CN114825609B - 基于载波信号衰减的低压智能断路器及其拓扑识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于载波信号衰减的低压智能断路器，核心控制模块运行实时操作系统，建立多个任务处理数据采集、数据通信；核心控制模块分别与通信接口模块、电能计量模块、CT取能模块、数据存储模块、断路器一次电路部分和实时时钟相连接，通信接口模块包含载波接口和485通信接口，载波接口与载波信号衰减模块相连接，载波信号衰减模块采用IP化HPLC模块，通过引出的GPIO管脚控制载波信号衰减电路。本发明还涉及一种基于低压智能断路器的拓扑识别方法，通过对每个低压智能断路器的载波信号衰减模块的投入，逐渐实现整个台区内网络拓扑的有效识别。本发明的低压智能断路器集成拓扑识别功能，无需新增设备，对线路干扰少，拓扑识别精度高。

Description

基于载波信号衰减的低压智能断路器及其拓扑识别方法

技术领域

本发明属于电力行业配电领域，特别是低压配电领域中的配电自动化方面，具体涉及一种基于载波信号衰减的低压智能断路器及线路拓扑识别方法，适用于低压智能断路器通过载波信号衰减的方式实现台区电气拓扑关系的方案，以及基于载波信号衰减技术实现线路拓扑识别的方案。

背景技术

随着低压配电物联网领域的技术发展，配电网设备的种类和数量明显增多，电气拓扑关系也越来越复杂，只有获取了配电台区内电气网络拓扑关系的准确数据，电力公司才能实现精准故障定位及抢修，提高供电服务水平和能力，但是当前还不能准确及时的获取配电台区电气网络拓扑关系。

今后，各类高级APP对台区电气网络拓扑的依赖性越来越强，特别是台区动态拓扑无法实时获取，严重制约了物联网技术的进一步深化应用。当前的拓扑动态识别主要依赖外加信号注入设备实现，需要额外加装设备，该方案不仅成本高，且对电网造成额外故障。因此，需要一种可以减少对线路干扰的拓扑识别方案，并且将拓扑识别模块内置到低压智能断路器中，不改变线路的电气特性，实现低压台区线路拓扑识别，解决拓扑识别关键难题。

因此，需要一种适用于配电台区电气拓扑识别的低压智能断路器，同时基于台区智能融合终端的边缘计算功能，组成一套台区拓扑关系识别的方案，提高配电智能化水平。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于载波信号衰减的低压智能断路器及拓扑识别方法，通过载波信号衰减的方式实现电气拓扑识别，旨在解决配电台区电气拓扑关系获取所遇到的难题，实现在不影响线路、不新增设备的情况下，完成拓扑关系的精准识别，提升配电台区的智能化水平，协助电力公司提升供电能力。本发明中所述的载波信号衰减，是指载波STA模块监测到的线路上的载波信号信噪比数据，载波STA模块时刻监听着所处节点的载波信号的信噪比数据，并可通过载波网络将该数据上传到台区智能终端。所述载波STA模块，是指低压智能断路器中的载波信号衰减模块，载波信号衰减模块可实现通过电力线将信息传输至台区智能终端的能力。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种基于载波信号衰减的低压智能断路器，包括：核心控制模块，核心控制模块运行实时操作系统，内部建立多个任务分别处理数据采集、数据通信；所述的核心控制模块分别与通信接口模块、电能计量模块、CT取能模块、数据存储模块、断路器一次电路部分和实时时钟相连接，实时时钟用于系统的守时，所述的通信接口模块包含载波接口和485通信接口，载波接口与载波信号衰减模块相连接，所述的载波信号衰减模块采用IP化HPLC模块，通过载波信号衰减模块引出的GPIO管脚控制载波信号衰减电路，载波信号衰减电路采用电阻和电容串联的方案，通过继电器的开闭来控制载波信号衰减电路是否投入以及投入的时长，所述的电能计量模块与CT采集模块相连接。

