CN110412346A - 一种基于物联网的计量型智能断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于物联网的计量型智能断路器，包括CPU模块、信号采集模块、计量模块、电源模块、机械控制模块、通信模块和输入/输出模块，所述计量模块包括计量芯片，电源模块包括自生电源回路单元，通信模块包括有线485通信单元和无线物联网通信模组，机械控制模块包括控制信号输出单元和设备信号反馈输入单元，输入/输出模块包括按键单元和显示单元；线路中的电压信号由电源模块转换成能够供计量芯片采集的信号，送到计量模块，不仅实现了计量的高精度、保护动作迅速、故障检测可靠等要求，还能通过物联网技术直接实现数据与远程终端的直接对接，大大提高了远程遥控的空间距离，还提高了电网数据统计及调配速度。
Description
技术领域
本发明属于智能电网低压用户端装置技术领域，具体涉及一种基于物联网的计量型智能断路器。
背景技术
断路器是广泛应用于低压配网系统中的一种关键元器件，随着国民经济的迅速发展，我国用电容量迅速扩大，对低压断路器的需求也在迅速增加，电力系统对断路器的安全、可靠性要求也越来越高。而本设计所研制的基于物联网的计量型智能断路器集保护、计量、物联网通信功能于一体，必将有很广阔的应用前景。
随着物联网技术的发展，重点建设运营好“坚强智能电网”和“泛在电力物联网”，推动电网与互联网深度融合。当前电网容量不断增大，低压配电与控制系统也日益复杂化，国家致力打造智能电网，必定离不开基础的低压配电元件的智能化和可通信，因此低压断路器的智能化和可通信已经成为行业发展趋势。
低压塑壳类断路器有组装方便灵活，尺寸模数化，标准导轨安装等优点，带漏电保护功能的断路器还能有效防止人身触电、电气火灾及电气设备损坏，因此在低压电网中有很广泛的应用。但目前低压断路器的通信大多局限于局域网，采集或控制数据均通过有线装置连接到TTU终端，再由TTU上传到主站服务器，实现对断路器的间接远程控制。另一方面，目前国内的测控仪表普遍精度等级不高，产品质量参差不齐，功能单一，附加功能传统，缺乏创新。
发明内容
为解决传统断路器的不足，本发明设计一种基于物联网的计量型智能断路器，本发明目的是针对现有低压断路器及现有电网测量仪表功能单一的缺点，研制出一种计量、保护与通信高集成的智能低压断路器装置，不仅实现了计量的高精度、保护动作迅速、故障检测可靠等要求，还能通过物联网技术直接实现数据与远程终端的直接对接，大大提高了远程遥控的空间距离，还提高了电网数据统计及调配速度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于物联网的计量型智能断路器，包括CPU模块、信号采集模块、计量模块、电源模块、机械控制模块、通信模块和输入/输出模块，所述计量模块包括计量芯片，电源模块包括自生电源回路单元，通信模块包括有线485通信单元和无线物联网通信模组，机械控制模块包括控制信号输出单元和设备信号反馈输入单元，输入/输出模块包括按键单元和显示单元；线路中的电压信号由电源模块转换成能够供计量芯片采集的信号，送到计量模块，由计量芯片计算出精确的电压值，用于正常的液晶屏幕显示及通信上传；线路中的电流信号经过电流互感器转换成小电流信号接入信号采集模块，当CPU模块检测到电流信号处于正常运行范围时，将电流信号切换到计量模块，由计量芯片计算出精确的电流值，用于正常的液晶屏幕显示及通信上传；同时计量芯片计算出实时电能量数据，用于液晶屏幕显示及通信上传；当计量芯片检测到电流异常时，CPU模块将电流切换到单片机信号采集模块，CPU模块通过对采样信号峰值特殊计算方法将检测到的异常电流计算出来，通过电流保护逻辑，实现电流的过载、短延时和瞬时的保护或告警功能；当计量芯片检测到电压信号异常时，CPU模块根据电压保护逻辑，实现电压的过压、欠压、失压和缺零的保护功能；当信号采集模块检测到剩余电流异常时，CPU模块同样根据剩余电流保护逻辑，实现剩余电流保护或告警功能；当跳闸信号产生时，CPU模块驱动脱扣器电源回路导通，12V电源使脱扣器弹簧弹开，脱扣器顶扣杆推动断路器金属簧片上移，推动开关触头断开，开关跳闸；当接收到合闸信号时，CPU模块将电机电源回路接通，电机开始转动，带动手柄，将脱扣器扣回，开关触头合上，开关实现合闸；输入/输出模块，用于实时查看当前电参量、电能量、保护动作次数和闸位变化记录；通信模块，用于将电能量数据上传到物联网云平台，通过云平台实现对开关的远程控制、电参量的采集、分析以及调度功能。
进一步改进本方案，所述电能量数据包括功率、频率、电量和电度数据。
进一步改进本方案，当三相电流大于0.2In或单相电流大于0.5In时，CPU模块能够正常工作。
