CN108957220A - 一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，包括采集终端和开关状态采集器，采集终端与开关状态采集器之间采用LoRa无线通讯方式通讯，熔丝管的外壁中段安装有开关状态采集器，环形开口卡箍环绕熔丝管，单片机的上方安装有水银重力开关，LoRa无线通讯模块位于单片机的内部，采集盒采用ABS塑料制成，采集盒的内壁贴敷铝箔，采集盒的下部开设有无线窗口，采集终端或云平台控制模块对配变三只跌落式熔断器分、合的时间进行采集分析，通过云平台收集台区总表电压值、三只熔管时序状态、高压线路拓扑，行为识别判断是否人员操作，是否符合安全规程，并分析出缺相故障范围。

Description

一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置

技术领域

本发明涉及熔断器故障分析技术领域，具体为一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置。

背景技术

跌落式熔断器是安装于户外的高压保护设备，具有经济、操作方便和适应户外环境等特点，被广泛应用于10kV配电线路和配电变压器作为保护和设备投、切操作之用，目前大量的农网配电设备地处偏远山区，其巡视、检修困难，当配变出现缺相运行或停电故障，目前主要通过台区低压智能表上传的异常电压数据进行判断，但无法区分跌落式开关的熔丝过流熔断、跌落式开关人为操控、高压线路断线、低压设备缺相这几种类别，检修人员可能要多次往返现场，本发明在不改变普通跌落式熔断器结构的基础上增加物联网部件，跌落式开关位置状态无线传送至云平台，云平台通过行为识别及线路拓扑区分原因及时发现故障范围，以期达到减少供电公司电费损失，提升客户服务能力的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，具备区分故障类别、精准判断故障范围和减少供电公司电费损失的优点，可以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，包括采集终端和开关状态采集器，采集终端与开关状态采集器之间采用LoRa无线通讯方式通讯，采集终端包括核心控制板、触屏、GPRS无线模块、通讯模块、智能表、云平台控制模块、远程控制模块和跌落式熔断器，核心控制板的输出端与触屏的输入端电性连接，核心控制板的输出端与GPRS无线模块的输入端电性连接，GPRS无线模块的输出端与云平台控制模块的输入端电性连接，云平台控制模块的输出端与远程控制模块的输入端电性连接，核心控制板的输出端与通讯模块的输入端电性连接，通讯模块的输出端与智能表的输入端电性连接，核心控制板的输入端与跌落式熔断器的输出端电性连接，跌落式熔断器包括熔丝管和绝缘支架，熔丝管的两端与绝缘支架连接，熔丝管的外壁中段安装有开关状态采集器，开关状态采集器包括环形开口卡箍和采集盒，环形开口卡箍环绕熔丝管，环形开口卡箍的末端用螺丝固定，环形开口卡箍安装在采集盒的背部，采集盒包括单片机、水银重力开关、LoRa无线通讯模块、锂电池和缓冲弹簧，单片机的上方安装有水银重力开关，单片机通过导线与锂电池连接，LoRa无线通讯模块位于单片机的内部，LoRa无线通讯模块的一端设有缓冲弹簧。

优选的，所述采集盒采用ABS塑料制成，采集盒的外壁标注上、下方向。

优选的，所述采集盒的内壁贴敷铝箔，采集盒的下部留空5mm*20mm不贴敷铝箔。

优选的，所述采集盒的下部开设有无线窗口。

优选的，所述核心控制板与GPRS无线模块以TTL串口方式通讯，GPRS无线模块与GSM公网双向数据传输, 通讯协议支持TCP/UDP，内嵌云平台控制模块，核心控制板以透传方式与云平台控制模块数据传输。

优选的，LoRa无线通讯模块的芯片为SX1278/SX1276，外置天线通讯频段为470MHZ，功率100mw ，通讯距离大于1000米。

优选的，锂电池输入电压范围AC 150-285V，输出为DC5V 3A。

优选的，跌落式开关状态采集器以3.6V锂电池供电，采用低功耗睡眠模式管理，与采集终端的心跳信号周期为30分钟，以延长电池使用寿命；当熔断器跌落、合上时，水银重力开关状态分别为导通、断开，位置状态发生变动，则MCU单片机被唤醒并通过LoRa上传开关状态、变位时间至采集终端；跌落式开关状态采集器同采集终端于每日0时对时。