一种基于低压智能断路器的拓扑识别方法，应用前述的基于载波信号衰减的低压智能断路器，包括以下步骤：

步骤1、基于台区智能终端和多个低压智能断路器，组成载波网络；

步骤2、低压智能断路器启动，首先对各个外围接口进行初始化，然后初始化并启动实时操作系统，之后，建立采集任务及通信任务，当任务完成建立后，进入任务执行状态；

步骤3、低压智能断路器的电能计量模块和CT采集模块采集电能信息，载波信号衰减模块采集波形数据，核心控制模块定时通过接口获取电能信息及波形数据，并进行谐波计算，同时实时检测同步采样标志位判断是否收到同步采样指令，如果检测到同步采样指令，则完成电能信息和波形数据的采集；

步骤4、低压智能断路器的核心控制模块定期检测485通信接口收到的数据，对报文进行解析，解析按照标准的645报文格式，对报文进行处理，识别到有效报文信息后，按照要求进行组包，组包是根据收到报文类型，按照标准645报文格式，组成回复报文；融合终端通过载波通信与低压智能断路器的对上通信接口进行通信；

步骤5、台区智能终端获取到所有低压智能断路器的载波信号衰减模块信噪比数据，通过信噪比将低压智能断路器分成低压出线柜、低压分支箱和表箱三级关系并进行标注；台区智能终端随机选取其中一个低压智能断路器进行载波信号衰减模块的投入，通过对每个低压智能断路器的载波信号衰减模块的投入，逐渐实现整个台区内网络拓扑的有效识别。

本发明具有以下有益效果：

1)低压智能断路器集成拓扑识别功能，无需新增设备；2)采用载波信号衰减的拓扑识别方案，对线路干扰少；3)拓扑识别精度高，通过载波信号衰减及同一时刻电气量关系综合判断，在拓扑关系出现变化时，可自动调整生成新的拓扑关系图，减少人工的维护工作量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，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属于本申请保护范围之内的附图。

图1为本发明实施例的低压智能断路器的结构示意图；

图2为本发明实施例的载波信号衰减模块的电路结构示意图；

图3为本发明实施例的低压智能断路器主程序流程示意图；

图4为本发明实施例的低压智能断路器与电能计量通信接口程序流程示意图；

图5为本发明实施例的低压智能断路器对上通信接口交互程序流程示意图；

图6为本发明实施例的低压智能断路器完成拓扑识别流程示意图；

图7为本发明实施例的精准对时及同步采样流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为本发明实施例的低压智能断路器的结构示意图，低压智能断路器与台区智能终端相连接。一种基于载波信号衰减的低压智能断路器，包括：核心控制模块，所述的核心控制模块分别与通信接口模块、电能计量模块、CT取能模块、数据存储模块、断路器一次电路部分相连接。核心控制模块运行实时操作系统，内部建立多个任务(任务，是指实时操作系统中，处理多个外设、或者多个功能的相互之间独立运行并且互不影响的功能模块)，分别处理数据采集、数据通信，核心控制模块与实时时钟相连用于系统的守时，所述实时时钟可以选用DS1302、或者DS1342等芯片，实时时钟守时误差应小于0.5s/天。所述的核心控制模块采用ARM核心处理器，包括：ARMv6M、或者ARMv7、或者ARMv9等系列处理器，ARM核心处理器ROM应大于40KB，RAM应大于20KB，所述的核心控制模块包含ARM核心处理器所能够工作的最小电路系统。

核心控制模块运行实时操作系统，所述实时操作系统为ARM核心处理器可用的嵌入式实时物联网操作系统，用于系统任务调度，嵌入式实时物联网操作系统可以使用华为LiteOS、或者AliOSThings、或者RT-Thread等。