进一步改进本方案，所述采样信号峰值特殊计算方法，具体步骤如下：S1、开始，查找电流采样缓冲区前16个点中的最大值；S2、记录步骤S1采样值及最大点的下标；S3、取出步骤S2中获得的最大值的前一个采样值和后一个采样值；S4、将步骤S3中的两值求平均值，作为该10ms内电流采样值的有效值；S5、利用线性曲线y=kx+b公式，根据采样值x与实际电流值y，推导出k和b；S6、使用上述相同方式，分段还原出实际电流值y，结束。
进一步改进本方案，电流采样的采样周期为625us，一个周期内采集32个点。
进一步改进本方案，信号采集模块电路包括电流互感器、整流桥、电阻、电容、MOS管和三极管，分别采样A、B、C三相上的电流；其中线路中的A相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IA_P和IA_N，另一路经过整流桥B1，经过R59和Rx分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IA，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IA_CTRL控制切换；其中线路中的B相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IB_P和IB_N，另一路经过整流桥B2，经过R64和Ry分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IB，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IB_CTRL控制切换；其中线路中的C相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IC_P和采样信号IC_N，另一路经过整流桥B3，经过R69和Rz分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IC，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IC_CTRL控制切换。
进一步改进本方案，A/D端口采样电路中，采样信号IC经过U9B运算放大器后，由R3和R88组成分压电路，得到A/D端口采样电路的实际采样电压信号IC_Signal，其它两路方式相同。
进一步改进本方案，所述计量芯片的采样电路中，采样信号IC_P经过R44与R46的分流与分压，采样信号IC_N经过R50与R53的分流与分压，形成电位压差IcP与IcN，接入计量芯片的采样端口，其它两路方式相同。
进一步改进本方案，所述电源模块中，通过电流互感器的自生电源供电，电流互感器二次端产生电压VCC_Self，经过单向导通二极管D2，形成脱扣器脱扣电压VCC_Trip，另经过U4稳压芯片，转换成供通信模块使用的5V电源，5V电压又经过U5稳压芯片，转换为供CPU模块中单片机工作的3.3V电压。
有益效果
本发明基于物联网的计量型智能断路器采用电子控制，不仅集成了保护、计量和物联网通信功能，且体积小，尺寸模块化，标准导轨安装，节省了材料、能源和人力维护成本。在不改变原断路器体积及功能的基础上，加电压采集、比较、判断和控制电路，友好的人机界面，在合闸状态下，可自动轮显当前三相电压、三相电流、当前时间及额定电流参数等，产品功能更完善，人机对话界面更直观。
1、传统A/D采样中集成了计量芯片采样计算，电流采样采用软件控制切换技术，在只有一套电流互感器下，既能满足大电流瞬时保护的时间要求及采样范围要求，又能满足正常运行时表计的所有电能量数据的采集与计算精度要求。
2、断路器不仅具有传统的有线通信，还增加了物联网通信功能，采用物联网专用数据卡，数据上传到物联网云服务器，贴合了国家技术前沿，必然会有很广阔的发展前景。
3、电流采样回路使用全波整流，互感器产生的电流既可以给装置供电，又可以采用均值滤波算法计算电流的有效值，简化了电路的同时也简化了电流算法。
4、故障电压检测采用特殊的芯片峰值采样算法，根据电网频率和采样畸变值可快速有效的检测出电压的缺零故障；控制器也采用特殊峰值处理算法，对电流互感器畸变后的电流值进行分段还原，可快速识别出短路故障，保证动作时间<30ms。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明智能断路器的模块原理图；
图2为本发明智能断路器的信号采集模块电路图；
图3为本发明智能断路器的A/D端口采样电路图；
图4为本发明智能断路器的计量芯片采样电路图；
图5为本发明智能断路器的电源电路图；
