CN102916494A - 一种智能通信断路器 - Google Patents

Abstract

一种智能通信断路器，主要包括断路器本体、智能模块，智能模块包括数据采集前端、控制单元、数据接收和处理单元、执行单元四个部分并依次相连。实现运行参数和状态检测以及各断路器位置的显示并实现与外部监控终端进行数据传输和远程监控，同时监控终端实现对相关智能通信断路器进行遥控，下级网断路器对上级网断路器配合实行相应的动作。应用于智能电网，特别是智能微网运行环境。

Description

一种智能通信断路器

 技术领域

本发明涉及一种断路器，尤其涉及一种智能微网运行环境中的可进行运行参数、状态检测和多种通信、控制的智能通信断路器，属于微电网设备技术领域。

背景技术

在智能微网中，能源的输送方向不再是确定的、单一方向的能源输送，上级网断路器断开时，下级网络还会存在电能，当线路需要维护时，会带来很大的安全隐患。 

在智能微电网中，需要经常了解断路器的参数情况，以便能够预防性的作出相关处理；同时在断路器发生故障时，能够及时发现。 

为适应智能微网运行环境，微网中各部分根据不同条件选择合适的通信方式并进行分级通信后传输到监控终端。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能通信断路器，实现运行参数和状态检测以及各断路器位置的显示并实现与外部监控终端进行数据传输和远程监控，同时监控终端实现对相关智能通信断路器进行遥控，下级网断路器对上级网断路器配合实行相应的动作。 

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：包括断路器本体、智能模块，智能模块包括数据采集前端（1）、控制单元（2）、数据接收和处理单元（3）、执行单元（4）四个部分并依次相连。 

进一步，所述断路器本体包括触头，所述数据采集前端对断路器所述触头的温度、电压、动触头插入深度、真空灭弧室触头的电磨损量和开闭状态进行检测。 

进一步，所述控制单元采用微电脑芯片并嵌入GPRS/3G模块、TCP/IP协议模块、短消息处理模块、载波通信模块和RS232/RS485转换接口电路，实现有线和/或无线通信方式，与智能微网和上/下级网的断路器进行通信。 

进一步，所述执行单元一端连控制单元的光电隔离、放大电路，另一端连断路器本体的继电器；执行单元采用终端调度指令通过控制单元经光电隔离、放大电路后，通过继电器对断路器本体执行合、分闸动作。 

进一步，所述数据接收和处理单元的下级网断路器接收上级网断路器合、分闸信号，使其进行相应的动作。 

所述数据采集前端对断路器触头的温度T、电压U、动触头插入深度T_H、真空灭弧室触头的电磨损量S和开闭状态Q进行检测，通过采集处理成标准信号后送入微电脑芯片上，再经预处理、通信及命令处理等相关处理之后再选择相应的通信模块及对应的接口与外部监控终端通信，进行数据传输、处理和远程监控及调度，外部监控终端通过发送指令给控制单元相应的通信模块，经通信模块接收处理后，通过控制中心微电脑芯片的处理与执行单元相连接，执行单元对处理的信号进行光电隔离G1、放大G2后通过继电器J对断路器本体执行合、分闸动作；经通信处理后的标准信号，通过相应的通信模块，同时与下一级断路器进行通信，下一级断路器接收信号后，根据上一级断路器的合、分闸状态进行相应的动作。 

前述智能断路器，其中数据采集单元1设置的通过数字温度传感器检测的断路器触头的温度T_A上、T_A下、T_B上、T_B下、T_C上、T_C下直接与微电脑芯片相连；通过进出线两个三相触头电压采集信号输出电路检测断路器触头的电压U_A上、U_A下、U_B上、U_B下、U_C上、U_C下变成开关量K3、K4，直接与微电脑芯片相连；通过动触头插入深度检测元件检测的动触头插入深度T_H和通过真空来弧室磨损触头元件检测的电磨损量S_A、S_B、S_C和通过光电隔离后送至微电脑芯片；分合闸状态经光耦后送入微电脑芯片上，通过控制单元的相应通信模块传输至监控终端。 

