CN109586258A - 一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置及方法，包括连接在控制与保护开关上的电流检测部分及电压检测部分，电流检测部分和电压检测部分的输出端连接至微控制器，微控制器连接至无线通讯模块，所述无线通讯模块包括串口通信模块及WiFi通信模块，所述微控制器通过串口通信模块连接至WiFi通信模块，WiFi通信模块通过天线连接至远程控制监测中心，WiFi通信模块上连接有为其供电的电源电路，且WiFi通信模块与串口通信模块之间连接有电平转换芯片。本发明具有完备的保护功能，操作起来简单便捷，维修成本不高，简化了整个低压保护系统，具有广泛的应用性。
Description
技术领域
本发明属于配电网自动化控制系统技术领域，具体涉及一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置及方法。
背景技术
开关设备是低压电器领域的关键组成部分之一，是电力自动化系统中必不可少的一次设备，开关设备的运行状态是否平稳直接关系到系统的工作效果。20世纪80年代后期，一些科研人员研发了一种具有内部配合协调且能实现控制与保护功能的新型电器开关—控制与保护开关(Control and Protective Switching Devices，CPS)。控制与保护开关拥有小型化的特点，而且它是把断路器、接触器、热继电器等具有的功能完全整合在一个设备上。同时还具备功能多，维护便捷等优点。控制与保护开关只需要一副主触头便可实现在低压配电线路、控制线路和电力设备中控制和保护功能，圆满的处理了传统电器的控制与保护功能协调性差等诸多问题。
在计算机网络、物联网技术及信息通信技术迅猛发展的背景下，自动化技术也实现了长足的进步。在低压电器产品的设计中使用这些技术，将强大的电气控制与嵌入式技术，电力电子和网络通信技术相结合。因此，控制与保护开关逐渐发展为高性能，多功能和模块化的智能型开关设备。
在领先的工业设计和尖端的技术生产基础上设计的智能化CPS由独立控制部分和保护装置功能组成，它本身具有断路器、接触器、计数器等功能。使用多功能保护模块为核心控制单元，采用微处理技术、通信技术和控制设备，取代了以前的磁性和电子热保护与控制保护而使用数字测量。电路中复杂的计算和逻辑判断，传统综合保护装置通过连接硬件来实现，智能开关由大量的集成电路和软件程序来实现测量和控制及多种保护功能。这不仅提高了原有功能的保护和控制的准确性和可靠性，而且提高了其功能的多样化。
如今整合了多种功能于一体的智能型控制与保护开关已经顶替了传统的控制与保护系统。因此，对控制与保护开关的进一步开发与研究已经成为了具有重大意义的研究课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置及方法，以克服现有技术的缺陷，本发明具有完备的保护功能，操作起来简单便捷，维修成本不高，简化了整个低压保护系统，具有广泛的应用性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，包括连接在控制与保护开关上的电流检测部分及电压检测部分，电流检测部分和电压检测部分的输出端连接至微控制器，微控制器连接至无线通讯模块，所述无线通讯模块包括串口通信模块及WiFi通信模块，所述微控制器通过串口通信模块连接至WiFi通信模块，WiFi通信模块通过天线连接至远程控制监测中心，WiFi通信模块上连接有为其供电的电源电路，且WiFi通信模块与串口通信模块之间连接有电平转换芯片。
进一步地，微控制器上连接有用于进行输入的键盘和用于显示数据信息的显示屏。
进一步地，微控制器上连接有外接存储部分。
进一步地，微控制器上连接有能够根据无线通讯模块的操作指令对控制与保护开关进行断开或闭合的驱动模块。
进一步地，所述微控制器包括单片机，单片机上连接有用于使其复位的复位电路以及用于为微控器提供准确振荡信号的时钟晶振电路。
进一步地，所述单片机为PIC18F4620单片机。
进一步地，所述串口通信模块为RS485。
进一步地，所述电平转换芯片为SP3485。
进一步地，所述WiFi通信模块为USR-WIFI232-B2模块。
