CN106208390A - 一种配电箱运行状态的监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种配电箱运行状态的监测系统及方法，所述监测系统包括电流采集模块、温度采集模块、预警模块、无线通信模块、主控制器模块及信息发送模块，其中，电流采集模块用于采集配电箱主回路中空气断路器的电流数据；温度采集模块用于采集配电箱各分支电路中空气断路器的温度数据；预警模块用于根据电流数据和温度数据发布异常线路预警信息；无线通信模块用于将电流数据、温度数据及预警信息发送至主控制器模块；主控制器模块将各预警信息转发至信息发送模块；信息发送模块发送所述预警信息至移动终端。该系统通过实时监控配电箱中主回路的空气断路器的电流和各分支电路中空气断路器的温度，有效预知供电线路的负载情况，对入户线路的干支线负荷进行自动监测和重过载预警。
Description
技术领域
本发明涉及状态监测领域，特别是涉及一种配电箱运行状态的监测。
背景技术
随着城市建设规模和用电负荷的迅速增长，对供电可靠性的要求越来越高。JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》中7.6.1条规定“低压配电线路应根据不同故障类别和具体工程要求装设短路保护、过负载保护和接地故障保护，作用于切断供电电源或发出报警信号”。因此，在配电设计中，大量采用断路器用于实现线路过负荷时的保护是必需的。由于集中用电或者设备短路等故障引起配电线路过载，发生意外停电的现象常有发生。在某些特定的场合，例如医院手术室、飞机场海关及保安检查系统、电脑服务器、升降机、工厂流水式生产线等，意外停电会造成车间停工、生产中断，计算机数据丢失，甚至会引发致命后果。配电线路点多，面广、线路复杂，传统的配电线路负荷监测只能针对电网的配电线路的负荷进行监测，无法对入户线路的干支线负荷进行自动监测和重过载预警。
发明内容
本发明的目的是提供一种配电箱运行状态的监测系统及方法，能够对入户线路的干支线负荷进行自动监测和重过载预警，从而减少由于断路器跳闸而产生的损失。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种配电箱运行状态的监测系统，所述监测系统包括电流采集模块、温度采集模块、预警模块、无线通信模块、主控制器模块及信息发送模块，其中，
所述电流采集模块用于采集配电箱主回路中空气断路器的电流数据；
所述温度采集模块用于采集配电箱各分支电路中空气断路器的温度数据；
所述预警模块用于根据所述电流数据和所述温度数据发布异常线路预警信息；
所述无线通信模块用于将所述电流数据、所述温度数据及所述预警信息发送至所述主控制器模块；
所述主控制器模块用于将各所述预警信息转发至所述信息发送模块；
所述信息发送模块用于发送所述预警信息至移动终端。
可选的，所述预警模块在所述电流达到设定电流阈值时发出所述预警信息。
可选的，所述预警模块在所述温度达到设定温度阈值时发出所述预警信息。
可选的，所述预警信息包含异常线路的空气断路器的编码信息；
可选的，所述信息发送模块为短信模块。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
通过实时监控配电箱中主回路的空气断路器的电流和各分支电路中空气断路器的温度，利用空气断路器不同类型的脱扣特性，有效预知供电线路的负载情况，对入户线路的干支线负荷进行自动监测和重过载预警，从而减少由于断路器跳闸而产生的损失。
一种配电箱运行状态的监测方法，所述监测方法包括以下步骤:
电流采集模块采集配电箱主回路中空气断路器的电流数据；
温度采集模块采集配电箱各分支电路中空气断路器的温度数据；
预警模块根据所述电流数据和所述温度数据，判断是否有异常线路；
若是，发布异常线路预警信息；
无线通信模块将所述电流数据、所述温度数据及所述预警信息发送至主控制器模块；
所述主控制器模块将各所述异常线路预警信息转发至信息发送模块；
所述信息发送模块将所述预警信息发送至移动终端。
可选的，若所述电流达到设定电流阈值，发出所述预警信息；
可选的，若所述温度达到设定温度阈值，发出所述预警信号。
可选的，所述预警信息包含异常线路的空气断路器的编码信息；
可选的，所述信息发送模块将所述预警信息以短信形式发送至移动终端。
相对于现有技术，本发明配电箱运行状态的监测方法与上述配电箱运行状态的监测系统的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为配电箱运行状态监测系统的结构图；
图2为USR-WIFI-232的硬件连接图；
图3为配电箱运行状态监测系统的模块结构示意图；