所述的通信接口模块包含载波接口和485通信接口，载波接口与载波信号衰减模块相连接，所述的载波信号衰减模块采用IP化HPLC模块，通过载波信号衰减模块引出的GPIO管脚控制载波信号衰减电路，载波信号衰减电路采用电阻和电容串联的方案，通过继电器的开闭来控制载波信号衰减电路是否投入以及投入的时长。所述电阻，阻值选取10欧姆电阻，可采用1206封装。所述电容，容值选取10nF电容，耐压值应大于270V。所述继电器，可选用一组常开型继电器，额定电压为12V。如图2所示，为本发明实施例的载波信号衰减模块的电路结构示意图。

所述的电能计量模块与CT采集模块相连接。电能计量模块可以使用电能计量芯片、或者ADC模数转换中的一种。CT采集模块通过接插件与电能计量模块相连。所述的电能计量模块，包括但不限于采用ATT7022、或者9078等电能计量芯片采集方案，或者AD7606等模数转换采集方案，电能计量模块包含有连接CT采集模块的接口以及基本调理电路。

所述数据存储模块，用于存储低压智能断路器的定值及配置信息，包括但不限于厂家、信号等信息；用于存储定值、计量校准系数和冻结电量等信息和参数。

所述通信接口模块，包含低压智能断路器用于与外界通信的接口及其保护电路，基本的，包含载波接口以及485通信接口，载波接口用于连接台区智能融合终端组成载波网口，485通信接口用于本地调试。

所述CT取能模块，是利用电磁感应原理，由铁磁式互感器从线路中感应得到交流电，并通过交流—直流变换转化为稳定的直流电，在线路故障时，为低压智能断路器提供临时供电。

所述CT采集模块，是用于采集线路上电流信息的传感器，通常在ABCN线上各自安装一个采集CT。

所述断路器一次电路部分，是指的断路器常规的电气结构部分，是现有技术。

一种基于低压智能断路器的拓扑识别方法，应用前述的基于载波信号衰减的低压智能断路器，包括以下步骤：

步骤1、基于台区智能终端和多个低压智能断路器，组成载波网络；

步骤2、低压智能断路器启动，低压智能断路器内具备核心控制模块，核心控制模块可以运行实时操作系统。如图3所示，为本发明实施例的低压智能断路器主程序流程示意图。低压智能断路器启动后，首先对各个外围接口进行初始化，然后初始化并启动实时操作系统，之后，建立采集任务及通信任务，当任务完成建立后，进入任务执行状态。采集任务通过与电能计量模块交互，实现线路电气状态的数据采集，通信任务用于控制低压智能断路器的通信接口，包括载波接口、485通信接口等。采集任务及通信任务通过调用实时操作系统提供的API来建立和启动。

步骤3、低压智能断路器的电能计量模块和CT采集模块采集电能信息，载波信号衰减模块采集波形数据，核心控制模块定时通过接口获取电能信息及波形数据，并进行谐波计算，同时实时检测同步采样标志位判断是否收到同步采样指令，如果检测到同步采样指令，则完成电能信息和波形数据的采集。如图4所示，为本发明实施例的低压智能断路器与电能计量通信接口程序流程示意图。

所述同步采样，是指在精准对时的基础上，在本载波网络内部，低压智能断路器在同一时间断面中进行电能信息采集，取得同一时刻的电能信息数据。所述精准对时，利用PLC网络精准对时，通过软件流程设计，实现业务可用的对时精度，对时精度可达ms级。一个载波网络内部根据现场要求，可布置一个或多个低压智能断路器。

步骤4、低压智能断路器的核心控制模块定期检测485通信接口收到的数据，对报文进行解析，解析按照标准的645报文格式，对报文进行处理，识别到有效报文信息后，按照要求进行组包，组包是根据收到报文类型，按照标准645报文格式，组成回复报文。融合终端通过载波通信与低压智能断路器的对上通信接口进行通信。如图5所示，为本发明实施例的低压智能断路器对上通信接口交互程序流程示意图。

