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基于NB-IoT的智能断路器远程监控系统

作者:刘阳,杨冲(华北水利水电大学 河南郑州450045)时间:2022-02-28来源:电子产品世界收藏
编者按:为了实现电力资源的合理分配,使电力系统更加智能化,提出了一种基于NB-IoT技术的智能断路器系统。该系统以德州仪器公司的MSP432P401R型MCU为控制核心,通过MCU自带的ADC模块实现对断路器上电压和电流的监测。通过DS59型无线温度传感器实现对断路器触头温度的监测。通过中国移动公司的M5311型NB-IoT模组实现与物联网云平台的远程通信,最终通过计算机端后台对断路器的运行状况进行监视和控制。

2019 年,国家电网有限公司提出了全面推进“三型两网”建设的战略目标,建设“坚强智能电网”和“泛在电力”。其中泛在电力建设的目标是到2021 年初步建成泛在电力,到2024 年全面建成泛在电力物联网。是电力系统中的重要组成部分,对继电保护的实现和电能的计划分配有着至关重要的作用。泛在电力物联网的建设离不开的智能化和与物联网技术的结合,结合了5G(第五代移动通信)技术的智能将使电网更加智能化。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202202/431515.htm

1   整体设计

1.1 系统整体概述

该系统主要用于监控配电网中的10 kV 级断路器,设计时参考了VS1 型断路器的性能数据。VS1 型断路器为10 kV 级弹簧操动机构的高压真空断路器,额定电压为12 kV。

该系统以德州仪器公司的P401R 型MCU(微控制器)为控制核心,该芯片以ARM(安谋科技)Cortex-M4F 为内核,综合性能非常优秀,并且有着较低的功耗。通讯模块采用中国移动公司的M5311 型(窄带物联网)模组,通过该模组实现与物联网云平台的通信,使用户端可以远距离实时监测断路器的运行状态和控制断路器的分/合闸动作。温度测量模块采用维恩电子科技公司的DS59 型无线温度传感器。通过设计专用的控制电路来控制断路器的分/合闸动作。通过设计专用的采样电路来获取断路器的分/合闸状态和合闸弹簧的储能状态。该智能断路器远程监控系统的整体结构如图1 所示。

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1.2 系统功能介绍

该系统具有以下功能:

1)实现智能断路器监控系统前端与计算机后台端用户之间的远程通信;

2)远程监控断路器的三相电压和三相电流;

3)远程监控断路器触头的温度;

4)远程控制断路器的分/合闸动作;

5)远程监视断路器的分/合闸状态和合闸弹簧的储能状态。

2   电能监测模块

电能监测模块需要采集断路器的三相电压和三相电流值,共需要6 路ADC(模拟- 数字转换器)通道。P401R 芯片具有一个14 位的ADC14 模块,可以进行快速的14 位模/ 数转换,并且该ADC14 模块有着32 路外部输入通道,足以支持该系统所需的三相电压和三相电流采样。

2.1 电压采样

断路器上的电压需经过两级电压互感器降压才能接入P401R 的ADC 端口。断路器上的电压首先要经过10 kV 级电压互感器进行一次降压,10 kV 级电压互感器变比一般为10/0.1,经一次降压后电压幅值为100 V 左右。断路器的电压经一次降压后再经过微型电压互感器降压,才能接入MCU 的ADC 端口。我们选择型号为DL-PT202D 的微型电压互感器,其额定输入/输出电流为2 mA/2 mA。电压采样电路如图2 所示。

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图2 电压采样电路

图2 中R1 、R2 、R3 构成电压转换电路,电压信号最终接入ADC 端口的电压幅值在2 V 左右。R4 、R5 、C1 、C2 构成低通滤波电路,用于过滤7 次以上的谐波。

2.2 电流采样

与电压采样类似,断路器中流过的电流要经过两级电流互感器进行缩小,然后才能接入MCU 的ADC 端口。断路器中流过的电流首先要经过10 kV 级电流互感器进行一次缩小,一级电流互感器的二次侧额定电流一般为5 A。然后经微型电流互感器再次缩小,通过采样电路将电流量转化成ADC 端口可以接收的电压信量,最终传入MCU 的ADC 采样端口中。本系统使用DLCT21C型微型电流互感器,其额定电流为5 A/2.5 mA。电流采样电路图如图3 所示。

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图3 电流采样电路

图3 中R6 、R7 构成电压转换电路,电流量经此电路转化为电压量并最终传入MCU 的ADC 端口。R8 、R9 、C3 、C4 构成低通滤波电路,用于过滤7 次以上的谐波。