优选的，该装置的工作方法包括：该装置具备跌落式熔断器操作行为识别功能，采集终端或云平台对配变三只跌落式熔断器分、合的时间进行采集分析，若三只都已动作，且每一只的分、合时间间隔>5秒，则判断为人工操作，否则为故障熔断；A、B、C三相熔断器的断开操作顺序为先中相、再边相，合上操作顺序为先边相、再中相则符合安全规程，否则为违反规程；操作发生时间与电力PMS工作票时间进行比对，判别现场工作人员是否办理工作票；

该装置具备故障范围诊断功能，云平台的数据管理平台输入高压线路拓扑，采集终端收采集台区总表电压值，电压异常则激活智能电表向量角度的采集；

YYn0接线的变压器：监测低压侧相电压，其中二相电压值不变，另一相电压值接近零，则判断为正常相对应的高压侧同相断相；

DYn11接线的变压器：监测低压侧相电压，其中一相电压值不变，另二相电压值为正常的1/2左右，电压向量与正常相反向，则判断为正常相对应的高压侧超前相断相；

若有断相但熔断器开关未跌落，则判断为前端线路断线；云平台再根据高压线路拓扑及线路关联台区的电压监测结果，判断故障范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，通过云平台控制模块的数据管理平台输入高压线路拓扑，采集终端收采集台区总表电压值，电压异常则激活智能表向量角度的采集，若有断相但跌落式熔断器未跌落，则判断为前端线路断线，云平台控制模块再根据高压线路拓扑及线路关联台区的电压监测结果，完成对故障范围的大致诊断，当跌落式熔断器跌落和合上时，水银重力开关的开关状态分别为导通和断开，位置状态发生变动，导致单片机被唤醒并通过LoRa无线通讯模块上传开关状态和变位时间至采集终端，完成对跌落式熔断器的开关量采集。

2、本基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，采集终端或云平台控制模块对配变三只跌落式熔断器分、合的时间进行采集分析：若三只都已动作，且每一只的分、合时间间隔大于5秒，则判断为人工操作，否则为故障熔断，跌落式熔断器的断开操作顺序为先中相、再边相，合上操作顺序为先边相、再中相则符合安全规程，否则为违反规程，操作发生时间与电力PMS工作票时间比对，判别现场工作人员是否办理工作票，对跌落式熔断器的操作行为进行识别。

附图说明

图1为本发明的采集终端示意图；

图2为本发明的跌落式熔断器结构示意图；

图3为本发明的开关状态采集器结构示意图；

图4为本发明的采集盒内部结构示意图；

图5为本发明的单片机电路示意图；

图6为本发明的LoRa无线通讯模块电路示意图。

图中：1、采集终端；11、核心控制板；12、触屏；13、GPRS无线模块；14、485通讯模块；15、智能表；16、云平台控制模块；17、远程控制模块；18、跌落式熔断器；181、熔丝管；182、绝缘支架；2、开关状态采集器；21、环形开口卡箍；211、螺丝；22、采集盒；221、单片机；222、水银重力开关；223、LoRa无线通讯模块；224、锂电池；225、缓冲弹簧；226、无线窗口。

