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器在線監(jiān)測系統(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：介紹了電涌保護器(SPD)在線監(jiān)測原理,從感知層、中間層、管理層及應用層方面闡述了智能家居中SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結構和設計技術要求。提出SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對SPD的老化程度、脫扣狀態(tài)、后備保護狀態(tài)和雷擊計數(shù)狀態(tài)等性能指標的實時在線監(jiān)測,將采集信號傳輸至管理層、應用層,實現(xiàn)雷擊發(fā)生警報、故障告警、老化趨勢數(shù)據(jù)統(tǒng)計等災害預警功能,降低SPD使用風險,提升智能家居的安全性和可靠性。

關鍵詞：智能家居; SPD在線監(jiān)測系統(tǒng); 硬件技術要求; 軟件系統(tǒng)

0引言

智能家居是以住宅為平臺,利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術,將家居生活的有關設施進行集成,構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)。由于大量電子信息設備和系統(tǒng)構建了智能家居的基礎硬件平臺,因此這些電子信息設備和系統(tǒng)對過電壓和電涌電流的敏感性也促使智能家居應采用合適的電涌保護器(Surge Protective Device,SPD)來抑制過電壓和泄放電涌電流。

SPD是一種用于低壓電氣系統(tǒng)和通信信號系統(tǒng)的安全保護產(chǎn)品,但在提供保護時,其本身的性能指標會隨著運行時間的增加而降低,最終由于沖擊能量過載導致劣化[1]。如果劣化過程控制不當,SPD可能因短路失效導致起火燃燒,也可能導致供電及通信中斷。由于電氣和通信信號線路多,SPD價格貴,使用方希望SPD徹底失效后再更換,因此需要定期安排維護人員到現(xiàn)場檢測SPD[2-3]。SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對SPD性能指標的實時在線監(jiān)測,精確監(jiān)控SPD的性能劣化情況,并在危險發(fā)生前有效抑制,節(jié)省人力、物力成本。

1SPD在線監(jiān)測原理

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)技術規(guī)范》,判別壓敏電阻劣化有6種模式,由于系統(tǒng)正常運行時無法對相關的電壓參數(shù)進行監(jiān)測(如壓敏電壓、限制電壓等),故在工程中唯一可以在線測量的是泄漏電流爬升失效模式。所以目前使用互感器對SPD的阻性電流或有功功耗進行測量,進而判斷其老化程度。需要注意的是,在線監(jiān)測的泄漏電流和標準內(nèi)讀取的泄漏電流有一定的差異,在線監(jiān)測的泄漏電流值要求在工頻電壓(AC 220 V)下測量。

除了在線監(jiān)測泄漏電流(反映SPD的老化程度),還應監(jiān)測SPD的脫扣狀態(tài)(內(nèi)部脫離器)、后備保護狀態(tài)(外部脫離器)和雷擊計數(shù)。脫扣狀態(tài)的在線監(jiān)測原理是監(jiān)測SPD遙信端口信號,通過自身采集系統(tǒng)不間斷地采集遙信端口信號,當信號斷開時采集系統(tǒng)及時報警;后備保護狀態(tài)(如小型斷路器MCB)的監(jiān)測原理是實時監(jiān)測MCB的開閉狀態(tài),當MCB出現(xiàn)斷開時采集系統(tǒng)及時報警。雷擊計數(shù)的原理是脈沖電流感應器件緊靠SPD安裝在接地線上,感應的脈沖電流信號經(jīng)限幅、整流、濾波后驅(qū)動電磁計數(shù)器將雷電次數(shù)記錄下來。

2SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)的架構

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

2.1感知層

感知層(現(xiàn)場端)包含SPD、各類后備保護開關、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進行處理,轉(zhuǎn)換為標準的總線信號,并傳送到中間層。

2.2中間層

中間層(網(wǎng)絡傳輸層)通過網(wǎng)絡設備和介質(zhì)以IP形式將網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳送至管理層,單一壓敏電阻監(jiān)測應設定唯一靜態(tài)標識號,用戶可通過服務器客戶端識別標識號對不同監(jiān)測設備進行信號采集和處理。SPD壓敏電阻監(jiān)測儀器與用戶終端顯示儀器可采用串口通信[4]或無線GPRS-Internet網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。

2.3管理層

管理層由基本IT設備、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫等組成,對數(shù)據(jù)進行基本的通信、存儲、發(fā)布等。SPD在線監(jiān)測平臺基本架構如圖1所示。不同建筑物的SPD均設置壓敏電阻在線監(jiān)測儀器,儀器臺數(shù)根據(jù)SPD安裝級數(shù)確定,同一建筑物不同級數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)均可通過同一串口、GPRS利用中間層設備上傳至服務器[5-6]。

圖1　SPD在線監(jiān)測平臺基本架構

2.4應用層

應用層對管理層數(shù)據(jù)進行應用開發(fā)[7-8],是整個系統(tǒng)的最高平臺,負責數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)管理、報警管理、日志管理、用戶管理、設備管理、冗余管理等。

SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2　SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

用戶利用系統(tǒng)客戶端初始登錄時,應對所有SPD在線監(jiān)測儀進行初始化設置,例如時間的同步校正、采樣周期的即時采樣(以超過一次雷暴過程平均時長為宜)以及定時采樣(5 min為宜)。若初始化失敗,應檢查網(wǎng)絡連接或SPD在線監(jiān)測儀的工作狀態(tài),應用層系統(tǒng)端做出正確提示,同時SPD在線監(jiān)測儀必要時也可進行手動初始化操作。

