基于NB-IoT的智能断路器远程监控系统

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“泛在电力物联网”。其中泛在电力物联网建设的目标是到2021 年初步建成泛在电力物联网，到2024 年全面建成泛在电力物联网。断路器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断路器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）技术的智能断路器将使电网更加智能化。

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MSP432P401R 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NB-IoT（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。

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。MSP432P401R 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MSP432P401R 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。

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。

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MSP432P401R MCU。

温度监测模块结构图如图4 所示。

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。

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。

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NB-IoT 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NB-IoT 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）