图4为电流采集接口系统的结构图；
图5为温度传感器与单片机的连接图；
图6为配电箱运行状态监测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种配电箱运行状态的监测系统，实时监控办公楼内配电箱的运行状态，有效预知供电线路的负载情况，将此信息及时传给相关工作人员，相关人员可根据线路负载情况选择性开关各用电器，防止因供电线路超载而造成空气断路器保护性跳闸造成大面积停电。另外，科研院校的实验室，在停电前可及时将计算机数据存盘，防止数据丢失。
空气开关工作原理是，当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，使衔铁吸合并撞击杠杆，使搭钩绕轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三副主触头分断，切断电源，当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作，但能使元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钩与脱扣脱开将主触头分断切断电源，因此，可通过监控主供电线路的电流及各分支电路中空气断路器的温度及时发现重过载情况并报警。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，所述监测系统包括电流采集模块101、温度采集模块102、预警模块103、无线通信模块104、主控制器模块105和信息发送模块106。每个配电箱内设置一个电流采集模块101和预警模块103，配电箱内每条分支线路设置一个温度采集模块102，电流采集模块101用于检测配电箱主回路中空气断路器的电流，温度采集模块102用于检测各分支电路的空气断路器的温度，预警模块103根据所述电流数据和所述温度数据发布异常线路预警信息，并将报警的空气断路器编码通过无线通信模块104传输给主控制器模块105，主控制器模块105将预警信息转发给信息发送模块106，如TC35短信模块，信息发送模块106将预警的空气断路器编码以短信形式发送给相关人员，提示相关人员采取相应措施，如减轻线路负载或根据需求及时将计算机数据存盘，防止数据丢失。
具体地，预警模块103将电流采集模块101采集到的电流、温度采集模块102采集到的温度数据打包后，通过串口发送给无线通信模块104(WIFI模块)，数据经过WIFI模块的调制后，发送给数据传输部分的WIFI模块，经过WIFI模块的解调将数据还原，主控制器模块105通过串口读取采集到的数据，然后，又经过串口发送给信息发送模块106，进而实现数据以短信的形式进行传送。
可选的，所述主控制器模块105用于收集、存储和处理各所述电流数据和所述温度数据；
可选的，所述主控制器模块105为单片机，进一步地，所述主控制器模块104为STM32F103系列单片机；可选的，所述信息发送模块106为短信模块，进一步地，所述信息发送模块106为TC35GSM模块。
本实施例选用的STM32F103单片机，器件片内集成了内核、嵌套向量中断控制器(NVIC)、存储器保护单元、总线接口单元和跟踪调试单元等。芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能。最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ(DhrystONe2.1)。
STM32F103单片机具有如下特性：
1)性能强大，在相同的主频下能够处理更多的任务，全力支持劲爆的程序设计；
2)功耗低，延长了电池的寿命；
3)实时性好，前卫甚至革命性的设计理念，使它能快速地响应中断，而且响应中断的周期数是确定的，不超过12个周期，最快仅6个周期；
4)采用专门面向C语言的Thumb-2指令集，最大限度的降低汇编语言的使用。免去Thumb和ARM代码的互相切换，性能得到了提高；
5)Flash修补和断点单元、数据观察点和跟踪单元、仪器测量跟踪单元和嵌入式跟踪宏单元为嵌入式器件提供了廉价的调试和跟踪技术。
具体地，无线通信模块104为串口转Wi-Fi的模块，进一步地无线通信模块104为USR-WIFI232的WIFI模块，此模块性能稳定、适合在电磁环境复杂的环境下使用，其用于实现串口到Wi-Fi数据包的双向透明转发，用户无需关心具体细节，模块内部完成协议转换，串口一侧是串口数据透明传输，Wi-Fi网络一侧是TCP/IP数据包，通过简单的设置便可指定工作细节，设置可以通过模块内部的网页进行，也可以通过串口使用AT指令进行，一次设置永久保存。可采用透明传输模式，操作方便。如图2所示是USR-WIFI232WIFI模块201与STM32F103单片机202的硬件连接。