一种配电网的控制与保护开关无线通讯方法，电流检测部分和电压检测部分获取到控制与保护开关所在线路的电压电流运行数据，并将电压电流运行数据传送至微控制器，利用微控制内的A/D转换功能对其进行运算和处理，并将运算和处理后的数据通过串口通信模块发送给WiFi通信模块，WiFi通信模块通过天线将数据传送至远程控制监测中心，远程控制监测中心即能够监测控制与保护开关的运行状态，并判断是否发生故障。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明装置减少了元件的使用数量，间接的缩小了整个设备的体积。控制与保护开关无线通讯装置将许多电器的功能集成，解决了过去组合型元器件产生的配合不协调、工作不稳定等问题，使配电系统更加具有稳定性，同时也使控制与保护开关具有完备的保护功能，操作起来简单便捷，维修成本不高，简化了整个低压保护系统，具有广泛的应用性。
本发明方法通过电压检测部分和电流检测部分获取到线路的电压电流运行数据传送到微控制器，微控制内的A/D转换功能对其进行运算和处理，经过串口通信模块发送给WiFi通信模块，WiFi模块将数据通过WiFi网络传送到远程控制监测中心，远程控制监测中心由此可以监测控制与保护开关的运行状态，判断是否发生故障并可以及时处理，具有广泛的应用性。
附图说明
图1为本发明配电网控制与保护开关无线通讯连接结构框图；
图2为本发明PIC18F4620单片机系统电路图；
图3为本发明电流检测电路图；
图4为本发明电压检测电路图；
图5为本发明剩余电流采集电路图；
图6为本发明电流信号调理电路图；
图7为本发明电压信号调理电路图；
图8为本发明WIFI通信模块485接口电路图；
图9为本发明WIFI通信模块USR-WIFI232-B2芯片接线图；
图10为本发明WIFI通信模块电源电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图10，一种配电网的控制与保护开关无线通讯模块装置，包括电压检测部分、电流检测部分、微控制器、驱动模块、外接存储部分(E2PROM)和串口通信模块(RS485)。电压检测部分和电流检测部分获取到线路的电压电流运行数据传送到微控制器，微控制内的A/D转换功能对其进行运算和处理，经过RS485发送给WiFi通信模块，WiFi通信模块将数据通过WiFi网络传送到远程控制监测中心。远程控制监测中心由此可以监测控制与保护开关的运行状态，判断是否发生故障并可以及时处理。
无线通讯模块的组成部分包括WiFi通信模块、串口通信模块(RS485)、电源和天线四大模块，WiFi通信模块内置TCP/IP协议，可以使用无线网络与上位机建立联系；SP3485为电平转换芯片；WiFi通信模块、RS485、SP3485由电源电路供电；由天线的载波信号发送数据。
微控制器由单片机、复位电路和时钟晶振电路三部分构成(通过单片机芯片的外围电路连接，这三部分刻在同一张电路板上)。单片机选择PIC18F4620单片机。微控制器的可靠性很大程度依赖于复位电路，在MCLR引脚处配置一个复位功能的手动按钮，即给微控制器添加了一个使用低电平信号控制的复位功能，使系统的工作性能更加稳定。
时钟晶振电路起到了为微控器提供准确振荡信号的功能。时钟晶振电路选用XT晶振/器接法进行设计，满足振荡器在不同的工作状态选择不同的电容，达到不同的效果。
电流检测电路(即电流检测部分)通过法拉第电磁感应原理将一次侧的大电流信号转换为方便处理和监测的小信号。其中R32是采样电阻，目的是为了将电流互感器二次侧的电流信号转换为符合单片机的A/D模块要求输入的模拟电压信号，经过简单的信号处理之后，再输入给单片机的A/D模块，同时通过滤波电路滤除高次谐波信号。
电压检测电路(即电压检测部分)在外部电路接上采样电阻，将电压互感器二次侧输出的电流信号转换为电压信号，将电压互感器二次侧的电流信号转换为符合单片机的A/D模块要求输入的模拟电压信号，经过简单的信号处理之后，再输入给单片机的A/D模块，同时通过滤波电路滤除高次谐波信号。
剩余电流采集电路将正常工作的三相电流线与中性线一同穿过互感器，在线路中发生故障时，四根线的回路中就会出现剩余电流，通过一次侧感应到二次侧产生的感应电流，经过100欧姆的采样电阻R29转换成电压，输送到单片机的A/D端口，实现剩余电流信号的检测，同时通过滤波电路滤除高次谐波信号。信号调理电路(是电流、电压检测电路的一部分)使得采样电路输出的不规则信号均能变换成0-5V的电压信号，输入到单片机PIC18F4620的内部A/D模块。信号调理电路主要分为反相比例运算电路、电位提高电路、钳位电路和滤波电路四个部分。反相比例运算电路通过引入负反馈，实现电路在原有输入的情况下的保证电路结构不变化，并且对信号的幅值进行放大或缩小。电位提高电路通过运放将原始信号与给定直流信号进行加法操作，完成信号从双极性到单极性的转变。钳位电路通过并联稳压二极管的方法实现输出电压只能在0.7V-5.7V之内波动，超出的部分会因为稳压二极管反向击穿工作而被钳住，从而对单片机进行保护。滤波电路的设计就是为了滤除不必要的信号，针对信号采集的实际需求设计对应的高通、低通和带通滤波器，完成对采样信号的滤波功能。