步骤5、台区智能终端在低压智能断路器组网成功后，可以获取到所有低压智能断路器的载波信号衰减模块信噪比数据，信噪比与距离的远近相关，通过信噪比可以将低压智能断路器分成低压出线柜、低压分支箱和表箱三级关系并进行标注。台区智能终端随机选取其中一个低压智能断路器进行载波信号衰减模块的投入，由于载波信号衰减模块的投入，导致整个线路上的载波信号均出现不同程度的信号衰减，与该低压智能断路器相近的其他低压智能断路器检测到的载波信号衰减变化大，其他位置的载波信号衰减变化小，通过对每个低压智能断路器的载波信号衰减模块的投入，可以逐渐实现整个台区内网络拓扑的有效识别。如图6所示，为本发明实施例的低压智能断路器完成拓扑识别流程示意图。具体包括以下步骤：

S1、基于低压智能断路器进行载波网络组网；

S2、台区智能终端获取各个载波节点的信噪比；

S3、台区智能终端对低压智能断路器进行位置的初步标注；

S4、随机投入某个低压智能断路器的载波信号衰减模块；

S5、等待信噪比稳定后，获取载波网络内的载波信号变化情况；

S6、根据载波信号的强度变化，判断低压智能断路器的上下级关系；

S7、重复执行步骤S4-6，通过基于载波网络的精准对时，实现多个低压智能断路器的同步采样，通过计算精准对时时间断面上的电气量数据，可综合分析得出线路的拓扑结构，直到完成整个载波网络的拓扑识别。

如图7所示，为本发明实施例的精准对时及同步采样流程示意图。精准对时和同步采样采用广播的形式实现，台区智能终端发送PLC网络精准对时命令，并指定各个载波信号衰减模块在收到精准对时指令10秒钟后进行电能信息和波形数据的采集。各个载波信号衰减模块收到精准对时命令后，将修改实时时钟的数据，使低压智能断路器本地的实时时钟与载波网络的时钟同步。在到达对应的时刻后，低压智能断路器进行电能计量采样，并将采样结果进行上报，台区智能终端收到同步采样数据后，对同步采样数据进行处理，分析载波网络的拓扑关系，辅助拓扑识别的计算。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于载波信号衰减的低压智能断路器，其特征在于，包括：核心控制模块，核心控制模块运行实时操作系统，内部建立多个任务分别处理数据采集、数据通信；所述的核心控制模块分别与通信接口模块、电能计量模块、CT取能模块、数据存储模块、断路器一次电路部分和实时时钟相连接，实时时钟用于系统的守时，所述的通信接口模块包含载波接口和485通信接口，载波接口与载波信号衰减模块相连接，所述的载波信号衰减模块采用IP化HPLC模块，通过载波信号衰减模块引出的GPIO管脚控制载波信号衰减电路，载波信号衰减电路采用电阻和电容串联的方案，通过继电器的开闭来控制载波信号衰减电路是否投入以及投入的时长，所述的电能计量模块与CT采集模块相连接；

所述实时时钟选用DS1302或者DS1342芯片，实时时钟守时误差小于0.5s/天；所述的核心控制模块采用ARM核心处理器，包括：ARMv6M、或者ARMv7、或者ARMv9处理器，ARM核心处理器ROM大于40KB，RAM大于20KB，所述的核心控制模块包含ARM核心处理器所能够工作的最小电路系统，所述实时操作系统为ARM核心处理器可用的嵌入式实时物联网操作系统，用于系统任务调度，嵌入式实时物联网操作系统使用华为LiteOS、或者AliOS Things、或者RT-Thread；

电能计量模块使用电能计量芯片、或者ADC模数转换，CT采集模块通过接插件与电能计量模块相连；所述的电能计量模块，采用ATT7022、或者9078电能计量芯片采集方案，或者AD7606模数转换采集方案，电能计量模块包含有连接CT采集模块的接口以及基本调理电路；