图6为本发明智能断路器的峰值算法流程图；
图中标记：1、CPU模块，2、信号采集模块，3、计量模块，4、电源模块，5、机械控制模块，6、通信模块，7、输入/输出模块。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图所示，本发明实施例公开一种基于物联网的计量型智能断路器，包括CPU模块1、信号采集模块2、计量模块3、电源模块4、机械控制模块5、通信模块6和输入/输出模块7，所述计量模块3包括计量芯片，电源模块4包括自生电源回路单元，通信模块6包括有线485通信单元和无线物联网通信模组，机械控制模块5包括电器输出单元和设备信号反馈输入单元，输入/输出模块7包括按键单元和显示单元。
线路中的电压信号由电源模块4转换成能够供计量芯片采集的信号，送到计量模块3，由计量芯片计算出精确的电压值，用于正常的液晶屏幕显示及通信上传；线路中的电流信号经过电流互感器转换成小电流信号接入信号采集模块2，当CPU模块1检测到电流信号处于正常运行范围时，将电流信号切换到计量模块3，由计量芯片计算出精确的电流值，用于正常的液晶屏幕显示及通信上传；同时计量芯片计算出实时功率、频率、电量和电度数据等电能量数据，用于液晶屏幕显示及通信上传。
当计量芯片检测到电流异常时，CPU模块1将电流切换到信号采集模块2，CPU模块1通过峰值计算方法将检测到的异常电流计算出来，通过电流保护逻辑，实现电流的过载、短延时和瞬时的保护或告警功能；当计量芯片检测到电压信号异常时，CPU模块1根据电压保护逻辑，实现电压的过压、欠压、失压和缺零的保护功能；当信号采集模块2检测到剩余电流异常时，CPU模块1同样根据剩余电流保护逻辑，实现剩余电流保护或告警功能。
电源模块4为机械控制模块5提供电源：当跳闸信号产生时，CPU模块1驱动脱扣器电源回路导通，12V电源使脱扣器弹簧弹开，脱扣器顶扣杆推动断路器金属簧片上移，推动开关触头断开，开关跳闸；当接收到合闸信号时，CPU模块1将电机电源回路接通，电机开始转动，带动手柄，将脱扣器扣回，开关触头合上，开关实现合闸。输入/输出模块7，用于实时查看当前电参量、电能量、保护动作次数和闸位变化记录。通信模块6，用于将电能量数据上传到物联网云平台，通过云平台实现对开关的远程控制、电参量的采集、分析以及调度功能。
断路器的电流互感器可产生自生电源，当三相电流大于0.2In或单相电流大于0.5In时,控制器就可以正常工作，自生电源产生的能量完全可以实现对断路器的分闸操作，即当断路器合闸于短路故障线路中时，控制器依然能在进线端还未有电压时合闸瞬间就能快速检测出短路故障实现瞬时跳闸，对线路及设备起到短路保护作用。
断路器配有液晶界面，可实时查看当前电参量、电能量、保护动作次数、闸位变化记录，配有六个按键，可通过按键设置保护功能的开启/关闭、保护参数的查看/修改。同时按键还有就地分闸、合闸、试验跳闸等功能。
断路器不仅具备有线的485通信接口，还配备了GPRS通信模块，通过物联网通信技术，将数据上传到物联网云平台，通过云平台实现对开关的远程控制、电参量的采集、分析及调度功能，使断路器的功能大大增强。
本装置有电流的短路瞬动保护功能，这要求装置要能采集到超过额定电流值10倍以上的电流采样。这么大的电流值，对于用于计量的电流互感器来说，已经远远超过它的量程，导致电流互感器已经达到饱和状态，所以互感器二次端的电流已经发生了畸变，不再是标准的正弦波。若我们依然还使用傅里叶算法求取电流的有效值，此时已经无法还原出真实的电流值，故本装置采用了特殊的峰值算法，来还原实际电流值。峰值算法的流程如图所示：所述采样信号峰值计算方法，具体步骤如下:S1、开始，查找电流采样缓冲区前16个点中的最大值；S2、记录步骤S1采样值及最大点的下标；S3、取出步骤S2中获得的最大值的前一个采样值和后一个采样值；S4、将步骤S3中的两值求平均值，作为该10ms内电流采样值的有效值；S5、利用线性曲线y=kx+b公式，根据采样值x与实际电流值y，推导出k和b；S6、使用上述相同方式，分段还原出实际电流值y，结束。
本方案中，采样周期为625us，一个周期内采集32个点。由于电流经过了全波整流，所以A/D端口采集到的电流波形是负半轴翻转上去的连续的半波波形，这样我们只需要对10MS内的波形进行判断识别，就完全可以还原出50HZ电流的有效值，这样既简化了计算量，又能更快速的实现电流的瞬动保护。另外，对峰值的确定采用最大值前后相邻两个值的平均值，既可以滤除因为干扰造成的最大值误动作，又能更接近于真实的峰值采样值，使计算更准确，保护更可靠。
