xiàn)主站對各集中器下屬微型智能斷路器的統(tǒng)一管理。

對設(shè)置參數(shù)命令中的“終端電能表/交流采樣裝置配置參數(shù)”進(jìn)行定義擴(kuò)展，如表1所示。

表1 配置參數(shù)擴(kuò)展

可在配置參數(shù)“通信速率及端口號”中定義常數(shù)值用于申明該測量點(diǎn)為微型智能斷路器；在“通信地址”中定義斷路器的6字節(jié)通信地址；在“所屬采集器通信地址”定義不同值以區(qū)別不同用戶；在“電能費(fèi)率個數(shù)”或“用戶大類號及用戶小類號”中定義0為總開關(guān)，其他值依次表示各分支用電回路的分開關(guān)。這樣就通過集中器實(shí)現(xiàn)了對不同用戶智能微型斷路器及某一斷路器總開關(guān)下不同分開關(guān)的統(tǒng)一管理。

由于電流、電壓、功率、電能量、負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)等均已在Q/GDW 1376.1中有對應(yīng)的Fn明確標(biāo)識，故無需再對電能數(shù)據(jù)類型進(jìn)行通信規(guī)約擴(kuò)展。而拉合閘等控制類操作在DL/T 645中已有定義，因此主站只需對集中器執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)命令(AFN=10H)中的“透明轉(zhuǎn)發(fā)”(F1)，即可令微型智能斷路器自行響應(yīng)遠(yuǎn)程控制。

綜上可知各用戶的智能微型斷路器均可作為臺區(qū)內(nèi)集中器下的一普通節(jié)點(diǎn)，集中器對其的操作與當(dāng)前抄讀采集器/電表的方式一致。

4 軟件設(shè)計(jì)

微型智能斷路器軟件系統(tǒng)主程序主要分為系統(tǒng)初始化程序，控制模式判別程序、分合閘控制程序、數(shù)據(jù)采樣程序，數(shù)據(jù)處理程序，數(shù)據(jù)顯示程序、通信程序等幾部分。系統(tǒng)運(yùn)行的流程如圖7所示。

圖7 軟件系統(tǒng)流程圖

在系統(tǒng)上電初始化后，軟件系統(tǒng)首先判斷斷路器開關(guān)是否處于合閘狀態(tài)，若處于分閘狀態(tài)，則在轉(zhuǎn)為合閘之前不會運(yùn)行其余程序。在斷路器合閘后，系統(tǒng)將自動執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣、處理、顯示及通信等程序，并實(shí)時監(jiān)測用電回路是否出現(xiàn)異常，一旦判定為異常，將會立即執(zhí)行分合閘控制程序切斷問題線路。在正常情況下，以用戶的手動分合閘操作為最高優(yōu)先級，用戶的手動分閘將會中斷所有程序的執(zhí)行；在用戶未進(jìn)行人工操作時，控制模式判別程序?qū)袛鄶嗦菲魇欠裨谧詣幽Ｊ?。若為自動模式，則結(jié)合用戶在服務(wù)網(wǎng)站設(shè)置的遠(yuǎn)程控制參數(shù)，一旦接收到遠(yuǎn)程的分合閘命令，斷路器將會執(zhí)行分合閘控制程序自動拉合選定的用電線路；若為手動模式，則斷路器正常執(zhí)行除分合閘外的其余程序，但不響應(yīng)任何遠(yuǎn)程控制命令。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求對微型智能斷路器進(jìn)行了樣機(jī)研制，并從功能特性、環(huán)境適應(yīng)性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、電氣性能、絕緣性能、電磁兼容性、計(jì)量準(zhǔn)確性、可靠性等方面對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，主要試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果如表2所示。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的微型智能斷路器滿足相關(guān)設(shè)備的技術(shù)規(guī)范要求，具備在家庭用能場景下的電能計(jì)量及本地互動功能，基于寬帶載波通信和用戶服務(wù)網(wǎng)站建立的遠(yuǎn)程交互方案也是可行有效的。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目與結(jié)果一覽

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種集成電能計(jì)量及遠(yuǎn)程互動的微型智能斷路器。在明確功能架構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對斷路器各組成單元的最小體積設(shè)計(jì)，并基于寬帶載波通信技術(shù)及通信規(guī)約擴(kuò)展建立了與電網(wǎng)公司用戶服務(wù)網(wǎng)站的遠(yuǎn)程交互方案。該微型智能斷路器在具備傳統(tǒng)家用斷路器保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，可提供家庭內(nèi)多用電回路的分項(xiàng)用電數(shù)據(jù)計(jì)量、存儲、顯示，及負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)上傳功能，支持用戶對家庭用電信息的遠(yuǎn)程查詢及多用電回路的遠(yuǎn)程自動拉合閘控制。實(shí)現(xiàn)了較低成本下住宅建筑節(jié)能水平的提升，為用戶參與電力需求側(cè)響應(yīng)創(chuàng)造了有利條件，具有良好的應(yīng)用前景。

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DesignofMinimumCircuitbreakerIntegratingElectricEnergyMeteringandRemoteInteraction

Ouyang Zengkai1,2，Xu Qing1,2，Liu Jian1,2，Tian Zhengqi1,2，Huang Qifeng1,2Qian Lijun3，Ding Zhen4

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 210019, China; 2.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering, Nanjing 210019, China;3. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210019, China;4. Zhejiang Chint Instrument & Meter Co., Ltd, Hangzhou 310000,China)

Nowadays minimum circuit breaker (MCB) is used for residential distribution line monitoring and protection, not supporting electric energy metering or automatic open-close control for multi-circuits. A design scheme of smart minimum circuit breaker integrating electric energy metering and remote interaction is proposed to improve intelligentization and communication level, which also contributes to decreasing house energy consumption. The smart MCB consists of circuit breaker, switching mode power supply, sampling circuit, auto-reclosure, display screen and so on. Metering, storage, display and upload of multi-circuits electric energy data as well as load curve, are available by “primary-branch” structure based on RS-485 bus. Users are able to communicate with household smart MCB in long distance by service station and concentrator based on power line broadband carrier. Electric energy data query and remote open-close control of selected home circuits are achieved, which is helpful to promote house energy conservation level, indicating a wide application in building energy consumption management and electric power demand side response.

minimum circuit breaker; electric energy metering；broadband carrier； multi-circuits control；remote interaction

2017-03-06；

2017-04-13。

歐陽曾愷(1990-)，男，江蘇南京人，碩士研究生，助理工程師，主要從事電能計(jì)量、通信檢測等方向的研究。

1671-4598(2017)10-0141-06

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.037

TN 913.6

A