所述数据存储模块，用于存储低压智能断路器的定值及配置信息，用于存储定值、计量校准系数、冻结电量信息和参数；

所述通信接口模块，包含低压智能断路器用于与外界通信的接口及其保护电路，载波接口用于连接台区智能融合终端组成载波网口，485通信接口用于本地调试；

所述CT取能模块，是利用电磁感应原理，由铁磁式互感器从线路中感应得到交流电，并通过交流—直流变换转化为稳定的直流电，在线路故障时，为低压智能断路器提供临时供电；

所述CT采集模块，是用于采集线路上电流信息的传感器，在ABCN线上各自安装一个采集CT。

2.根据权利要求1所述的基于载波信号衰减的低压智能断路器，其特征在于，所述的任务是指实时操作系统中，处理多个外设、或者多个功能的相互之间独立运行并且互不影响的功能模块。

3.根据权利要求1所述的基于载波信号衰减的低压智能断路器，其特征在于，载波信号衰减电路中，所述电阻，阻值选取10欧姆电阻，采用1206封装；所述电容，容值选取10nF电容，耐压值大于270V；所述继电器，选用一组常开型继电器，额定电压为12V。

4.基于低压智能断路器的拓扑识别方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的基于载波信号衰减的低压智能断路器，包括以下步骤：

步骤1、基于台区智能终端和多个低压智能断路器，组成载波网络；

步骤2、低压智能断路器启动，首先对各个外围接口进行初始化，然后初始化并启动实时操作系统，之后，建立采集任务及通信任务，当任务完成建立后，进入任务执行状态；

步骤3、低压智能断路器的电能计量模块和CT采集模块采集电能信息，载波信号衰减模块采集波形数据，核心控制模块定时通过接口获取电能信息及波形数据，并进行谐波计算，同时实时检测同步采样标志位判断是否收到同步采样指令，如果检测到同步采样指令，则完成电能信息和波形数据的采集；

步骤4、低压智能断路器的核心控制模块定期检测485通信接口收到的数据，对报文进行解析，解析按照标准的645报文格式，对报文进行处理，识别到有效报文信息后，按照要求进行组包，组包是根据收到报文类型，按照标准645报文格式，组成回复报文；融合终端通过载波通信与低压智能断路器的对上通信接口进行通信；

步骤5、台区智能终端获取到所有低压智能断路器的载波信号衰减模块信噪比数据，通过信噪比将低压智能断路器分成低压出线柜、低压分支箱和表箱三级关系并进行标注；台区智能终端随机选取其中一个低压智能断路器进行载波信号衰减模块的投入，通过对每个低压智能断路器的载波信号衰减模块的投入，逐渐实现整个台区内网络拓扑的有效识别；

步骤2中，采集任务通过与电能计量模块交互，实现线路电气状态的数据采集，通信任务用于控制低压智能断路器的通信接口，采集任务及通信任务通过调用实时操作系统提供的API来建立和启动。

5.根据权利要求4所述的基于低压智能断路器的拓扑识别方法，其特征在于，步骤3中，所述同步采样，是指在精准对时的基础上，在本载波网络内部，低压智能断路器在同一时间断面中进行电能信息采集，取得同一时刻的电能信息数据；所述精准对时，利用PLC网络精准对时，通过软件流程设计，实现业务可用的对时精度，对时精度达ms级，精准对时和同步采样采用广播的形式实现；一个载波网络内部根据现场要求，布置一个或多个低压智能断路器。

6.根据权利要求4所述的基于低压智能断路器的拓扑识别方法，其特征在于，步骤5中，低压智能断路器完成拓扑识别具体包括以下步骤：

S1、基于低压智能断路器进行载波网络组网；

S2、台区智能终端获取各个载波节点的信噪比；

S3、台区智能终端对低压智能断路器进行位置的初步标注；

S4、随机投入某个低压智能断路器的载波信号衰减模块；

S5、等待信噪比稳定后，获取载波网络内的载波信号变化情况；

S6、根据载波信号的强度变化，判断低压智能断路器的上下级关系；

S7、重复执行步骤S4-6，通过基于载波网络的精准对时，实现多个低压智能断路器的同步采样，通过计算精准对时时间断面上的电气量数据，综合分析得出线路的拓扑结构，直到完成整个载波网络的拓扑识别。