无线通讯模块主要由WiFi通信模块(USR-WIFI232-B2模块)、RS485、电源电路以及其他外围元器件(外围元器件指的是芯片为例滤波等所设立的元器件)组成。WiFi通信模块主要功能是进行无线网络数据与串口间的双向透明传输。
WiFi通信模块的485接口电路单片机节点上的串口通信模块是为了实现单片机与WiFi模块间的通信，串口的通信方式为485通信。485芯片采用半双工通信方式，内置发送器和接收器各一个，一个总线最多可带128个通信节点。单片机的RXD引脚和TXD引脚分别与RX和TX引脚相连，可实现传输异步串口数据的功能。
USR-WIFI232-B2模块用于实现串口与WiFi模块间信息流的双向透明传输，485设备通过该模块能够立即获得TCP/IP网络接口功能，通过网络进行信息收发，使RS485接口设备的通信距离得到极大的增强。USR-WIFI232-B2模块作为网络热点可以允许24个WiFi客户端同时接入，也可同时容纳24个TCP客户端。该模块，将设备或单片机接入WiFi无线网络，实现控制与管理。
电源电路由MP1482组成的电源电路对模块进行供电，滤波在用户板的连接器附近，使用100uF和10uF两个并联的去耦电容，可以提供系统的稳定性和无线性能。
下面结合具体实例对本发明作详细说明：
参见图1，本发明一种配电网控制与保护开关无线通讯装置，由电压电流信号采集部分、微控制器、驱动模块、外接存储部分和串口通信模块组成了控制与保护开关的基本系统。电压和电流采集部分获取到线路的电压电流运行数据传送到微控制器，微控制内的A/D转换功能对其进行运算和处理，经过串口发送给WiFi模块，WiFi模块将数据通过WiFi网络传送到远程控制监测中心。监控系统由此可以监测控制与保护开关的运行状态，判断是否发生故障并可以及时处理。
无线通信接口的组成部分包括WiFi、串口、电源和天线四大模块，WiFi通信模块内置TCP/IP协议，可以使用无线网络与上位机建立联系；SP3485为电平转换芯片；WiFi和外围两大模块由电源供电；由天线的载波信号发送数据。
如图2，微控制器由单片机、复位电路和时钟晶振电路三部分构成。微控制芯片(单片机)选择PIC18F4620单片机。微控制器的可靠性很大程度依赖于复位电路，在MCLR引脚处配置一个复位功能的手动按钮，即给微控制器添加了一个使用低电平信号控制的复位功能，使系统的工作性能更加稳定。
时钟晶振电路起到了为微控器提供准确振荡信号的功能。时钟电路选用XT晶振/器接法进行设计，满足振荡器在不同的工作状态选择不同的电容，达到不同的效果。
如图3，电流检测电路通过法拉第电磁感应原理将一次侧的大电流信号转换为方便处理和监测的小信号。其中R32是采样电阻，目的是为了将电流互感器二次侧的电流信号转换为符合单片机的A/D模块要求输入的模拟电压信号，经过简单的信号处理之后，再输入给单片机的A/D模块，同时通过滤波电路滤除高次谐波信号。
如图4，电压检测电路在外部电路接上采样电阻，将电压互感器二次侧输出的电流信号转换为电压信号，将电压互感器二次侧的电流信号转换为符合单片机的A/D模块要求输入的模拟电压信号，经过简单的信号处理之后，再输入给单片机的A/D模块，同时通过滤波电路滤除高次谐波信号。
如图5，剩余电流采集电路将正常工作的三相电流线与中性线一同穿过互感器，在线路中发生故障时，四根线的回路中就会出现剩余电流，通过一次侧感应到二次侧产生的感应电流，经过100欧姆的采样电阻R29转换成电压，输送到单片机的A/D端口，实现剩余电流信号的检测，同时通过滤波电路滤除高次谐波信号。
如图6、图7，信号调理电路使得采样电路输出的不规则信号均能变换成0-5V的电压信号，输入到单片机PIC18F4620的内部A/D模块。信号调理电路主要分为反相比例运算电路、电位提高电路、钳位电路和滤波电路四个部分。反相比例运算电路通过引入负反馈，实现电路在原有输入的情况下的保证电路结构不变化，并且对信号的幅值进行放大或缩小。电位提高电路通过运放将原始信号与给定直流信号进行加法操作，完成信号从双极性到单极性的转变。钳位电路通过并联稳压二极管的方法实现输出电压只能在0.7V-5.7V之内波动，超出的部分会因为稳压二极管反向击穿工作而被钳住，从而对单片机进行保护。滤波电路的设计就是为了滤除不必要的信号，针对信号采集的实际需求设计对应的高通、低通和带通滤波器，完成对采样信号的滤波功能。