3   温度监测模块

由于断路器的触头处于密闭的真空环境下,难以向外界引出接线,故采用维恩电子科技公司的DS59 型无线温度传感器实现对断路器触头温度的测量。DS59 型无线温度传感器具有精度高、功耗低和安装简便的特点,采用了433MHZ FSK(移频键控)射频通讯技术,无线传输距离远。

温度检测模块由DS59 型无线温度传感器和RE59-M-485 型集中器组成。DS59 型无线温度传感器负责采集断路器触头温度,并将采集到的温度信息以无线传输方式传递给RE59-M-485 型集中器,集中器通过RS485 总线传输方式将温度信息传递给MSP432P401RMCU。

温度监测模块结构图如图4 所示。

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4   分/合闸控制模块

4.1 断路器分/合闸过程简介

4.1.1 合闸过程

以VS1 型断路器为例,当按下合闸按钮后,合闸线圈通电,合闸电磁铁动作,断路器在合闸弹簧的作用下开始合闸。在合闸的过程中合闸弹簧的部分能量被用于分闸的弹簧储能。当断路器合闸完成后,合闸弹簧自动储能,等待下一次合闸。

4.1.2 分闸过程

当按下分闸按钮后,分闸线圈接通,分闸线圈通电,分闸电磁铁动作,断路器在分闸弹簧的作用下跳闸。

4.2 断路器分/合闸远程控制原理

按下断路器分/合闸按钮的本质是使分/合闸线圈回路导通,从而使分/合闸电磁铁动作,触发分/合闸过程。在分/合闸按钮的触点两侧并联一个继电器,并设计继电器控制电路,通过MCU 的GPIO(通用输入输出)端口的高低电平来控制继电器的导通和断开,从而控制分/合闸回路的通断。

继电器控制电路如图5 所示。

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图5 继电器控制电路

在图5 中,KK 表示断路器上的合闸按钮或分闸按钮,继电器K1 并联在KK 两侧。当MCU 的GPIO 端口为低电平时,S8050 三极管处于截止状态,继电器K1 未通电,处于断开状态,分/合闸线圈回路处于断开状态,断路器不会分/合闸动作。当MCU 的GPIO 端口为高电平时,S8050 三极管处于导通状态,继电器K1通电,处于闭合状态,分/合闸线圈回路处于导通状态,断路器发生分/合闸动作。

图5 中GPIO 端口变为高电平使K1 闭合与按下分/合闸按钮(闭合KK)的作用是一样的,都是使分/合闸线圈通电,从而触发断路器分/合闸动作。

5   状态监测模块

断路器状态监测模块主要用于监测断路器的分/合闸状态和合闸弹簧的储能状态。断路器的分/合闸状态以及合闸弹簧的储能状态信息是从断路器辅助触点获取的。设计断路器状态监测电路,将断路器辅助触点处采集到的断路器状态信息传递给MCU 的GPIO 端口(此时GPIO 设置为输入引脚)。

断路器状态监测电路如图6 所示。

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图6 状态监测电路

为了保证系统工作的可靠性,使用光耦隔离芯片将断路器辅助触点与MCU 芯片隔离开来。

6   通信模块

实现断路器的远程监控离不开数据的远距离传输,本系统采用中国移动公司的M5311 型 模组实现监控前端与计算机端后台的信息交换。M5311 是一款高性能、低功耗的工业级 通信模组。控制核心通过M5311 芯片,以NB-IoT 通信方式实现与物联网云平台的信息交换。用户可通过计算机和手机等设备对物联网云平台进行访问,以实现对断路器的远程监控。

7   结语

本设计是基于MSP432P401R 型单片机的智能断路器远程监控系统,通过NB-IoT 技术实现监控系统与物联网云平台的远程信息交换。用户可以通过计算机、手机等设备访问物联网云平台,查看断路器的电压、电流、温度、分/合闸状态和合闸弹簧储能状态等信息,并且能够向监控系统远程发送断路器分/合闸命令。本设计迎合了泛在电力物联网建设的方向,能够使电力系统更加智能化,具有一定的实用价值。

参考文献:

[1]李传东,赵兴永.断路器弹簧储能综合控制监测电路的研制及应用[J].电世界,2020,61(6):6-8.

[2]张琦,都成刚.高压断路器状态智能监测系统设计[J].环境技术,2018,36(6):77-82.

[3]王硕君,麦荣焕,何兴华,李辰盟,崔佩仪.基于高压断路器在线状态监测系统研究[J].自动化与仪器仪表,2017(10):202-204.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2022年2月期)



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