基于NB-IoT的智能斷路器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

2019 年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司提出了全面推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)，建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”和“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”。其中泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)是到2021 年初步建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，到2024 年全面建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。斷路器是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)繼電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)和電能的計(jì)劃分配有著至關(guān)重要的作用。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)離不開斷路器的智能化和與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，結(jié)合了5G（第五代移動(dòng)通信）技術(shù)的智能斷路器將使電網(wǎng)更加智能化。

1   整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體概述

該系統(tǒng)主要用于監(jiān)控配電網(wǎng)中的10 kV 級(jí)斷路器，設(shè)計(jì)時(shí)參考了VS1 型斷路器的性能數(shù)據(jù)。VS1 型斷路器為10 kV 級(jí)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓真空斷路器，額定電壓為12 kV。

該系統(tǒng)以德州儀器公司的MSP432P401R 型MCU（微控制器）為控制核心，該芯片以ARM（安謀科技）Cortex-M4F 為內(nèi)核，綜合性能非常優(yōu)秀，并且有著較低的功耗。通訊模塊采用中國(guó)移動(dòng)公司的M5311 型NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）模組，通過(guò)該模組實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的通信，使用戶端可以遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)和控制斷路器的分/合閘動(dòng)作。溫度測(cè)量模塊采用維恩電子科技公司的DS59 型無(wú)線溫度傳感器。通過(guò)設(shè)計(jì)專用的控制電路來(lái)控制斷路器的分/合閘動(dòng)作。通過(guò)設(shè)計(jì)專用的采樣電路來(lái)獲取斷路器的分/合閘狀態(tài)和合閘彈簧的儲(chǔ)能狀態(tài)。該智能斷路器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 系統(tǒng)功能介紹

該系統(tǒng)具有以下功能：

1）實(shí)現(xiàn)智能斷路器監(jiān)控系統(tǒng)前端與計(jì)算機(jī)后臺(tái)端用戶之間的遠(yuǎn)程通信；

2）遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)嗦菲鞯娜嚯妷汉腿嚯娏鳎?/p>

3）遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)嗦菲饔|頭的溫度；

4）遠(yuǎn)程控制斷路器的分/合閘動(dòng)作；

5）遠(yuǎn)程監(jiān)視斷路器的分/合閘狀態(tài)和合閘彈簧的儲(chǔ)能狀態(tài)。

2   電能監(jiān)測(cè)模塊

電能監(jiān)測(cè)模塊需要采集斷路器的三相電壓和三相電流值，共需要6 路ADC（模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)換器）通道。MSP432P401R 芯片具有一個(gè)14 位的ADC14 模塊，可以進(jìn)行快速的14 位模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換，并且該ADC14 模塊有著32 路外部輸入通道，足以支持該系統(tǒng)所需的三相電壓和三相電流采樣。

2.1 電壓采樣

斷路器上的電壓需經(jīng)過(guò)兩級(jí)電壓互感器降壓才能接入MSP432P401R 的ADC 端口。斷路器上的電壓首先要經(jīng)過(guò)10 kV 級(jí)電壓互感器進(jìn)行一次降壓，10 kV 級(jí)電壓互感器變比一般為10/0.1，經(jīng)一次降壓后電壓幅值為100 V 左右。斷路器的電壓經(jīng)一次降壓后再經(jīng)過(guò)微型電壓互感器降壓，才能接入MCU 的ADC 端口。我們選擇型號(hào)為DL-PT202D 的微型電壓互感器，其額定輸入/輸出電流為2 mA/2 mA。電壓采樣電路如圖2 所示。

圖2 電壓采樣電路

圖2 中，R₁ 、R₂ 、R₃ 構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換電路，電壓信號(hào)最終接入ADC 端口的電壓幅值在2 V 左右。R₄ 、R₅ 、C₁ 、C₂ 構(gòu)成低通濾波電路，用于過(guò)濾7 次以上的諧波。

2.2 電流采樣

與電壓采樣類似，斷路器中流過(guò)的電流要經(jīng)過(guò)兩級(jí)電流互感器進(jìn)行縮小，然后才能接入MCU 的ADC 端口。斷路器中流過(guò)的電流首先要經(jīng)過(guò)10 kV 級(jí)電流互感器進(jìn)行一次縮小，一級(jí)電流互感器的二次側(cè)額定電流一般為5 A。然后經(jīng)微型電流互感器再次縮小，通過(guò)采樣電路將電流量轉(zhuǎn)化成ADC 端口可以接收的電壓信量，最終傳入MCU 的ADC 采樣端口中。本系統(tǒng)使用DLCT21C型微型電流互感器，其額定電流為5 A/2.5 mA。電流采樣電路圖如圖3 所示。

圖3 電流采樣電路

圖3 中R₆ 、R₇ 構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換電路，電流量經(jīng)此電路轉(zhuǎn)化為電壓量并最終傳入MCU 的ADC 端口。R₈ 、R₉ 、C₃ 、C₄ 構(gòu)成低通濾波電路，用于過(guò)濾7 次以上的諧波。