前述智能断路器，其中控制单元2设置的微电脑芯片采用ATMAL公司的8位单片机AT89C51，内含128KFLASH，SKARM，开发中充分利用AT89C51集成度高、模块功能强的优点，装置的软件存放在片内大容量FLASHEEPROM，片内RAM存放实时数据、程序中变量等，EEPROM内存放定值。数据、地址总线不引出控制单元，具有良好的抗干扰性能，而且P1口、P2口可用来扩展并行接口的设备。PO口作为开关量1的接口，P3.4和P3.5口驱动时钟芯片，时钟芯片带有后备电池，供CPU读取日期、时间。P3.0、P3.1 和P3.2、P3.3口适合于作通讯使用，通过通讯功能可实现远方对定值修改和对回路巡检。增强的定时器模块可用来产生能精确到微秒级的中断，同时使用内部和外部两级看门狗，确保装置正常运行。 

前述智能断路器，其中控制单元2设置的TCP/IP协议模块是一个标准协议套件，可以用分层模型来描述。数据打包处理数据时，每一层把自己的信息添加到一个数据头中，而这个数据头又被下一层中的协议包装到数据体中。数据解包处理程序接收到通信数据时，把相应的数据头剥离，并把数据包的其余部分当作数据体对待。使用EEPROM可以将IP地址、PPP协议等参数保存在里面。单片机复位后首先调取这些数据以初始化网络。单片机主要完成采集数据的打包，通过通信模块，将数据输出到网络中。 

前述智能断路器，其中控制单元2设置的GPRS/3G通信模块，是采用自带TCP/IP协议处理功能的GPRS无线Modem和内置3G模块化芯片Sim5210，即支持消息收发模式，又支持GPRS/3G无线数据传输，同时相应的接口还可实现通过电话线和光纤进行数据传输。GPRS无线Modem连入GPRS/3G网络并和监控终端建立连接后，监控终端发送数据处理命令给GPRS/3G数据采集终端，GPRS/3G数据采集终端接收到命令后，通过RS232数据总线对断路器进行通信，采集微电脑芯片中存储的数据信息，通过GPRS无线Modem内置的协议处理器对数据进行处理、协议封装，然后实时发送到GPRS/3G网络，数据包经由GPRS/3G网络传递到Internet，再通过ADSL或拨号网络或固定网络传送到监控终端。该系统还可通过短消息的方式进行数据传输。当系统信号不好、网络连接不畅通或者不在GPRS/3G网络覆盖区，不能进行GPRS/3G传输时，采用短消息的方式，作为GPRS/3G数据传输的补充。另外当监控终端主机的网络参数(IP地址或端口号)改变，GPRS/3G模块无法找到数据处理下机时，以短消息的方式通知数据采集终端修改GPRS/3G模块的网络参数，重新建立新的连接。 

前述智能断路器，其中控制单元2设置的载波通信模块采用AT89C51作为微控制器,电力线载波调制解调器采用专用芯片ST7536。AT89C51和ST7536之间采用通用串行通信接口,用I²C总线和串行EEPROM通信,EEPROM采用铁电的24C02,此芯片具有无限次可擦写功能。通过电力载波实现整个网络的通信,通过两总线实现模块与其它设备的通信。这样,通信模块就可以通过软件及通信协议实现对多个实际设备通信与控制。所有的数据帧均采用CRC校验。AT89C51和ST7536均采用外部硬件上电复位,同时使用AT89C51的内部看门狗功能,对AT89C51和ST7536进行必要的复位,以防止系统死机造成网络通信中断。多路选择开关采用CD4052,通过其进行电力载波和两总线的选择,以实现电力载波通信和两总线通信的分时控制。然后分别通过电力线接口电路与电力线相连和RS232/RS485转换接口电路与RS232/RS485总线相连进行传输。 

前述智能断路器，其中控制单元2设置的执行单元电路是由一个光耦器G1和放大器G2和继电器J组成，由微电脑芯片传送的开关信号经光耦合放大后，通过继电器来驱动断路器合、分闸动作。 

