通信配電線路電流保護裝置技術研究范文

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摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，人們對用電安全防范工作予以了更高的重視。家庭Wi-Fi網(wǎng)絡普及，為智能家居實現(xiàn)創(chuàng)造了良好的客觀條件，然而智能家居系統(tǒng)成本較高，且分斷開關目前一般為繼電器式較多，承載容量小，無分斷能力，不能作短路保護使用，有一定的局限性，存在安全隱患。基于此，本文在ELEL9新型小型剩余電流斷路器基礎上開發(fā)了具備Wi-Fi或LoRa無線通信功能的剩余電流保護器。為此，文章結(jié)合具備通信功能剩余電流保護器項目開發(fā)的實際情況，就此類剩余電流保護器的開發(fā)應用和系統(tǒng)設計問題進行探究。

關鍵詞：供電線路末端；剩余電流保護器；通信功能；設計應用

配電臺區(qū)供電范圍廣泛、供電路徑較長、供電線路較多，在經(jīng)過一段時間的改造之后，發(fā)現(xiàn)配電臺區(qū)低壓設備出現(xiàn)故障發(fā)生停電時，故障比較集中在末端用戶側(cè)，搶修人員需要花費大量的時間及精力來排查故障點，大大降低了居民用電的可靠性、安全性及穩(wěn)定性。而借助基于互聯(lián)網(wǎng)的微功率無線通信技術，能夠解決配電線路末端設備的通信問題，實現(xiàn)配電線路末端設備的網(wǎng)絡實時管理。同時，還可以根據(jù)線路末端用戶的用電情況提前預測現(xiàn)狀狀態(tài)，減少電力故障的發(fā)生和運維工作人員的工作量，提高了供電質(zhì)量。為此，慈溪市供電有限公司和浙江某電力電子科技有限公司，就帶通信功能的微小型剩余電流斷路器，在彌補傳統(tǒng)供電線路末端監(jiān)控空白方面的問題進行探究，旨在能夠更好地促進我國電力事業(yè)發(fā)展。

1項目概述

家庭剩余電流保護器（家保、戶保）作為供電線路中剩余電流保護的最終保護設備，額定剩余電流動作值為30mA，最大分斷時間小于0.1s，可作為人身電擊的直接保護。而中級保安裝在臺區(qū)輻射線路支線上一般的額定剩余電流動作值為不超過50mA，最大分斷時間小于0.2s（延時時間為0.1s或0.06s）。從技術參數(shù)上看，家保的剩余電流保護更靈敏、更有利于對用戶和設備的保護，而且現(xiàn)階段家保的安裝雖然是全面覆蓋，但是家庭剩余電流保護器的資產(chǎn)歸屬卻是電力用戶，電力公司不能直接對家保進行有效的管理維護。調(diào)研發(fā)現(xiàn)家保的損壞率比較高，更有極端用戶的家保私自短接，這些狀況使得家保并未發(fā)揮該有的作用，對配電臺區(qū)的剩余電流動作保護裝置的投運是極其不利的。經(jīng)常會出現(xiàn)一戶有故障造成整個臺區(qū)無法用電的情況。所以配電臺區(qū)內(nèi)除了總保，只安裝家庭剩余電流保護器是不利于臺區(qū)供電情況改善的，還應當在配電分支線路合適的位置安裝剩余電流動作保護器。配電線路中剩余電流保護器（以下簡稱中保）安裝位置有2種。2015年前，依據(jù)DL/T736—2010《農(nóng)村電網(wǎng)剩余電流動作保護安裝運行規(guī)程》和《農(nóng)村低壓電網(wǎng)剝余電流動作保護器配置原則》，中保裝設于電表箱的進線開關處。2016年后，依據(jù)QGDW10370—2016《配電網(wǎng)技術導則》，中保安裝在表箱電能表的出線處，起到間接保護人身觸電的效果。文章所研究的帶通信功能的剩余電流斷路器適合應用在表箱電能表的出線處單相供電保護線路中，如圖1所示。依據(jù)國家標準規(guī)定，配電線路剩余電流動作保護裝置剩余電流動作整定值，配電臺區(qū)的剩余電流總保護器為500mA，300mA；配電線路的中級剩余電流保護器：表前為100mA，表后（配電線路末端）：50mA。我們研制的配電線路末端可通信小型剩余電流斷路器，一體式結(jié)構、工藝精密，方便供電職工在電表箱內(nèi)安裝更換。由于它安裝在用戶表箱出線處，當用戶側(cè)出現(xiàn)以下幾種情況發(fā)生時，可以有效起到隔離故障的作用。家庭剩余電流保護器未安裝、私自短接、繞越、家庭剩余電流保護器質(zhì)量故障。帶通信功能的ELE9做到了信息傳輸?shù)募皶r性，管理的網(wǎng)格細致性，使供電部門掌握了隔離故障的主動權，大大縮小了停電范圍，減少了投訴電話。

2可通信的配電線路末端剩余電流采集、控制裝置ELE9的系統(tǒng)設計

可通信的配電線路末端剩余電流采集、控制裝置ELE9，即在剩余電流斷路器內(nèi)集成了線路電參數(shù)采樣、故障保護和RS485通信功能，另外為了通信的方便還內(nèi)置了可插拔的和無線網(wǎng)關配套通信的LoRa無線模塊（或Wi-Fi接收模塊、GSM通信模塊），如圖2所示。臺區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸如果不使用采集器加RS485的通信方案還可使用更加便捷的LoRa無線通信。該LoRa無線通信方案具有以下優(yōu)點：每個網(wǎng)關根據(jù)通信地址自動設定有不同的通信頻段，避免相同臺區(qū)的同頻干擾；臺區(qū)內(nèi)的所有剩余電流保護器內(nèi)無線模塊節(jié)點采用自組網(wǎng)的模式，現(xiàn)場安裝后不需要對剩余電流保護器做設定即可使剩余電流保護器和臺區(qū)網(wǎng)關建立數(shù)據(jù)鏈接。臺區(qū)網(wǎng)關設定有白名單限制，未在白名單內(nèi)的剩余電流保護器不允許和臺區(qū)網(wǎng)關建立通信鏈接，防止不同臺區(qū)的剩余電流保護數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)交叉錯誤；每個剩余電流保護器內(nèi)的無線模塊節(jié)點均自帶中繼功能，最多可進行14級中繼，大大延長剩余電流保護與臺區(qū)網(wǎng)關的通信距離；每個剩余電流保護器內(nèi)的無線模塊節(jié)點的頻率不是固定的，根據(jù)現(xiàn)場的無線環(huán)境進行自適應，當出現(xiàn)同頻干擾的情況，可及時切換到其他信道，即提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸脖Ｕ狭送ㄐ诺姆€(wěn)定。

2.1硬件設計

帶通信功能的剩余電流斷路器硬件包含電源、剩余電流互感器、信號調(diào)制電路、MCU、人機交互接口、無線通信模塊、天線和動作執(zhí)行單元等。基于無線通信技術的剩余電流斷路器采用PIC-SI18F65JI0單片機作為基本控制中心，單片機采用Harvard基本結(jié)構，在運行的時候具備單個周期的RISC指令系統(tǒng)和四種類型的串行通信接口，使得帶通信功能的剩余電流斷路器應用體現(xiàn)出低成本、高性能的特點。帶通信功能的剩余電流斷路器無線通信模塊采用的是nRF2401射頻收發(fā)芯片，工作頻率段在2.4～2.5G之間，在技術的支持下能夠?qū)崿F(xiàn)暢通無阻的通信。

2.2軟件設計

可通信的配電線路末端剩余電流采集、控制裝置ELE9的軟件設計要求是剩余電流動作數(shù)值和動作時間。在具體加工設計的時候需要嚴格按照國家標準進行，盡可能多地設置多個額定剩余動作電流檔位，將檔位上剩余電流脫扣動作數(shù)值設定為檔位電流的七成，并在考慮電流采樣誤差、采樣時間段的情況下來將脫扣動作數(shù)值的精準度控制在60%～80%之間。可通信的配電線路末端剩余電流采集、控制裝置ELE9實現(xiàn)了對系統(tǒng)主站或手機App遠程信息傳送，作為低壓配電線路保護，可以廣泛應用在智能家居，工業(yè)自動化設備等領域，產(chǎn)品自帶的制開發(fā)。

3可通信的配電線路末端剩余電流采集、控制裝置ELE9的實施方式

帶無線通信的新型ELE9-63A小型剩余電流斷路器為2P型，主要是小型剩余電流斷路器一次本體2、撥動按鈕3、電子線路組件板4、微功率無線模塊5、蓋6、顯示窗標牌7、通過螺釘9固定的電源擋板8和組合鉚釘1組成，如圖3所示。本體2中的剩余電流互感器信號線、脫扣器信號線、開關狀態(tài)信號線、試跳線從本體2的孔2-4中穿過與電子組件板4連接；電子組件板4的電源取自進線端，用擋板8擋住裸露導線。家用新型帶通信功能剩余電流保護器的中性線和相線均可同時斷開，實現(xiàn)對保護極的有效保護。家用新型帶通信功能剩余電流保護器的基本操作手柄采用的是手動分閘、合閘操作流程，在窗口上會設置滑板，在出現(xiàn)剩余電流跳閘的時候系統(tǒng)會顯示紅色。帶無線通信的新型ELE9-63A小型剩余電流斷路器的試驗按鈕2-3用于模擬檢測剩余電流保護功能是否失效。小型剩余電流斷路器的剩余電流保護功能投入/檢修功能，通過撥動開關4-1的2個檔位控制實現(xiàn)，其中一檔使剩余電流保護功能投入，檢修功能檔位使剩余電流保護功能退出，可用于線路或用電設備有剩余電流故障時，便于帶電檢修；撥動開關4-1通過撥動按鈕3手動控制。

4結(jié)束語

在時代的進步下，人身安全、節(jié)能減排都得到了人們的進一步關注。當前大多數(shù)家庭中的供電線路采用的是分路接線，插座、照明、廚房、空調(diào)、熱水器等均有獨立的空氣開關，期待對家庭中各種用電器的用電情況可通過這些分路空氣開關和剩余電流保護器進行收集，再通過某種通信方式傳遞至用戶的手機或平板電腦上。但是從使用情況來看，空氣開關和傳統(tǒng)的剩余電流保護器均不具有這些功能，無法實現(xiàn)用戶對家用電器用電情況的監(jiān)督。怎樣利用最新科學技術來收集這些用電數(shù)據(jù)和保證供電的安全性、可靠性是當下人們需要思考和解決的問題。文章在分析帶可通信的配電線路末端剩余電流采集、控制裝置ELE9項目的基礎上，就帶通信功能的剩余電流斷路器的系統(tǒng)設計問題進行了探究，并結(jié)合實際情況探討了新型帶通信功能剩余電流保護器的實施方式，旨在能夠在以往的基礎上進一步增強新型帶通信功能的小型剩余電流保護器的功能，促進我國電力事業(yè)的長遠、穩(wěn)定的發(fā)展。

作者：王亮 單位：國網(wǎng)浙江慈溪市供電有限公司