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。

请参阅图1-6，一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，包括采集终端1和开关状态采集器2，采集终端1与开关状态采集器2之间采用LoRa无线通讯方式通讯，采集终端1包括核心控制板11、触屏12、GPRS无线模块13、485通讯模块14、智能表15、云平台控制模块16、远程控制模块17和跌落式熔断器18，云平台控制模块16的数据管理平台输入高压线路拓扑，采集终端1收采集台区总表电压值，电压异常则激活智能表15向量角度的采集，若有断相但跌落式熔断器18未跌落，则判断为前端线路断线；云平台控制模块16再根据高压线路拓扑及线路关联台区的电压监测结果，判断故障大致范围，核心控制板11的输出端与触屏12的输入端电性连接，核心控制板11的输出端与GPRS无线模块13的输入端电性连接，GPRS无线模块13的输出端与云平台控制模块16的输入端电性连接，云平台控制模块16的输出端与远程控制模块17的输入端电性连接，核心控制板11的输出端与485通讯模块14的输入端电性连接，485通讯模块14的输出端与智能表15的输入端电性连接，核心控制板11的输入端与跌落式熔断器18的输出端电性连接，跌落式熔断器18包括熔丝管181和绝缘支架182，熔丝管181的两端与绝缘支架182连接，熔丝管181的外壁中段安装有开关状态采集器2，开关状态采集器2用锂电池224供电，低功耗睡眠模式管理，与采集终端1的心跳信号周期为30分钟，保证了锂电池224的使用寿命，开关状态采集器2包括环形开口卡箍21和采集盒22，环形开口卡箍21环绕熔丝管181，环形开口卡箍21的末端用螺丝211固定，环形开口卡箍21安装在采集盒22的背部，采集盒22包括单片机221、水银重力开关222、LoRa无线通讯模块223、锂电池224和缓冲弹簧225，单片机221的上方安装有水银重力开关222，当跌落式熔断器18跌落和合上时，水银重力开关222的开关状态分别为导通和断开，位置状态发生变动，导致单片机221被唤醒并通过LoRa无线通讯模块223上传开关状态和变位时间至采集终端1，完成对跌落式熔断器18的开关量采集，单片机221通过导线与锂电池224连接，LoRa无线通讯模块223位于单片机221的内部，LoRa无线通讯模块223的一端设有缓冲弹簧225，采集盒22采用ABS塑料制成，采集盒22的外壁标注上、下方向，采集盒22的内壁贴敷铝箔，采集盒22的下部留空5mm*20mm不贴敷铝箔，采集盒22的下部开设有无线窗口226，核心控制板11与GPRS无线模块13以TTL串口方式通讯，GPRS无线模块13与GSM公网双向数据传输, 通讯协议支持TCP/UDP，内嵌云平台控制模块16，核心控制板11以透传方式与云平台控制模块16数据传输，LoRa无线通讯模块223的芯片为SX1278/SX1276，外置天线，通讯频段为470MHZ，功率100mw ,通讯距离大于1000米，锂电池224输入电压范围AC 150-285V，输出为DC5V 3A，电压误差小于±0.01V，采集终端1或云平台控制模块16对配变三只跌落式熔断器18分、合的时间进行采集分析：若三只都已动作，且每一只的分、合时间间隔>5秒，则判断为人工操作，否则为故障熔断，跌落式熔断器18的断开操作顺序为先中相、再边相，合上操作顺序为先边相、再中相则符合安全规程，否则为违反规程，操作发生时间与电力PMS工作票时间比对，判别现场工作人员是否办理工作票，对跌落式熔断器18的操作行为进行识别。

综上所述：本基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，通过云平台控制模块16的数据管理平台输入高压线路拓扑，采集终端1收采集台区总表电压值，电压异常则激活智能表15向量角度的采集，若有断相但跌落式熔断器18未跌落，则判断为前端线路断线，云平台控制模块16再根据高压线路拓扑及线路关联台区的电压监测结果，完成对故障范围的大致诊断，当跌落式熔断器18跌落和合上时，水银重力开关222的开关状态分别为导通和断开，位置状态发生变动，导致单片机221被唤醒并通过LoRa无线通讯模块223上传开关状态和变位时间至采集终端1，完成对跌落式熔断器18的开关量采集。

采集终端1或云平台控制模块16对配变三只跌落式熔断器18分、合的时间进行采集分析：若三只都已动作，且每一只的分、合时间间隔>5秒，则判断为人工操作，否则为故障熔断，跌落式熔断器18的断开操作顺序为先中相、再边相，合上操作顺序为先边相、再中相则符合安全规程，否则为违反规程，操作发生时间与电力PMS工作票时间比对，判别现场工作人员是否办理工作票，对跌落式熔断器18的操作行为进行识别。

本发明还包括以下技术细节：

采集终端设备的核心控制板与触屏以扁平电缆连接，采用5V电源供电；RS485通讯模块接入核心控制板的TTL串口1（通讯波特率设定为2400bps）；485通讯线采用带屏蔽双绞线，接入智能表的RS485I口。