本发明主要适应于智能微网运行，在智能微网中，能源的输送方向不再是确定的、单一方向的能源输送，上级网断路器断开时，下级网络还会存在电能，当线路需要维护时，会带来很大的安全隐患；同时智能微网运行中需知其各断路器的合、分闸状态和运行参数；本智能通信断路器是在断路器上增加了参数状态检测元件和实际地址与IP的绑定功能，并通过多通信方式将参数状态信息和地址发送出去，使微网中的终端知其各参数状态和地址，同时通过终端发送调度指令给相关智能通信断路器，使其做出相应的动作。保障需要断开的线路完全处于断开状态。同时下级断路器接收上级断路器的信息，配合上级断路器做出相应的动作。 

附图说明

图1为本发明的系统框架图。

图2是本发明的数据采集前端示意图。 

图3是本发明的数据采集和串行总线通信示意图。 

图4是本发明的GPRS/3G通信系统框图。 

图5是本发明的载波通信模块框图。 

图6是本发明的电力线接口电路框图。 

图7是本发明的RS232/RS485转换接口电路示意图。 

图8是本发明的执行单元电路示意图。 

图9是本发明的三相触头电压采集信号输出电路示意图。 

具体实施方式

参照图1、图2和图8、图9，本发明包括断路器本体、智能模块，智能模块包括数据采集前端（1）、控制单元（2）、数据接收和处理单元（3）、执行单元（4）四个部分并依次相连。智能通信断路器，因方便大电网的调度和智能微电网并、离网运行，同明方便对线路的维护，须知其各级相关断路器的参数和状态，因此需对断路器的数据进行采集。通过两个三相触头电压采集信号输出电路（图9）检测的断路器A、B、C三相上、下触头的电压U_A上、U_A下、U_B上、U_B下、U_C上、U_C下变成开关量K3、K4，分别与型号AT89C51微电脑芯片的P2.3、P2.4脚相连；通过美国DALLAS半导体公司的DS18B20智能数字温度传感器检测的断路器A、B、C三相上、下触头的温度T_A上、T_A下、T_B上、T_B下、T_C上、T_C下直接通过传感器的一条口线与型号AT89C51微电脑芯片的P2.2脚相连；通过动触头插入深度检测元件检测的动触头插入深度T_H和通过真空灭弧室磨损触头元件检测的A、B、C三相电磨损量S_A、S_B、S_C通过型号TLP521光耦后送至AT89C51芯片的P0口；合分闸状态经同型号的TLP521光耦后与AT89C51芯片的P2.0脚相连。

参照图1、图3和图4、图8，本发明智能通信断路器当选用GPRS/3G通信时，数据采集前端采集的数据通过AT89C51芯片进行数据预处理后存储，GPRS/3G通信模块采集芯片的存储数据信息，通过GPRS无线Modem内置的协议处理器对数据进行处理、协议封装，然后通过SGSN实时发送到GPRS/3G网络，数据包经由GPRS/3G网络传递到Internet，再通过ADSL或拨号网络或固定网络传送到监控终端；经数据接收、处理后，监控终端发送数据处理命令给GPRS/3G数据采集终端，GPRS/3G数据采集终端接收到命令后，数据解包处理程序对接收的数据进行剥离处理后，通过RS232数据总线传输到AT89C51芯片进行预处理，而后AT89C51芯片的P2.1脚与执行单元电路相连，处理后的开关信号经光耦G1和运算放大G2处理后通过继电器J驱动断路器本体执行分、合闸动作。同时GPRS/3G通信模块从监控终端接收的数据处理命令通过GPRS/3G网络传输到下级网断路器的接收模块，使其下级网断路器根据接收的数据处理命令进行相关分、合闸动作。当系统信号不好、网络连接不畅通或者不在GPRS/3G网络覆盖区，不能进行GPRS/3G传输时，该系统还可通过短消息的方式进行数据传输，作为GPRS/3G数据传输的补充。另外当监控终端主机的网络参数(IP地址或端口号)改变，GPRS/3G模块无法找到数据处理下机时，以短消息的方式通知数据采集终端修改GPRS/3G模块的网络参数，重新建立新的连接。 