信号采集模块电路包括电流互感器、整流桥、电阻、电容、MOS管和三极管，分别采样A、B、C三相上的电流；其中线路中的A相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IA_P和IA_N，另一路经过整流桥B1，经过R59和Rx分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IA，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IA_CTRL控制切换；其中线路中的B相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IB_P和IB_N，另一路经过整流桥B2，经过R64和Ry分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IB，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IB_CTRL控制切换；其中线路中的C相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IC_P和采样信号IC_N，另一路经过整流桥B3，经过R69和Rz分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IC，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IC_CTRL控制切换。
以C相采样信号为例，A/D采样端口采样电路中，采样信号IC经过U9B运算放大器后，由R3和R88组成分压电路，得到A/D采样端口采样电路的实际采样电压信号IC_Signal。
计量芯片的采样电路中，采样信号IC_P经过R44与R46的分流与分压，采样信号IC_N经过R50与R53的分流与分压，形成电位压差IcP与IcN，接入计量芯片的采样端口。在本方案中，其它两路的方式与C相相同。
本方案中，电源模块4通过电流互感器的自生电源供电，电流互感器二次端产生电压VCC_Self，经过单向导通二极管D2，形成脱扣器脱扣电压VCC_Trip，另经过U4稳压芯片，转换成供通信模块6使用的5V电源，5V电压又经过U5稳压芯片，转换为供CPU模块1的单片机工作的3.3V电压。
本装置可灵活选择保护类型，并可对各保护类型的参数进行灵活修改与设置。可应用于配电线路或系统末端，直接连接用电设备，在短路或接地故障发生时，可以尽快甚至瞬间切断电路；可将装置配置为具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的三段保护特性的断路器，用于树干式或混合式配电方式的系统保护中。
另外，本装置具有测量、显示、数字通讯等功能，能够完成电量测量、电能计量、数据显示、采集及传输，可直接用于变电站自动化，配电自动化智能建筑、企业内部的电能测量、管理及考核中，可作为电力仪表的替代产品，且比一般的表计精度高，稳定性好，抗干扰能力强。本装置采用环保材料，可大大减少对环境的污染。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：包括CPU模块（1）、信号采集模块（2）、计量模块（3）、电源模块（4）、机械控制模块（5）、通信模块（6）和输入/输出模块（7），所述计量模块（3）包括计量芯片，电源模块（4）包括自生电源回路单元，通信模块（6）包括有线485通信单元和无线物联网通信模组，机械控制模块（5）包括控制信号输出单元和设备信号反馈输入单元，输入/输出模块（7）包括按键单元和显示单元；
线路中的电压信号由电源模块（4）转换成能够供计量芯片采集的信号，送到计量模块（3），由计量芯片计算出精确的电压值，用于正常的液晶屏幕显示及通信上传；线路中的电流信号经过电流互感器转换成小电流信号接入信号采集模块（2），当CPU模块（1）检测到电流信号处于正常运行范围时，将电流信号切换到计量模块（3），由计量芯片计算出精确的电流值，用于正常的液晶屏幕显示及通信上传；同时计量芯片计算出实时电能量数据，用于液晶屏幕显示及通信上传；
当计量芯片检测到电流异常时，CPU模块（1）将电流切换到信号采集模块（2），CPU模块（1）通过采样信号峰值获取方法将检测到的异常电流计算出来，通过电流保护逻辑，实现电流的过载、短延时和瞬时的保护或告警功能；当计量芯片检测到电压信号异常时，CPU模块（1）根据电压保护逻辑，实现电压的过压、欠压、失压和缺零的保护功能；当信号采集模块（2）检测到剩余电流异常时，CPU模块（1）同样根据剩余电流保护逻辑，实现剩余电流保护或告警功能；
