初探AFDD断路器与大数据

一、AFDD相关知识

1）AFDD是什么？

AFDD是英文 Arc Fault Detection Devices 的字头缩写,可翻译成“电弧故障检测设备”或“电弧故障断路器”,在北美称之为AFCI(Arc Fault Circuit Interrupt),就是电弧故障断路器。

2）AFDD如何工作？

AFDD断路器中有高性能的微处理器（MCU）, MCU 将采集的电流和电压参数进行运算处理，判断下游线路上是否有电弧故障，根据我国最新的GB/T31143-2014产品标准，在AC线路上，当AFDD在0.5秒内察觉到8~14个半周的故障电弧（坏弧），且负载电流大于3A时，AFDD断路器执行脱扣，切断AC 电源，从发现第一半波的电弧故障到脱扣的时间一般小于0.2秒，对防止电气火灾非常有效。根据美国消防部门统计，美国自2002年使用AFDD/AFCI断路器以来，防止了大约75％的电气火灾。

AFDD的产品标准

1)我国AFDD的产品国家标准是2014年由工信部上海电科院制定的GB/T31143－2014，它是规范我国AFDD产品的唯一权威标准，2015年4月1日正式实施。目前在国际上还有美国的UL1699标准和欧盟的IEC62606标准，并且美国有 NEC 2008 规范，强制在特定场所安装AFDD断路器，目前欧盟也出台了强制安装的规范。

2)电弧测试方式：

根据GB/T31143的标准，测试基本上由5部分组成，就是：

碳化路径的电弧故障检验测试（串联电弧测试），

碳棒与锥形铜棒的不良接触的电弧故障测试（串联电弧测试），

铡刀测试（并联电弧测试），

隐蔽型电弧故障测试，

正常负载的误动作测试。

从以上测试内容可以看出，AFDD的技术含量是非常高的，要能通过上述的测试我们要做很多的努力。

三、电弧故障

1）什么是电弧

电弧是指电流穿过绝缘层时发光的放电现象，在放电的同时伴有热的产生，热量可以使得局部温度迅速上升到3000度，金属可以被融化。

2）电弧分类

线路上的电弧可分为两种，一种是正常的操作弧，称《好弧》；另一种是故障电弧，称《坏弧》。

《好弧》是指电机旋转时电极电刷产生的电弧，如电钻，吸尘器等。另外当人们开关电器，插拔电器时产生的弧也是《好弧》。

《坏弧》是故障电弧，故障电弧的类型基本上可分三类。A类，B类和C类。A类称串型电弧，B类称并型电弧，C类称对地电弧（因C类弧也是漏电的故障，故在此不讨论）。A,B图示如下：

                A类：                        B类：

B类电弧的电流较大，通常在过流时，普通的断路器不能立刻断电，所以造成火灾的概率也大。据公安部的统计，电线路老化、破损、虚接等造成的火灾在所有火灾事故中占有最高的比例，约占30％以上。

四、 AFDD技术特点

    AFDD在查找下游线路的电弧故障时，要对负载的电流，电压和高频分量等进行高密度采样、比较和判断，以准确地识别电弧故障，有些负载的电流曲线与电弧故障的电流曲线很类似，这就需要我们收集尽可能多的负载曲线防止误判。目前关于AFDD的电弧故障的识别的算法有很多，如：快速傅立叶算法、小波变换算法、三周期算法等等。但是无论什么算法都需要我们采集电流和电压等电气参数，如果我们利用这个特点，将电流和电压参数收集和利用，就可以实现互联网和大数据的应用。

以下是AFDD可以保护的曲线：

1、保护曲线图

图1：断路器的保护曲线

五、ZIGBEE 技术

AFDD要实现大数据的应用，就要将AFDD断路器的采样数据发送出来，我们首选采用无线连接的ZIGBEE技术，将AFDD内置一个ZIGBEE模块，实现数据的实时外送功能。

ZIGBEE是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZIGBEE具有如下特点：

(1) 低功耗: 由于ZIGBEE的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZIGBEE设备非常省电。据估算，ZIGBEE设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低：ZIGBEE芯片的初始成本在8元左右，估计很快就能降到4－5元, 并且ZIGBEE协议是免专利费的。低成本对于ZIGBEE也是一个关键的因素。

(3) 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZIGBEE技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(4) 网络容量大： 一个星型结构的ZIGBEE网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZIGBEE网络, 而且网络组成灵活。

(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6) 安全： ZIGBEE提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

下图是有关ZIGBEE的多种网络结构：

图3：ZIGBEE的多种网络结构

六、有关大数据

我们通过各个AFDD断路器的ZIGBEE模块，就可以很容易的将各个电气支路的电气参数上传到一个路由器，再上传到服务器，包括当前电流、电压、电能用量、故障情况、功率因数等等，每0.5S上传1组数据，这样就可以满足大树据的基本要求。

1、大数据的概念

大数据是一个较为抽象的概念，正如信息学领域大多数新兴概念，大数据至今尚无确切、统一的定义。根据维基百科的定义：大数据是指无法在可承受的时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合。但是这也并不是一个精确的定义，可承受的时间范围也是个概略的描述。IDC在对大数据作出的定义为：大数据一般会涉及2种或2种以上数据形式。它要收集超过100TB的数据，并且是高速、实时数据流；或者是从小数据开始，但数据每年会增长60%以上。这个定义给出了量化标准，但只强调数据量大，种类多，增长快等数据本身的特征。研究机构Gartner给出了这样的定义：“大数据”是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。这当然也是一个描述性的定义，在对数据描述的基础上加入了处理此类数据的一些特征，用这些特征来描述大数据。

2、大数据展现与应用技术

大数据技术能够将隐藏于海量数据中的信息和知识挖掘出来，为人类的社会经济活动提供依据，从而提高各个领域的运行效率，大大提高整个社会经济的集约化程度。在我国，大数据将重点应用于以下三大领域：商业智能、政府决策、公共服务。例如：商业智能技术、政府决策技术、电信数据信息处理与挖掘技术、电网数据信息处理与挖掘技术、气象信息分析技术、环境监测技术、警务云应用系统（道路监控、视频监控、网络监控、智能交通、反电信诈骗、指挥调度等公安信息系统）、大规模基因序列分析比对技术、Web信息挖掘技术、终端智能电网、其他各种行业的云计算和海量数据处理应用技术等。

3、大数据的特点

海量

快速

多样

图4：大数据的特点

七、结束语

通过以上内容，大概说明了电弧故障的危害，AFDD的功能以及AFDD断路器的技术可以很方便地应用于网络时代的大数据，我们希望在不久的将来，AFDD产品可以在用电安全、网络、大数据方面为人类造福。

参考文献：

[1]罗雷,刘晖.家用电弧断路器（AFCI）的开发[J].建筑电气期刊,2006.02.

[2]曾元超.防范电气火灾新技术[J].Taiwan 台电月刊. 2008.09.

[3]AFDD 电弧故障断路器国家标准GB/T31143.

[4]UL1699 Standard. 1999-2008.

[5]美国NEC2008 电气规范.

[6]马建光，姜巍.大数据的概念、特征及其应用[J].国防科技,2013.(04).

[7]赵应国.大数据技术的应用[M].贵州大学：统计学前沿专题，2015.

[8]陈丹.大数据的应用综述[J].科教导刊（电子版），2015.（08）.