参照图1、图3和图5至图9，本发明智能通信断路器当选用载波通信时，采用专用芯片ST7536的调制解调器通过型号为TLP521光耦隔离经美信公司的MAX232驱动芯片驱动RS232串口与型号为AT89C51芯片相连，来采集型号为AT89C51芯片中存储的数据信息，采集的信号通过ST7536输出端（ATO）输出，以放大和滤波（滤波器采用72KHZ载频），然后通过耦合电路将信号调制到电力线上（如图6），通过电力线把调制好的信号传输到监控终端的载波通信模块上。经监控终端对数据处理后，发送数据处理命令，经终端的电力接口电路处理后，载波信号通过电力线传输到相关智能通信断路器的载波通信模块上，再经耦合电路隔离和预放大后传输到ST7536芯片的接收端（RAI）。然后通过RS232串口通信至AT89C51芯片，经预处理后传输一个开关信号给执行单元电路（图8），通过执行单元电路的继电器（J）驱动断路器本体进行分、合闸动作。同时，从终端接收的载波信号通过电力线传输到下级网断路器的载波通信模块上，同上原理对其进行分、合闸动作。另外，从AT89C51芯片中采集的信息通过CD4052多路选择开关进行对RS232/RS485总线通信的选择，使其通过RS232/RS485转换接口电路进行与其它设备的通信。通过电力载波实现整个网络的通信,通过两总线实现模块与其它设备的通信。 

参照图1，本发明的智能通信控制器的通信模块还提供了GPRS/3G接口和Internet接口分别通过电话线和光纤进行数据传输和接收。同时，还提供了RS485总线接口方便与相应的通信模块接口相连。实现了多种方式通信和整个网络的通信。 

本发明的智能通信断路器所采用的元、器件易得，温度检测元件、真空灭弧室触头磨损检测元件、动触头插入深度检测元件 均为市售产品。其中智能控制中心2 和执行单元电路、三相触头电压采集信号输出电路的元、器件也均为市售产品。 

本发明的智能通信断路器具有：在微电网运行环境中，安全可靠，使断路器内各项参数均处于监控状态，无论是断路器触头温度还是真空灭弧室内触头磨损程度等所有参数均处于监控之中，只要各项参数变化超过设定值，终端就会通知操作人员，从而避免了只有在断路器发生故障后在维修或更换现象，杜绝了因断路器内部故障的发生给用户所造成的具大的经济损失。同时，上级网断开时，下级网还会存在电能，通过本发明的智能通信断路器可通过多种通信方式使各级断路器分闸，保障了断开的线路完全处于断开状态，保障了维护时，线路的安全。 

Claims (5)

1.一种智能通信断路器，其特征是，包括断路器本体、智能模块，智能模块包括数据采集前端（1）、控制单元（2）、数据接收和处理单元（3）、执行单元（4）四个部分并依次相连。

2.如权利要求1 所述的一种智能通信断路器，其特征是，所述断路器本体包括触头，所述数据采集前端对断路器所述触头的温度、电压、动触头插入深度、真空灭弧室触头的电磨损量和开闭状态进行检测。

3.如权利要求1 所述的一种智能断路器，其特征在于，所述控制单元采用微电脑芯片并嵌入GPRS/3G模块、TCP/IP协议模块、短消息处理模块、载波通信模块和RS232/RS485转换接口电路，实现有线和/或无线通信方式，与智能微网和上/下级网的断路器进行通信。

4.如权利要求1 所述的一种智能断路器，其特征在于，所述执行单元一端连控制单元的光电隔离、放大电路，另一端连断路器本体的继电器；执行单元采用终端调度指令通过控制单元经光电隔离、放大电路后，通过继电器对断路器本体执行合、分闸动作。

5.如权利要求1 所述的一种智能断路器，其特征在于，所述数据接收和处理单元的下级网断路器接收上级网断路器合、分闸信号，使其进行相应的动作。

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