CN214504167U - 一种断路器的控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种断路器的控制器，其可包括信号处理模块、电能量测模块、第一主控模块、第二主控模块、蓝牙模块、通信模块、状态反馈电路、脱扣驱动电路、信号单元、存储单元、显示电路和按键电路；第一主控模块与第二主控模块通信连接，第一主控模块用于实现断路器的保护和控制功能；第二主控模块用于实现高精度测量和人机交互及通信功能；蓝牙模块用于与智能终端蓝牙通信连接；通信模块用于与上位机通信连接；脱扣驱动电路用于与磁通变换器连接。采用两个主控模块搭配一个专业的电能量测模块架构，各自分工，实现全面、高精度电力量测和保护功能，提升性能，确保核心的保护功能的独立性及可靠性。

Description

一种断路器的控制器

技术领域

本实用新型属于低压电器技术领域，具体地涉及一种断路器的控制器。

背景技术

断路器是电力系统低压配电网中的主要电器开关之一，主要在不频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为主电源隔离开关使用，并对线路、电器设备等进行保护。当发生严重过流、短路、断相等故障时，能主动切断线路，起保护作用，应用十分广泛。控制器作为断路器的核心关键部件，其性能的优劣直接关系到断路器的稳定性与可靠性。

传统控制器采用单一主控模块来实现主要的智能化功能。随着功能越多，处理能力要求也越高，程序也更复杂化，同时高负荷运行，也限制了功能提升的空间。传统通信方式遇到环境恶劣、通信距离长、线径过细、转换器品质不良等因素都会降低通信效果。市面上断路器的控制器较少同时具备专业的电能量测功能、谐波质量分析功能、与智能终端(例如，智能手机或掌上设备)的交互通信功能以及与上位机无线通信和电力载波通信功能等。

发明内容

本实用新型旨在提供一种断路器的控制器，以解决传统断路器的控制器功能相对较少、无法满足客户要求的问题。为此，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种断路器的控制器，可包括信号处理模块、电能量测模块、第一主控模块、第二主控模块、蓝牙模块、通信模块、状态反馈电路、脱扣驱动电路、信号单元、存储单元、显示电路和按键电路；所述信号处理模块的输入端与电流互感器、电压互感器连接并且输出端与电能量测模块连接；所述信号处理模块、状态反馈电路、脱扣驱动电路、信号单元、存储单元与第一主控模块连接，所述第一主控模块用于实现断路器的保护和控制功能；所述电能量测模块、蓝牙模块、通信模块、显示电路、按键电路与第二主控模块连接；第一主控模块与第二主控模块通信连接，所述第二主控模块用于实现高精度测量和人机交互及通信功能；所述蓝牙模块用于与智能终端蓝牙通信连接；所述通信模块用于与上位机通信连接；所述脱扣驱动电路用于与磁通变换器连接。

进一步地，所述通信模块包括RS485通信模块、LoRa通信模块和/或电力载波模块。

进一步地，所述电力载波模块为HPLC宽带电力载波模块。

进一步地，所述通信模块采用模块化或共用通信接口的设计。

进一步地，所述第一主控模块和所述第二主控模块之间采用UART串口连接。

进一步地，所述信号处理模块包括RC滤波电路、多路差分放大器、小信号放大器和电压信号调理电路，所述电流互感器的输出端与所述RC滤波电路的输入端相连，所述RC滤波电路的输出端与所述多路差分放大器的输入端相连，所述多路差分放大器的输出端同时与所述第一主控模块、电能量测模块、小信号放大器的输入端相连，所述小信号放大器的输出端与所述第一主控模块相连，所述电压互感器的输出端与所述电压信号调理电路的输入端相连；所述电压信号调理电路的输出端同时与所述第一主控模块和所述电能量测模块相连。

进一步地，所述电能量测模块采用电能计量芯片，内置多路模数转换器和数字信号处理电路，所述多路模数转换器分别与所述信号处理模块的电流信号、电压信号相连，所述数字信号处理电路与第二主控模块连接。

进一步地，所述电能量测模块与所述第二主控模块进行SPI或I2C串口总线通信。

进一步地，所述状态反馈电路包括电阻R6、R7和电容C4，其中，R6一端上拉接电源、另一端接所述第一主控模块的FB1反馈接口，R7一端接地、另一端接所述第一主控模块的FB反馈接口，电容C4并联在电阻R7两端。