GPRS无线模块的串口接入核心控制板的TTL串口2（通讯波特率设定为9600bps），使用透传串口V2.2通讯协议通过公网联入云平台，其天线外置。

使用Qt Cteator 4.8编译控制板内核程序及GPIO端口驱动，配变过载监测保护应用程序按模块化分为：智能表采集、LoRa无线开关量采集、界面显示、参数设置、报表处理、云平台数传共6个模块。

开关状态采集器上下二端为弹性带开口的环形卡箍，卡箍开口末端用螺丝固定，外盒材料为ABS塑料，盒外部标注上、下方向（安装方向不能反），外盒内壁贴敷铝箔（防止运行、熔丝熔断时电磁场干扰电路），外盒下部留空5mm*20mm不贴敷铝箔，作为无线窗口。开关状态采集器安装于熔管外壁中段，以LoRa无线方式与采集终端通讯。

开关状态采集器的单片机采用MSP430G2533芯片，开关量采集传感器为水银重力开关，通讯模块采用LoRa芯片SX1278/SX1276。

1、LoRa数据传输模式

主报模式：为被采集终端发来的广播采集包唤醒后，采集器按规定协议主动上报熔断器开关状态数据。采集终端收到数据后，返回确认包。采集器收到确认包后，结束主动上报任务。

召测模式：采集终端发送抄单表的唤醒数据包，采集器再把其数据返回给采集终端。

以上两种模式可混合执行。

2、数据加密、解密

（1）按顺序把明文数据以8字节为一个单位进行分段。最后一段可能不足8字节，这种情况无需补足8字节。

（2）取出第一个分段数据做为待加密数据，

（3）把待加密数据与密钥进行位置对齐，并把对应位置的待加密数据字节和密钥数据字节进行异或运算，产生相应的加密数据。这个过程中，如果待加密数据的长度不足8字节，则只需要完成待加密数据字节的异或运算，多出的字节无需处理。

（4）取出下一个数据段，回到第三步，重复执行，直到所有数据段都加密结束。

（5）把每一个数据段加密出来的密文按顺序拼接在一起便成了密文。解密算法与加密算法完全相同。

3、非持续协议（CSMA）的实现

采集器上电后，便进入休眠+CAD检测的周期性循环模式。该种状态只能通过电磁波唤醒才能进入正常通信。当唤醒包包含广播召测命令时，被唤醒的采集器通过非持续CSMA规则来发送数据。当唤醒包为其它数据包时，无需进行载波侦听便可立即发送。每次数据通信的主动发起方，出现接收超时的时候，要进行数据重发，最多重发3次。如果3次通信均失败，则本次通信结束。

节点发送数据之前，首先要对信道进行载波侦听，如果监测到信道繁忙，将等待一个随机延时T，然后继续侦听，若此次侦听结果为信道空闲，则立即发送。若超时未收到返回的确认帧，则表示发送失败。