通信协议：通信时规定数据帧为帧头+数据+校验码+帧尾为一帧完整的数据，指令帧为帧头+控制字+校验码+帧尾。其中，规定的控制指令有：
数据帧头：oxA0ox0A；
数据帧尾：oxA5ox5A；
指令帧头：ox50ox05；
数据帧尾：ox5AoxA5；
数据重传：ox56ox65；
请求数据传输：oxA6 ox6A；
允许数据传输：ox9A oxA9；
停止数据传输：ox53 ox35；
停止传输应答：0x66 ox66；
为了保证数据正确性采用硬件CRC数据校验。
如图3所示，配电箱主回路中的电流采集模块101由交流互感器作为电流传感器，不同规格的电流互感器可以把几十安培至上千安培的负载交流电流转化为电气隔离后5安培满量程的电流，通过适当的I/V转换电路、有效值变换器电路，变为一个与输入交流电流成正比的直流电压，这个电压再通过模数转换器得到的数值反映被测交流电流的大小。由于采用STC15W404AS单片机，它内部含有8路10位模数转换器，本案直接采用，测量电流10位二级制位的分辨率1/210＝1/1024约为千分之一，如果仅仅是监测电流变化情况，而非测精确电流值，片上的模数精度已够，不需扩展专用的模数转换器另外的时序电路搭建，结构简单，达到了结构简单，高度集成化的目的。
I/V转换电路就是一个低阻值大功率精密电阻，在此100A互感器次级接0.5欧姆标准电阻，则满量程次级输出电流为5A，则在这个1欧姆电阻压降为2.5v，对应初级流过100A的电流，此时电阻上的功率为I*I*R＝5*5*0.5＝12.5瓦，这个电阻选用原则为，由互感器特点决定了它不允许出现开路情况，功率必须留有余量(选功率25瓦的)，当然阻值小，功率就可小一点。但是，电流取样电阻阻值太小会造成采样电压数值太小，系统必须采用放大器，引入放大器将会降低系统的抗干扰能力并增加测试电路的复杂性。电流取样电阻阻值和功率的选取以满足模数转换测试精度和电路简单为原则。
如图4所示，配电箱内各分支电路中用于采集空气断路器温度的温度采集模块102采用MLX90614esf-ACC非接触红外线温度传感器，该温度器件与MCU通信采用类似IIC总线的SMBUS两线式总线驱动，加上电源，地线参考点，为四线制组成SMBUS读写口。根据地址区分个体，每个SMBUS总线上最多可挂127个MLX90614，对器件型号后缀-AAA视角为90°，后缀-ACC视角为35°，视角最小的产品物距比可做到12:1。
MLX90614温度传感器采用4个管脚的TO39封装，MLX90614在其信号调节芯片中采用了先进的低噪音放大器，一个17-bit的模数转换器(ADC)和强大的数字信号处理(DSP)单元，0.01℃温度解析度，0～50℃精确度为±2℃。MLX90614允许-40℃到125℃的超大工作温度范围，精确度为±4℃，以及-70℃到380℃的扩展物体温度范围。在SMBUS总线上用CRC校验手段提供高可靠性的数据传输，生成多项式为X8+X2+X+1。
MLX90614非接触红外线温度传感器工作电压为5V和3V两种类型，内部含有1个环境温度传感器和一个红外线温度传感器，经过内部17位模数转换器和DSP信号处理器，把环境温度和测试的目标红外线温度转换为17位数值存放内部的RAM，可通过特定协议任意时刻读取绝对温度值，再减273.15得到摄氏温度值。具体实施例中，该温度传感器上部的光学透镜需要固定装置，瞄准被测目标，调整测试距离，使被测空气断路器的热点全部包含在照射光斑中，从而确保测量温度精确反映空气断路器的温升。
如图5所示，系统采用UPS电源或双路主备自动切换电源，UNIT_1、UNIT_2、UNIT_N为以单片机为核心的每个配电箱内的预警模块103，在此采用高性价比的多功能单片机MCU，型号为STC15W404AS，指令执行速度比传统MCS-51单片机快6～12倍，它有20条管脚，SRAM为512字节，程序容量4K的EEPROM,内置0.2％的高精度RC振荡器，无需晶振，自带独立看门狗，免外部复位启动信号端口，8路10位模数转换接口，2个可编程的16位定时器/计数器T0和T2，3通道CCP/PCA/PWM，1个波特率可变的标准异步串口，最多18个开关量I/O口。一个宽的电源电压使用范围2.5～5.5V。以上丰富资源，使得本系统没有必要扩展的其它功能模块。TS为温度传感器，IS为电流传感器，温度传感器通过单总线或MSBUS总线与多功能单片机MCU通信，主控制器模块通过并口与打印机连接。
本实施例中，所述电流阈值为主回路中空气断路器的额定电流值的0.7-0.9倍，进一步地，所述电流阈值为主回路中空气断路器的额定电流值的0.8倍。所述温度阈值为70℃-90℃，进一步地，所述温度阈值为80℃。