进一步地，所述脱扣驱动电路包括电阻R5、驱动MOS管Q5、整流二极管D1 和二极管D6，其中，所述第一主控模块I/O口串接R5与Q5的栅极相连，Q5的源极接地，漏极接磁通变换器的TRIP-端；磁通变换器的TRIP+端与D1的负极相连，D1的正极接电源；D6的正极接磁通变换器的TRIP-端，负极接磁通变换器的TRIP+端。

本实用新型采用上述技术方案，具有的有益效果是：

1、采用两个主控模块搭配一个专用的电能量测模块架构，各自分工，实现全面、高精度电力量测和保护功能，提升性能，降低单一微处理器的运行负荷，确保核心的保护功能的独立性及可靠性；

2、蓝牙与智能终端的无线连接，具备安全、可靠、友好的人机互动，可在线升级更新控制器固件程序；

3、RS485、LoRa、电力载波等多种通信方式，高速、双向、实时的物联通信，实现与不同场合的通信系统互联互通；使用电力载波的方式传递信号的通信成本低廉，并相对更加可靠；各通信模块采用模块化或共用通信接口的设计，支持热拔插，即插即用；

4、整体具备高效的维护和灵活的扩展性，满足不同的显示及通信需求。

附图说明

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

图1是本实用新型的断路器的控制器的原理框图；

图2是通信模块的电路原理图；

图3是信号处理模块的原理框图；

图4是电能量测模块的电路原理图；

图5是信号单元的电路原理图；

图6是状态反馈电路的电路原理图；

图7是脱扣驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1所示，一种断路器的控制器10可包括信号处理模块101、电能量测模块102、第一主控模块103、第二主控模块104、蓝牙模块105、通信模块106、状态反馈电路107、脱扣驱动电路108、信号单元109、存储单元110、显示电路111和按键电路112等；所述信号处理模块101、状态反馈电路107、脱扣驱动电路108、信号单元109、存储单元110与第一主控模块103连接，所述电能量测模块102、蓝牙模块105、通信模块106、显示电路111、按键电路112与第二主控模块104连接，所述信号处理模块101与电能量测模块102连接。第一主控模块103与第二主控模块104进行通信连接。具体地，第一主控模块103 和第二主控模块104之间采用UART串口连接，进行数据传输；优选地，采用嵌入式微处理器(ARM Cortex-M)来实现，结构简单，易于实现，成本低，但并不以此为限。所述蓝牙模块105用于与智能终端(例如，智能手机或掌上设备)蓝牙通信连接。所述通信模块106用于与上位机(例如，PC机)通信连接。所述脱扣驱动电路108用于与磁通变换器连接。下面分别对信号处理模块101、电能量测模块102、第一主控模块103、第二主控模块104、蓝牙模块105、通信模块106、状态反馈电路107、脱扣驱动电路108、信号单元109、存储单元110、显示电路111和按键电路112等的具体结构和功能进行说明。

第一主控模块103主要用于实现断路器的保护和控制功能。具体地，第一主控模块103采样来自信号处理模块101处理后的电流和电压信号，进行计算处理，实现电网参数的监测功能并进行保护判断处理，包括过载长延时、短路短延时、瞬时保护、接地故障、漏电、电流/电压不平衡、过/欠压、过/欠频率、相序、负载监控、过/欠功率、逆功率等保护。当测量值超过保护设定门限值并持续达到延时时间时，第一主控模块103发出脱扣信号至脱扣驱动电路108，驱动磁通变换器带动机构连杆使断路器分闸，并控制信号单元109的触点的开闭状态；同时通知第二主控模块104来读取当前故障状态信息。故障信息记录在存储单元110。存储单元110可以是铁电存储器(FRAM)、EEPROM等。

第二主控模块104主要用于实现高精度测量、人机交互及通信功能。具体地，第二主控模块104通过总线通信读取电能量测模块102量测的电流、电压、频率、功率、电能、谐波等电网参数值，并进行计算处理。将处理后的数据发送至显示电路111进行显示，同时可供智能终端通过蓝牙模块105或上位机通过通信电路106进行数据读取。用户通过对按键电路112或智能终端或上位机对控制器10进行设置、控制等操作，当参数设定发生改变时，第二主控模块104 通知第一主控模块103来读取设定值。