每次数据发送前，每侦听到一次信道繁忙，T就进行一定范围的扩大。具体算法如下所述：T = t×c×a。

t:设备产生的随机数。

c: 连续侦听到信道繁忙的次数。

a:,是一个的系数，其取值越大，延时扩大得越快。

4、通讯规则

通信方式：470MHz短距离无线通信。采集终端做为主站，采集器做为从站。所有非字符型的多字节数据，低字节在前，高字节在后；字符型数据则按顺序排列。

在执行设置类功能时，采集终端应对数据帧中的数据体进行加密，其它类功能不进行加密。

在执行设置类功能时，采集器应对采集终端发来的数据进行身份认证，认证通过后，设置参数才能生效。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：包括采集终端（1）和开关状态采集器（2），采集终端（1）与开关状态采集器（2）之间采用LoRa无线通讯方式通讯。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：所述采集终端（1）包括核心控制板（11）、触屏（12）、GPRS无线模块（13）、485通讯模块（14）、智能表（15）、云平台控制模块（16）、远程控制模块（17）和跌落式熔断器（18），核心控制板（11）的输出端与触屏（12）的输入端电性连接，核心控制板（11）的输出端与GPRS无线模块（13）的输入端电性连接，GPRS无线模块（13）的输出端与云平台控制模块（16）的输入端电性连接，云平台控制模块（16）的输出端与远程控制模块（17）的输入端电性连接，核心控制板（11）的输出端与485通讯模块（14）的输入端电性连接，485通讯模块（14）的输出端与智能表（15）的输入端电性连接，核心控制板（11）的输入端与跌落式熔断器（18）的输出端电性连接，跌落式熔断器（18）包括熔丝管（181）和绝缘支架（182），熔丝管（181）的两端与绝缘支架（182）连接，熔丝管（181）的外壁中段安装有开关状态采集器（2），所述开关状态采集器（2）包括环形开口卡箍（21）和采集盒（22），环形开口卡箍（21）环绕熔丝管（181），环形开口卡箍（21）的末端用螺丝（211）固定，环形开口卡箍（21）安装在采集盒（22）的背部，采集盒（22）包括单片机（221）、水银重力开关（222）、LoRa无线通讯模块（223）、锂电池（224）和缓冲弹簧（225），单片机（221）的上方安装有水银重力开关（222），单片机（221）通过导线与锂电池（224）连接，LoRa无线通讯模块（223）位于单片机（221）的内部，LoRa无线通讯模块（223）的一端设有缓冲弹簧（225）。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：所述采集盒（22）采用ABS塑料制成，采集盒（22）的外壁标注上、下方向。

4.根据权利要求2所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：所述采集盒（22）的内壁贴敷铝箔，采集盒（22）的下部留空5mm*20mm不贴敷铝箔。

5.根据权利要求2所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：所述采集盒（22）的下部开设有无线窗口（226）。

6.根据权利要求2所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：所述核心控制板（11）与GPRS无线模块（13）以TTL串口方式通讯，GPRS无线模块（13）与GSM公网双向数据传输, 通讯协议支持TCP/UDP，内嵌云平台控制模块（16），核心控制板（11）以透传方式与云平台控制模块（16）数据传输。

7.根据权利要求2所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：所述LoRa无线通讯模块（223）的芯片为SX1278/SX1276，外置天线通讯频段为470MHZ，功率100mw ，通讯距离大于1000米。

8.根据权利要求2所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：所述锂电池（224）输入电压范围AC 150-285V，输出为DC5V 3A。

9.根据权利要求1所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于：跌落式开关状态采集器以3.6V锂电池供电，采用低功耗睡眠模式管理，与采集终端的心跳信号周期为30分钟，以延长电池使用寿命；当熔断器跌落、合上时，水银重力开关状态分别为导通、断开，位置状态发生变动，则MCU单片机被唤醒并通过LoRa上传开关状态、变位时间至采集终端；跌落式开关状态采集器同采集终端于每日0时对时。

10.根据权利要求1所述的一种基于物联网的跌落式熔断器状态传送及故障分析装置，其特征在于，该装置的工作方法包括：该装置具备跌落式熔断器操作行为识别功能，采集终端或云平台对配变三只跌落式熔断器分、合的时间进行采集分析，若三只都已动作，且每一只的分、合时间间隔>5秒，则判断为人工操作，否则为故障熔断；A、B、C三相熔断器的断开操作顺序为先中相、再边相，合上操作顺序为先边相、再中相则符合安全规程，否则为违反规程；操作发生时间与电力PMS工作票时间进行比对，判别现场工作人员是否办理工作票；

该装置具备故障范围诊断功能，云平台的数据管理平台输入高压线路拓扑，采集终端收采集台区总表电压值，电压异常则激活智能电表向量角度的采集；

YYn0接线的变压器：监测低压侧相电压，其中二相电压值不变，另一相电压值接近零，则判断为正常相对应的高压侧同相断相；

DYn11接线的变压器：监测低压侧相电压，其中一相电压值不变，另二相电压值为正常的1/2左右，电压向量与正常相反向，则判断为正常相对应的高压侧超前相断相；

若有断相但熔断器开关未跌落，则判断为前端线路断线；云平台再根据高压线路拓扑及线路关联台区的电压监测结果，判断故障范围。