當雷暴過程來臨時,同一建筑物(群)系統(tǒng)連接的所有在線監(jiān)測儀進行初始化設置后,管理人員選擇第一種實時數(shù)據(jù)采樣方式(即時采樣)。即時采樣用來檢測壓敏電阻工作狀態(tài),觀察系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)雷電流侵襲,直至雷暴過程結束為止,當監(jiān)測電流超過設定預期閾值時,可實現(xiàn)自動安全報警功能。

在雷暴過程結束后,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)測系統(tǒng)應設置成第二種壓敏電阻數(shù)據(jù)采樣方式(定時采樣)。根據(jù)用戶設備端的防雷安全要求、等級或建筑物防雷類別,可將定時采樣周期設置為5 min～24 h,當監(jiān)測電流超過設定預期閾值時,可實現(xiàn)自動安全報警。

數(shù)據(jù)采樣方式的工作原理是利用SPD在線監(jiān)測軟件遍歷所有在線監(jiān)測儀的串口唯一標識號,以確定SPD安裝位置,按照系統(tǒng)采樣要求(定時、即時)發(fā)送不同類型數(shù)據(jù)采樣指令。當感知層收到不同建筑物的數(shù)據(jù)采樣命令后便會測試SPD壓敏電阻,測試數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化識別格式,存儲于內(nèi)置RAM中。當所有儀器采樣任務完全結束時,可指令用戶客戶端按照設定串口號順序,依次將在線監(jiān)測儀的測試數(shù)據(jù)輸出至監(jiān)控設備,并存儲至數(shù)據(jù)庫,用戶可將不同建筑物不同級別SPD采樣數(shù)據(jù)形成按時間坐標的變化曲線,反映SPD的測試數(shù)據(jù)變化趨勢,記錄數(shù)據(jù)自動存儲報表,方便歷史查詢,分析監(jiān)測點SPD的變化情況。

3硬件技術要求

SPD在線監(jiān)測設備由單片機處理器、電流感應器件、信號處理電路、電磁計數(shù)器、遙信信號測量回路、串口電壓轉(zhuǎn)換電路及GPRS模塊等組成,SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3　SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結構

系統(tǒng)通過串口及GPRS通信方式向SPD在線監(jiān)測儀發(fā)送采樣命令時監(jiān)測SPD的劣化狀態(tài)、脫扣狀態(tài)、后備保護狀態(tài)和雷擊計數(shù),并在硬件顯示設備端顯示。最后,單片機處理器將不同項目的數(shù)據(jù)保存到監(jiān)測儀的Flash存儲器并傳送至用戶終端,利用開發(fā)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理,存儲不同位置SPD的狀態(tài)數(shù)據(jù),顯示其變化趨勢。

3.1感知層

對于現(xiàn)場SPD及其后備保護裝置,應對其工作狀態(tài)、老化程度、脫扣狀態(tài)、后備保護狀態(tài)和雷擊計數(shù)等進行數(shù)據(jù)采集,采用定時采集和即時采集。

除了要求基本電磁兼容外,在預計的雷擊工況中,數(shù)據(jù)采集器及其相關傳感器應與所選用的SPD匹配;避免在雷擊時,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連線正常運行的情況下,25 kA的雷擊沖擊電流不應使其損壞或影響其數(shù)據(jù)采集功能。

為了能夠驗證和滿足該要求,數(shù)據(jù)采集器應在正常接線運行的情況下,應根據(jù)GB 18802.1—2011《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器 第一部分 性能要求和試驗方法》的要求進行測試,同時必須考慮數(shù)據(jù)采集的容錯。由于每次雷擊后,SPD短時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)量過大造成管理層的主機發(fā)生癱瘓,中間層應采用分布式結構,即使用帶處理數(shù)據(jù)功能的網(wǎng)關(非透傳的網(wǎng)關)將整個系統(tǒng)分為多個子站,并在子站將采集的數(shù)據(jù)進行處理,再上傳至管理層。

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

3.3管理層及應用層

管理層及應用層應有友好的界面和實用的功能,并對傳輸?shù)男畔⑦M行判斷,存儲大量的采集數(shù)據(jù)。所以,一般在線監(jiān)測系統(tǒng)會有各種實用的功能,如預警功能、故障告警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、雷擊事件統(tǒng)計、歷史記錄、操作安全防護、短信語音報警、界面組態(tài)、日志管理等功能,以方便技術人員根據(jù)每個現(xiàn)場實際情況優(yōu)化防雷系統(tǒng)。為方便用戶的二次開發(fā),整個系統(tǒng)應有冗余接口,將整個防雷系統(tǒng)與智能建筑的其他系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)處理或驅(qū)動其他應急設備。

4結語

本文主要闡述了智能家居中涉及的SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)的結構與設計技術要求,從設計角度分析感知層、中間層、管理層及應用層的系統(tǒng)開發(fā)和硬件要求,為整體開發(fā)SPD在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了良好的技術支撐。

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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

*基金項目:上海市氣象局啟明星課題(QM201612)

中圖分類號：TU 856

文獻標志碼：B

文章編號：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,從事雷電防護工作。

王炯祺(1985—),男,工程師,從事雷電防護工作。