当跳闸信号产生时，CPU模块（1）驱动脱扣器电源回路导通，12V电源使脱扣器弹簧弹开，脱扣器顶扣杆推动断路器金属簧片上移，推动开关触头断开，开关跳闸；当接收到合闸信号时，CPU模块（1）将电机电源回路接通，电机开始转动，带动手柄，将脱扣器扣回，开关触头合上，开关实现合闸；
输入/输出模块（7），用于实时查看当前电参量、电能量、保护动作次数和闸位变化记录；
通信模块（6），用于将电能量数据上传到物联网云平台，通过云平台实现对开关的远程控制、电参量的采集、分析以及调度功能。
2.如权利要求1的一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：所述电能量数据包括功率、频率、电量和电度数据。
3.如权利要求1的一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：当三相电流大于0.2In或单相电流大于 0.5 In 时，CPU模块能够正常工作。
4.如权利要求1的一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：所述采样信号峰值计算方法，具体步骤如下:
S1、开始，查找电流采样缓冲区前16个点中的最大值；
S2、记录步骤S1采样值及最大点的下标；
S3、取出步骤S2中获得的最大值的前一个采样值和后一个采样值；
S4、将步骤S3中的两值求平均值，作为该10ms内电流采样值的有效值；
S5、利用线性曲线y=kx+b公式，根据采样值x与实际电流值y，推导出k和b；
S6、使用上述相同方式，分段还原出实际电流值y，结束。
5.如权利要求1的一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：电流采样的采样周期为625us，一个周期内采集32个点。
6.如权利要求1的一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：信号采集模块电路包括电流互感器、整流桥、电阻、电容、MOS管和三极管，分别采样 A、B、C三相上的电流；
其中线路中的A相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IA_P和IA_N，另一路经过整流桥B1，经过R59和Rx分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IA，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IA_CTRL控制切换；
其中线路中的B相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IB_P和IB_N，另一路经过整流桥B2，经过R64和Ry分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IB，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IB_CTRL控制切换；
其中线路中的C相电流经过电流互感器转换成二次端电流接入采样端子，电流信号一路经过MOS管控制形成计量芯片的采样信号IC_P和采样信号IC_N，另一路经过整流桥B3，经过R69和Rz分压后，形成主控芯片A/D采样端的采样信号IC，MOS管导通时，电流信号进入计量芯片进行采样计算，MOS管断开时，电流信号进入单片机A/D端口进行采样计算，MOS管的导通与关闭由单片机引脚IC_CTRL控制切换。
7.如权利要求6的一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：A/D端口采样电路中，采样信号IC经过U9B运算放大器后，由R3和R88组成分压电路，得到A/D端口采样电路的实际采样电压信号IC_Signal。
8.如权利要求6的一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：所述计量芯片的采样电路中，采样信号IC_P经过R44与R46的分流与分压，采样信号IC_N经过R50与R53的分流与分压，形成电位压差IcP与IcN，接入计量芯片的采样端口。
9.如权利要求6的一种基于物联网的计量型智能断路器，其特征在于：所述电源模块（4）中，通过电流互感器的自生电源供电，电流互感器二次端产生电压VCC_Self，经过单向导通二极管D2，形成脱扣器脱扣电压VCC_Trip，另经过U4稳压芯片，转换成供通信模块（6）使用的5V电源，5V电压又经过U5稳压芯片，转换为供CPU模块（1）中单片机工作的3.3V电压。
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