3   溫度監(jiān)測(cè)模塊

由于斷路器的觸頭處于密閉的真空環(huán)境下，難以向外界引出接線，故采用維恩電子科技公司的DS59 型無(wú)線溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器觸頭溫度的測(cè)量。DS59 型無(wú)線溫度傳感器具有精度高、功耗低和安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，采用了433MHZ FSK（移頻鍵控）射頻通訊技術(shù)，無(wú)線傳輸距離遠(yuǎn)。

溫度檢測(cè)模塊由DS59 型無(wú)線溫度傳感器和RE59-M-485 型集中器組成。DS59 型無(wú)線溫度傳感器負(fù)責(zé)采集斷路器觸頭溫度，并將采集到的溫度信息以無(wú)線傳輸方式傳遞給RE59-M-485 型集中器，集中器通過(guò)RS485 總線傳輸方式將溫度信息傳遞給MSP432P401R MCU。

溫度監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

4   分/合閘控制模塊

4.1 斷路器分/合閘過(guò)程簡(jiǎn)介

4.1.1 合閘過(guò)程

以VS1 型斷路器為例，當(dāng)按下合閘按鈕后，合閘線圈通電，合閘電磁鐵動(dòng)作，斷路器在合閘彈簧的作用下開始合閘。在合閘的過(guò)程中合閘彈簧的部分能量被用于分閘的彈簧儲(chǔ)能。當(dāng)斷路器合閘完成后，合閘彈簧自動(dòng)儲(chǔ)能，等待下一次合閘。

4.1.2 分閘過(guò)程

當(dāng)按下分閘按鈕后，分閘線圈接通，分閘線圈通電，分閘電磁鐵動(dòng)作，斷路器在分閘彈簧的作用下跳閘。

4.2 斷路器分/合閘遠(yuǎn)程控制原理

按下斷路器分/合閘按鈕的本質(zhì)是使分/合閘線圈回路導(dǎo)通，從而使分/合閘電磁鐵動(dòng)作，觸發(fā)分/合閘過(guò)程。在分/合閘按鈕的觸點(diǎn)兩側(cè)并聯(lián)一個(gè)繼電器，并設(shè)計(jì)繼電器控制電路，通過(guò)MCU 的GPIO（通用輸入輸出）端口的高低電平來(lái)控制繼電器的導(dǎo)通和斷開，從而控制分/合閘回路的通斷。

繼電器控制電路如圖5 所示。

圖5 繼電器控制電路

在圖5 中，KK 表示斷路器上的合閘按鈕或分閘按鈕，繼電器K1 并聯(lián)在KK 兩側(cè)。當(dāng)MCU 的GPIO 端口為低電平時(shí)，S8050 三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器K1 未通電，處于斷開狀態(tài)，分/合閘線圈回路處于斷開狀態(tài)，斷路器不會(huì)分/合閘動(dòng)作。當(dāng)MCU 的GPIO 端口為高電平時(shí)，S8050 三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器K1通電，處于閉合狀態(tài)，分/合閘線圈回路處于導(dǎo)通狀態(tài)，斷路器發(fā)生分/合閘動(dòng)作。

圖5 中GPIO 端口變?yōu)楦唠娖绞筀1 閉合與按下分/合閘按鈕（閉合KK）的作用是一樣的，都是使分/合閘線圈通電，從而觸發(fā)斷路器分/合閘動(dòng)作。

5   狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊主要用于監(jiān)測(cè)斷路器的分/合閘狀態(tài)和合閘彈簧的儲(chǔ)能狀態(tài)。斷路器的分/合閘狀態(tài)以及合閘彈簧的儲(chǔ)能狀態(tài)信息是從斷路器輔助觸點(diǎn)獲取的。設(shè)計(jì)斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路，將斷路器輔助觸點(diǎn)處采集到的斷路器狀態(tài)信息傳遞給MCU 的GPIO 端口（此時(shí)GPIO 設(shè)置為輸入引腳）。

斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路如圖6 所示。

圖6 狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路

為了保證系統(tǒng)工作的可靠性，使用光耦隔離芯片將斷路器輔助觸點(diǎn)與MCU 芯片隔離開來(lái)。

6   通信模塊

實(shí)現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)控離不開數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，本系統(tǒng)采用中國(guó)移動(dòng)公司的M5311 型NB-IoT 模組實(shí)現(xiàn)監(jiān)控前端與計(jì)算機(jī)端后臺(tái)的信息交換。M5311 是一款高性能、低功耗的工業(yè)級(jí)NB-IoT 通信模組?？刂坪诵耐ㄟ^(guò)M5311 芯片，以NB-IoT 通信方式實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的信息交換。用戶可通過(guò)計(jì)算機(jī)和手機(jī)等設(shè)備對(duì)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行訪問(wèn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

7   結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于MSP432P401R 型單片機(jī)的智能斷路器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)NB-IoT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程信息交換。用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)、手機(jī)等設(shè)備訪問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，查看斷路器的電壓、電流、溫度、分/合閘狀態(tài)和合閘彈簧儲(chǔ)能狀態(tài)等信息，并且能夠向監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)送斷路器分/合閘命令。本設(shè)計(jì)迎合了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的方向，能夠使電力系統(tǒng)更加智能化，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）