本发明的目的还在于提供一种配电箱运行状态的监测方法，能够对入户线路的干支线负荷进行自动监测和重过载预警，从而减少由于断路器跳闸而产生的损失。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图6所示，该配电箱运行状态的监测方法包括以下步骤：
步骤600：电流采集模块采集配电箱主回路中空气断路器的电流数据，温度采集模块采集配电箱各分支电路中空气断路器的温度数据；
步骤601：预警模块根据所述电流数据和所述温度数据，判断是否有异常线路，若所述电流达到设定电流阈值，或所述温度达到设定温度阈值，确定为异常线路。
可选的，所述电流阈值为主回路中空气断路器的额定电流值的0.7-0.9倍，进一步地，所述电流阈值为主回路中空气断路器的额定电流值的0.8倍；
可选的，所述温度阈值为70℃-90℃，进一步地，所述温度阈值为80℃；
步骤602：若是，发布异常线路预警信息，所述预警信息中包含对应线路中空气断路器的编号；
步骤603：无线通信模块将所述电流数据、所述温度数据及所述预警信息发送至主控制器模块；
步骤604：主控制器模块将各所述预警信息转发至信息发送模块；
步骤605：信息发送模块将所述预警信息发送至移动终端。
本实施例将监测报警的电流值设定为配电箱主回路中总空气断路器额定电流值的0.8倍，当配电箱主回路中总空气断路器的电流达到其额定电流值的0.8倍时，发出预警信息，起到预警作用。各支路中空气断路器的报警监测采用温度监测方式，预警温度设置在80℃，当支路中空气断路器的温度达到80℃时，发出预警信息。所述预警信息中包含异常线路的空气断路器的编码信息，提示相关人员采取相应措施，如减轻线路负载或根据需求及时将计算机数据存盘，防止数据丢失。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种配电箱运行状态的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括电流采集模块、温度采集模块、预警模块、无线通信模块、主控制器模块及信息发送模块，其中，
所述电流采集模块用于采集配电箱主回路中空气断路器的电流数据；
所述温度采集模块用于采集配电箱各分支电路中空气断路器的温度数据；
所述预警模块用于根据所述电流数据和所述温度数据发布异常线路预警信息；
所述无线通信模块用于将所述电流数据、所述温度数据及所述预警信息发送至所述主控制器模块；
所述主控制器模块用于将各所述预警信息转发至所述信息发送模块；
所述信息发送模块用于发送所述预警信息至移动终端。
2.根据权利要求1所述的配电箱运行状态的监测系统，其特征在于，所述预警模块在所述电流达到设定电流阈值时发出所述预警信息。
3.根据权利要求1所述的配电箱运行状态的监测系统，其特征在于，所述预警模块在所述温度达到设定温度阈值时发出所述预警信息。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的配电箱运行状态的监测系统，其特征在于，所述预警信息包含异常线路的空气断路器的编码信息。
5.根据权利要求1所述的配电箱运行状态的监测系统，其特征在于，所述信息发送模块为短信模块。
6.一种配电箱运行状态的监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤:
电流采集模块采集配电箱主回路中空气断路器的电流数据；
温度采集模块采集配电箱各分支电路中空气断路器的温度数据；
预警模块根据所述电流数据和所述温度数据，判断是否有异常线路；
若是，发布异常线路预警信息；
无线通信模块将所述电流数据、所述温度数据及所述预警信息发送至主控制器模块；
所述主控制器模块将各所述异常线路预警信息转发至信息发送模块；
所述信息发送模块将所述预警信息发送至移动终端。
7.根据权利要求6所述的配电箱运行状态的监测方法，其特征在于，若所述电流达到设定电流阈值，发出所述预警信息。
8.根据权利要求6所述的配电箱运行状态的监测方法，其特征在于，若所述温度达到设定温度阈值，发出所述预警信号。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的配电箱运行状态的监测方法，其特征在于，所述预警信息包含异常线路的空气断路器的编码信息。
10.根据权利要求6所述的配电箱运行状态的监测方法，其特征在于，所述信息发送模块将所述预警信息以短信形式发送至移动终端。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |