周歧斌,　朱泽伟,　王炯祺,　邢天放

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

智能家居中的电涌保护器在线监测系统*

周歧斌1,朱泽伟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：介绍了电涌保护器(SPD)在线监测原理,从感知层、中间层、管理层及应用层方面阐述了智能家居中SPD在线监测系统的系统结构和设计技术要求。提出SPD在线监测系统可实现对SPD的老化程度、脱扣状态、后备保护状态和雷击计数状态等性能指标的实时在线监测,将采集信号传输至管理层、应用层,实现雷击发生警报、故障告警、老化趋势数据统计等灾害预警功能,降低SPD使用风险,提升智能家居的安全性和可靠性。

关键词：智能家居; SPD在线监测系统; 硬件技术要求; 软件系统

0引言

智能家居是以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术,将家居生活的有关设施进行集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统。由于大量电子信息设备和系统构建了智能家居的基础硬件平台,因此这些电子信息设备和系统对过电压和电涌电流的敏感性也促使智能家居应采用合适的电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)来抑制过电压和泄放电涌电流。

SPD是一种用于低压电气系统和通信信号系统的安全保护产品,但在提供保护时,其本身的性能指标会随着运行时间的增加而降低,最终由于冲击能量过载导致劣化[1]。如果劣化过程控制不当,SPD可能因短路失效导致起火燃烧,也可能导致供电及通信中断。由于电气和通信信号线路多,SPD价格贵,使用方希望SPD彻底失效后再更换,因此需要定期安排维护人员到现场检测SPD[2-3]。SPD在线监测系统可实现对SPD性能指标的实时在线监测,精确监控SPD的性能劣化情况,并在危险发生前有效抑制,节省人力、物力成本。

1SPD在线监测原理

本文所述的SPD为使用压敏电阻作为单一器件制成的,根据GB/T 27746—2011《低压电器用金属氧化物压敏电阻器(MOV)技术规范》,判别压敏电阻劣化有6种模式,由于系统正常运行时无法对相关的电压参数进行监测(如压敏电压、限制电压等),故在工程中唯一可以在线测量的是泄漏电流爬升失效模式。所以目前使用互感器对SPD的阻性电流或有功功耗进行测量,进而判断其老化程度。需要注意的是,在线监测的泄漏电流和标准内读取的泄漏电流有一定的差异,在线监测的泄漏电流值要求在工频电压(AC 220 V)下测量。

除了在线监测泄漏电流(反映SPD的老化程度),还应监测SPD的脱扣状态(内部脱离器)、后备保护状态(外部脱离器)和雷击计数。脱扣状态的在线监测原理是监测SPD遥信端口信号,通过自身采集系统不间断地采集遥信端口信号,当信号断开时采集系统及时报警;后备保护状态(如小型断路器MCB)的监测原理是实时监测MCB的开闭状态,当MCB出现断开时采集系统及时报警。雷击计数的原理是脉冲电流感应器件紧靠SPD安装在接地线上,感应的脉冲电流信号经限幅、整流、滤波后驱动电磁计数器将雷电次数记录下来。

2SPD在线监测系统的架构

SPD在线监测系统可以分为感知层、中间层、管理层及应用层。

2.1感知层

感知层(现场端)包含SPD、各类后备保护开关、采集SPD及雷击参数的传感器(如泄漏电流和脉冲电流互感器等)、数据采集器,其中数据采集器是将传感器采集的各种信号进行处理,转换为标准的总线信号,并传送到中间层。

2.2中间层

中间层(网络传输层)通过网络设备和介质以IP形式将网关数据传送至管理层,单一压敏电阻监测应设定唯一静态标识号,用户可通过服务器客户端识别标识号对不同监测设备进行信号采集和处理。SPD压敏电阻监测仪器与用户终端显示仪器可采用串口通信[4]或无线GPRS-Internet网络传输数据。

2.3管理层

管理层由基本IT设备、系统软件、数据库等组成,对数据进行基本的通信、存储、发布等。SPD在线监测平台基本架构如图1所示。不同建筑物的SPD均设置压敏电阻在线监测仪器,仪器台数根据SPD安装级数确定,同一建筑物不同级数监测数据均可通过同一串口、GPRS利用中间层设备上传至服务器[5-6]。

图1　SPD在线监测平台基本架构

2.4应用层

应用层对管理层数据进行应用开发[7-8],是整个系统的最高平台,负责数据展示、数据管理、报警管理、日志管理、用户管理、设备管理、冗余管理等。

SPD在线监测系统的工作流程如图2所示。

图2　SPD在线监测系统工作流程

用户利用系统客户端初始登录时,应对所有SPD在线监测仪进行初始化设置,例如时间的同步校正、采样周期的即时采样(以超过一次雷暴过程平均时长为宜)以及定时采样(5 min为宜)。若初始化失败,应检查网络连接或SPD在线监测仪的工作状态,应用层系统端做出正确提示,同时SPD在线监测仪必要时也可进行手动初始化操作。

当雷暴过程来临时,同一建筑物(群)系统连接的所有在线监测仪进行初始化设置后,管理人员选择第一种实时数据采样方式(即时采样)。即时采样用来检测压敏电阻工作状态,观察系统采集数据是否出现雷电流侵袭,直至雷暴过程结束为止,当监测电流超过设定预期阈值时,可实现自动安全报警功能。

在雷暴过程结束后,在线监控SPD的泄漏电流等参数发生变化,SPD在线监测系统应设置成第二种压敏电阻数据采样方式(定时采样)。根据用户设备端的防雷安全要求、等级或建筑物防雷类别,可将定时采样周期设置为5 min～24 h,当监测电流超过设定预期阈值时,可实现自动安全报警。

数据采样方式的工作原理是利用SPD在线监测软件遍历所有在线监测仪的串口唯一标识号,以确定SPD安装位置,按照系统采样要求(定时、即时)发送不同类型数据采样指令。当感知层收到不同建筑物的数据采样命令后便会测试SPD压敏电阻,测试数据按照系统数据转化识别格式,存储于内置RAM中。当所有仪器采样任务完全结束时,可指令用户客户端按照设定串口号顺序,依次将在线监测仪的测试数据输出至监控设备,并存储至数据库,用户可将不同建筑物不同级别SPD采样数据形成按时间坐标的变化曲线,反映SPD的测试数据变化趋势,记录数据自动存储报表,方便历史查询,分析监测点SPD的变化情况。

3硬件技术要求

SPD在线监测设备由单片机处理器、电流感应器件、信号处理电路、电磁计数器、遥信信号测量回路、串口电压转换电路及GPRS模块等组成,SPD在线监测系统硬件系统结构如图3所示。

图3　SPD在线监测系统硬件系统结构

系统通过串口及GPRS通信方式向SPD在线监测仪发送采样命令时监测SPD的劣化状态、脱扣状态、后备保护状态和雷击计数,并在硬件显示设备端显示。最后,单片机处理器将不同项目的数据保存到监测仪的Flash存储器并传送至用户终端,利用开发系统进行数据处理,存储不同位置SPD的状态数据,显示其变化趋势。

3.1感知层

对于现场SPD及其后备保护装置,应对其工作状态、老化程度、脱扣状态、后备保护状态和雷击计数等进行数据采集,采用定时采集和即时采集。

除了要求基本电磁兼容外,在预计的雷击工况中,数据采集器及其相关传感器应与所选用的SPD匹配;避免在雷击时,采集器或传感器遭受雷击损坏或影响数据的采集(一般即时采集的方式更易遭受雷击影响)。如数据采集器所采集的SPD最大冲击电流Iimp为25 kA,则数据采集单元(含传感器)与SPD连线正常运行的情况下,25 kA的雷击冲击电流不应使其损坏或影响其数据采集功能。

为了能够验证和满足该要求,数据采集器应在正常接线运行的情况下,应根据GB 18802.1—2011《低压配电系统的电涌保护器 第一部分 性能要求和试验方法》的要求进行测试,同时必须考虑数据采集的容错。由于每次雷击后,SPD短时间存在泄漏电流不稳定的情况,所以需在后期软件判定时考虑。

3.2中间层

由于同一监控系统建筑物群安装SPD数量较大及每组SPD的采集数据种类及采样频率较高,为避免数据量过大造成管理层的主机发生瘫痪,中间层应采用分布式结构,即使用带处理数据功能的网关(非透传的网关)将整个系统分为多个子站,并在子站将采集的数据进行处理,再上传至管理层。

为了达到较好的采集效率,每条总线上的终端数量不宜过多,最多32个;总线线路不宜过长,一般500 m以内,同时线路中还应考虑相应的雷电防护。一般中间层的数据由光纤传输,以达到更好的防雷效果。

3.3管理层及应用层

管理层及应用层应有友好的界面和实用的功能,并对传输的信息进行判断,存储大量的采集数据。所以,一般在线监测系统会有各种实用的功能,如预警功能、故障告警、数据统计、雷击事件统计、历史记录、操作安全防护、短信语音报警、界面组态、日志管理等功能,以方便技术人员根据每个现场实际情况优化防雷系统。为方便用户的二次开发,整个系统应有冗余接口,将整个防雷系统与智能建筑的其他系统进行联网处理或驱动其他应急设备。

4结语

本文主要阐述了智能家居中涉及的SPD在线监测系统的结构与设计技术要求,从设计角度分析感知层、中间层、管理层及应用层的系统开发和硬件要求,为整体开发SPD在线监测系统提供了良好的技术支撑。

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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

*基金项目:上海市气象局启明星课题(QM201612)

中图分类号：TU 856

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)05-0034-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.009

收稿日期：2016-04-25

朱泽伟(1986—),男,工程师,从事雷电防护工作。

王炯祺(1985—),男,工程师,从事雷电防护工作。