如图2所示，通信模块106可包括RS485通信模块、LoRa通信模块和电力载波模块等。其中，RS485通信模块优选地可以是专用RS485收发器或其他类似缓冲器，通过UART串口与第二主控模块104相连建立内部通信连接，TX对应发送端、RX对应接收端。第二主控模块104的一I/O口对RS485通信芯片的接收和发送状态进行切换控制，差分接口COMA/COMB对外通信。LoRa通信模块优选地可以是工业用嵌入式LoRa模块或其他类似功能模块，通过UART串口与第二主控模块104相连建立通信连接。扩展I/O口(RST、SLEEP、STATUS)与第二主控模块104相连可提供复位、状态及控制(唤醒/休眠)等功能。该模组可以是基于Lora扩频技术的嵌入式无线数据传输模块，实现无线数据传输功能。依地区选用不同频段，可以在433MHz、868MHz或915MHz中任意选择。通信射频接口可以是U.FL接口或SMA接口。LoRa通信模块具有功耗低、覆盖范围远、星状拓扑组网灵活、采用CSS调制、AES128加密、抗干扰性强等特点；适用于旧网改造、通信网络距离远、环境恶劣不适合现场维护等特定场合。电力载波模块优选地为HPLC宽带电力载波模块，无须专用通信电缆，接入常规电网电力线即可通信连接，无需额外布线。电力载波模块的弱电侧通过UART串口、I/O口与第二主控模块104相连，强电侧通过相线-中性线或相线-地线的连接方式与电力线路相连接。电力载波模块将电信号耦合到电网电力线上，信号随着电力线传送至上位机(例如，终端监测设备)，使断路器与上位机进行联网，实现了对断路器的电力监测。电力载波通信方式不需要重新架设网络又适合远距离传输，既经济又稳定。各类通信模块均采用模块化设计，可根据现场环境情况自由搭配通信模块，方便安装使用。各模块均支持热拔插方式，即插即用。

如图1和3所示，信号处理模块101包括RC滤波电路1011、多路差分放大器1012、小信号放大器1013和电压信号调理电路1014。信号处理模块101主要完成电网电压电流的信号采集与调理。电流互感器采集电网电流信号，电流互感器的输出端与RC滤波电路1011的输入端相连。RC滤波电路1011可还原互感器相移，使采集到的电流信号与电压信号同步，确保功率及电能的测量准确度。RC滤波电路1011的输出端与多路差分放大器1012输入端相连，多路差分放大器1012可根据电流互感器的规格来设置相应放大倍数，用于放大电流信号。多路差分放大器1012的输出端同时与第一主控模块103、电能量测模块102和小信号放大器1013的输入端相连。小信号放大器1013对电流信号进一步放大以提高小电流时的采样精度。小信号放大器1013的输出端与第一主控模块103 相连。电压互感器采集电网电压信号，电压互感器的输出端与电压信号调理电路1014的输入端相连。电压信号调理电路1014实现电网电压隔离并将信号缩小至毫伏级以供后端电路读取。电压信号调理电路1014同时与第一主控模块 103、电能量测模块102相连。

如图1和4所示，电能量测模块102包括专用电能计量芯片及其相关外围器件，内置多路模数转换器(ADC)和所需的数字信号处理电路，可实现专业电网参数测量。电能量测模块102与第二主控模块104进行SPI或I2C串口总线通信，传递电网信息。多路模数转换器分别与信号处理模块101的4路电流信号、 3路电压信号相连，采集电信号后，传至内部数字信号处理电路实时分析计算，得到电流、电压、频率、功率、电能、谐波等电网参数值，并提供给第二主控模块104。

返回图1，蓝牙模块105采用低功耗、高性能蓝牙模组设计，预留PCB天线和外置天线两种接口供选择，模块尺寸小巧，方便使用，易于实现，成本低。蓝牙模块105通过UART串口与第二主控模块104相连，进行TTL电平传输。用智能终端扫描二维码建立通信连接，进入蓝牙传输模式，智能终端通过蓝牙模组将数据传送给第二主控模块104，第二主控模块104接收数据后进行相应处理，再将回复数据通过蓝牙模组传送至智能终端，实现图标化量测界面显示、快捷参数整定等功能。在长时间无数据传输时，蓝牙模组进入休眠状态。同时不再需要其它设备，通过蓝牙无线通信方式可实现控制器固件程序在线升级更新，整个升级过程操作简单、灵活。