WiFi通信模块主要由RS485接口电路、USR-WIFI232-B2模块、电源电路、以及其他外围元器件组成。WiFi通讯模块主要功能是进行无线网络数据与串口间的双向透明传输。
如图8，WiFi通信模块的485接口电路单片机节点上的串口通信模块是为了实现单片机与WiFi模块间的通信，串口的通信方式为485通信。485芯片采用半双工通信方式，内置发送器和接收器各一个，一个总线最多可带128个通信节点。单片机的RXD引脚和TXD引脚分别与RX和TX引脚相连，可实现传输异步串口数据的功能。
如图9，USR-WIFI232-B2模块用于实现串口与WiFi模块间信息流的双向透明传输，485设备通过该模块能够立即获得TCP/IP网络接口功能，通过网络进行信息收发，使RS485接口设备的通信距离得到极大的增强。USR-WIFI232-B2模块作为网络热点可以允许24个WiFi客户端同时接入，也可同时容纳24个TCP客户端。该模块，将设备或单片机接入WiFi无线网络，实现控制与管理。
如图10，电源电路由MP1482组成的电源电路对模块进行供电，滤波在用户板的连接器附近，使用100uF和10uF两个并联的去耦电容，可以提供系统的稳定性和无线性能。
Claims (10)
1.一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，包括连接在控制与保护开关上的电流检测部分及电压检测部分，电流检测部分和电压检测部分的输出端连接至微控制器，微控制器连接至无线通讯模块，所述无线通讯模块包括串口通信模块及WiFi通信模块，所述微控制器通过串口通信模块连接至WiFi通信模块，WiFi通信模块通过天线连接至远程控制监测中心，WiFi通信模块上连接有为其供电的电源电路，且WiFi通信模块与串口通信模块之间连接有电平转换芯片。
2.根据权利要求1所述的一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，微控制器上连接有用于进行输入的键盘和用于显示数据信息的显示屏。
3.根据权利要求1所述的一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，微控制器上连接有外接存储部分。
4.根据权利要求1所述的一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，微控制器上连接有能够根据无线通讯模块的操作指令对控制与保护开关进行断开或闭合的驱动模块。
5.根据权利要求1所述的一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，所述微控制器包括单片机，单片机上连接有用于使其复位的复位电路以及用于为微控器提供准确振荡信号的时钟晶振电路。
6.根据权利要求5所述的一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，所述单片机为PIC18F4620单片机。
7.根据权利要求1所述的一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，所述串口通信模块为RS485。
8.根据权利要求1所述的一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，所述电平转换芯片为SP3485。
9.根据权利要求1所述的一种配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，所述WiFi通信模块为USR-WIFI232-B2模块。
10.一种配电网的控制与保护开关无线通讯方法，采用权利要求1所述的配电网的控制与保护开关无线通讯装置，其特征在于，电流检测部分和电压检测部分获取到控制与保护开关所在线路的电压电流运行数据，并将电压电流运行数据传送至微控制器，利用微控制内的A/D转换功能对其进行运算和处理，并将运算和处理后的数据通过串口通信模块发送给WiFi通信模块，WiFi通信模块通过天线将数据传送至远程控制监测中心，远程控制监测中心即能够监测控制与保护开关的运行状态，并判断是否发生故障。
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2018
- 2018-12-10 CN CN201811505570.0A patent/CN109586258A/zh active Pending
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