如图1和5所示，信号单元109与第一主控模块103相连，共4组。第一主控模块103可设置报警功能，并根据实际场合发出控制信号给功率继电器，继电器触点开闭输出信号。第一主控模块103的I/O口与电阻R1相连，电阻R1 与驱动三极管Q1基极相连，三极管采用共射极放大电路，集电极与功率继电器线圈一端相连，发射极接地，功率继电器线圈另一端与电源电压相连，构成驱动电路，触发功率继电器开闭。其余三路同理，具体电路连接详见图5。

如图1和6所示，状态反馈电路107用于实时反馈断路器分合闸的状态，可包括电阻R6、R7和电容C4。其中，电阻R6一端上拉接电源、另一端接第一主控模块103的FB1反馈接口。电阻R7一端接地、另一端接第一主控模块103 的FB反馈接口。电容C4并联在电阻R7两端。断路器状态变化时，FB1与FB之间开闭状态也会变化。此时由第一主控模块103的I/O口检测FB电位，即可判定断路器开关状态。

如图1和7所示，脱扣驱动电路108与第一主控模块103相连，接收传来的驱动信号，驱动磁通变换器脱扣。所述脱扣驱动电路108可包括电阻R5、驱动MOS管Q5、整流二极管D1和二极管D6。第一主控模块103的I/O口与R5相连，R5与驱动MOS管Q5栅极相连，MOS管Q5源极接地，MOS管Q5漏极接磁通变换器一端TRIP-，磁通变换器另一端TRIP+与整流二极管D1负极相连，二极管D1正极接电源，二极管D6正极接磁通变换器TRIP-、负极接磁通变换器TRIP+，起到续流作用。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种断路器的控制器，其特征在于，包括信号处理模块、电能量测模块、第一主控模块、第二主控模块、蓝牙模块、通信模块、状态反馈电路、脱扣驱动电路、信号单元、存储单元、显示电路和按键电路；所述信号处理模块的输入端与电流互感器、电压互感器连接并且输出端与电能量测模块连接；所述信号处理模块、状态反馈电路、脱扣驱动电路、信号单元、存储单元与第一主控模块连接，所述第一主控模块用于实现断路器的保护和控制功能；所述电能量测模块、蓝牙模块、通信模块、显示电路、按键电路与第二主控模块连接；第一主控模块与第二主控模块通信连接，所述第二主控模块用于实现高精度测量和人机交互及通信功能；所述蓝牙模块用于与智能终端蓝牙通信连接；所述通信模块用于与上位机通信连接；所述脱扣驱动电路用于与磁通变换器连接。

2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述通信模块包括RS485通信模块、LoRa通信模块和/或电力载波模块。

3.如权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述电力载波模块为HPLC宽带电力载波模块。

4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述通信模块采用模块化或共用通信接口的设计。

5.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第一主控模块和所述第二主控模块之间采用UART串口连接。

6.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述信号处理模块包括RC滤波电路、多路差分放大器、小信号放大器和电压信号调理电路，所述电流互感器的输出端与所述RC滤波电路的输入端相连，所述RC滤波电路的输出端与所述多路差分放大器的输入端相连，所述多路差分放大器的输出端同时与所述第一主控模块、电能量测模块、小信号放大器的输入端相连，所述小信号放大器的输出端与所述第一主控模块相连，所述电压互感器的输出端与所述电压信号调理电路的输入端相连；所述电压信号调理电路的输出端同时与所述第一主控模块和所述电能量测模块相连。

7.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述电能量测模块采用电能计量芯片，内置多路模数转换器和数字信号处理电路，所述多路模数转换器分别与所述信号处理模块的电流信号、电压信号相连，所述数字信号处理电路与第二主控模块连接。

8.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述电能量测模块与所述第二主控模块进行SPI或I2C串口总线通信。

9.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述状态反馈电路包括电阻R6、R7和电容C4，其中，R6一端上拉接电源、另一端接所述第一主控模块的FB1反馈接口，R7一端接地、另一端接所述第一主控模块的FB反馈接口，电容C4并联在电阻R7两端。

10.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述脱扣驱动电路包括电阻R5、驱动MOS管Q5、整流二极管D1和二极管D6，其中，所述第一主控模块I/O口串接R5与Q5的栅极相连，Q5的源极接地，Q5的漏极接磁通变换器的TRIP-端；磁通变换器的TRIP+端与D1的负极相连，D1的正极接电源；D6的正极接磁通变换器的TRIP-端，负极接磁通变换器的TRIP+端。

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