基于NB-IoT的智能斷路器遠程監控系統

2019 年，國家電網有限公司提出了全面推進“三型兩網”建設的戰略目標，建設“堅強智能電網”和“泛在電力物聯網”。其中泛在電力物聯網建設的目標是到2021 年初步建成泛在電力物聯網，到2024 年全面建成泛在電力物聯網。斷路器是電力系統中的重要組成部分，對繼電保護的實現和電能的計劃分配有著至關重要的作用。泛在電力物聯網的建設離不開斷路器的智能化和與物聯網技術的結合，結合了5G（第五代移動通信）技術的智能斷路器將使電網更加智能化。

1   整體設計

1.1 系統整體概述

該系統主要用于監控配電網中的10 kV 級斷路器，設計時參考了VS1 型斷路器的性能數據。VS1 型斷路器為10 kV 級彈簧操動機構的高壓真空斷路器，額定電壓為12 kV。

該系統以德州儀器公司的MSP432P401R 型MCU（微控制器）為控制核心，該芯片以ARM（安謀科技）Cortex-M4F 為內核，綜合性能非常優秀，并且有著較低的功耗。通訊模塊采用中國移動公司的M5311 型NB-IoT（窄帶物聯網）模組，通過該模組實現與物聯網云平臺的通信，使用戶端可以遠距離實時監測斷路器的運行狀態和控制斷路器的分/合閘動作。溫度測量模塊采用維恩電子科技公司的DS59 型無線溫度傳感器。通過設計專用的控制電路來控制斷路器的分/合閘動作。通過設計專用的采樣電路來獲取斷路器的分/合閘狀態和合閘彈簧的儲能狀態。該智能斷路器遠程監控系統的整體結構如圖1 所示。

1.2 系統功能介紹

該系統具有以下功能：

1）實現智能斷路器監控系統前端與計算機后臺端用戶之間的遠程通信；

2）遠程監控斷路器的三相電壓和三相電流；

3）遠程監控斷路器觸頭的溫度；

4）遠程控制斷路器的分/合閘動作；

5）遠程監視斷路器的分/合閘狀態和合閘彈簧的儲能狀態。

2   電能監測模塊

電能監測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- 數字轉換器）通道。MSP432P401R 芯片具有一個14 位的ADC14 模塊，可以進行快速的14 位模/ 數轉換，并且該ADC14 模塊有著32 路外部輸入通道，足以支持該系統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過兩級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過10 kV 級電壓互感器進行一次降壓，10 kV 級電壓互感器變比一般為10/0.1，經一次降壓后電壓幅值為100 V 左右。斷路器的電壓經一次降壓后再經過微型電壓互感器降壓，才能接入MCU 的ADC 端口。我們選擇型號為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 構成電壓轉換電路，電壓信號最終接入ADC 端口的電壓幅值在2 V 左右。R₄ 、R₅ 、C₁ 、C₂ 構成低通濾波電路，用于過濾7 次以上的諧波。

2.2 電流采樣

與電壓采樣類似，斷路器中流過的電流要經過兩級電流互感器進行縮小，然后才能接入MCU 的ADC 端口。斷路器中流過的電流首先要經過10 kV 級電流互感器進行一次縮小，一級電流互感器的二次側額定電流一般為5 A。然后經微型電流互感器再次縮小，通過采樣電路將電流量轉化成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 構成電壓轉換電路，電流量經此電路轉化為電壓量并最終傳入MCU 的ADC 端口。R₈ 、R₉ 、C₃ 、C₄ 構成低通濾波電路，用于過濾7 次以上的諧波。

3   溫度監測模塊

由于斷路器的觸頭處于密閉的真空環境下，難以向外界引出接線，故采用維恩電子科技公司的DS59 型無線溫度傳感器實現對斷路器觸頭溫度的測量。DS59 型無線溫度傳感器具有精度高、功耗低和安裝簡便的特點，采用了433MHZ FSK（移頻鍵控）射頻通訊技術，無線傳輸距離遠。

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

溫度監測模塊結構圖如圖4 所示。

4   分/合閘控制模塊

4.1 斷路器分/合閘過程簡介

4.1.1 合閘過程

以VS1 型斷路器為例，當按下合閘按鈕后，合閘線圈通電，合閘電磁鐵動作，斷路器在合閘彈簧的作用下開始合閘。在合閘的過程中合閘彈簧的部分能量被用于分閘的彈簧儲能。當斷路器合閘完成后，合閘彈簧自動儲能，等待下一次合閘。

4.1.2 分閘過程

當按下分閘按鈕后，分閘線圈接通，分閘線圈通電，分閘電磁鐵動作，斷路器在分閘彈簧的作用下跳閘。

4.2 斷路器分/合閘遠程控制原理

按下斷路器分/合閘按鈕的本質是使分/合閘線圈回路導通，從而使分/合閘電磁鐵動作，觸發分/合閘過程。在分/合閘按鈕的觸點兩側并聯一個繼電器，并設計繼電器控制電路，通過MCU 的GPIO（通用輸入輸出）端口的高低電平來控制繼電器的導通和斷開，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 并聯在KK 兩側。當MCU 的GPIO 端口為低電平時，S8050 三極管處于截止狀態，繼電器K1 未通電，處于斷開狀態，分/合閘線圈回路處于斷開狀態，斷路器不會分/合閘動作。當MCU 的GPIO 端口為高電平時，S8050 三極管處于導通狀態，繼電器K1通電，處于閉合狀態，分/合閘線圈回路處于導通狀態，斷路器發生分/合閘動作。

圖5 中GPIO 端口變為高電平使K1 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，從而觸發斷路器分/合閘動作。

5   狀態監測模塊

斷路器狀態監測模塊主要用于監測斷路器的分/合閘狀態和合閘彈簧的儲能狀態。斷路器的分/合閘狀態以及合閘彈簧的儲能狀態信息是從斷路器輔助觸點獲取的。設計斷路器狀態監測電路，將斷路器輔助觸點處采集到的斷路器狀態信息傳遞給MCU 的GPIO 端口（此時GPIO 設置為輸入引腳）。

斷路器狀態監測電路如圖6 所示。

圖6 狀態監測電路

為了保證系統工作的可靠性，使用光耦隔離芯片將斷路器輔助觸點與MCU 芯片隔離開來。

6   通信模塊

實現斷路器的遠程監控離不開數據的遠距離傳輸，本系統采用中國移動公司的M5311 型NB-IoT 模組實現監控前端與計算機端后臺的信息交換。M5311 是一款高性能、低功耗的工業級NB-IoT 通信模組?？刂坪诵耐ㄟ^M5311 芯片，以NB-IoT 通信方式實現與物聯網云平臺的信息交換。用戶可通過計算機和手機等設備對物聯網云平臺進行訪問，以實現對斷路器的遠程監控。

7   結語

本設計是基于MSP432P401R 型單片機的智能斷路器遠程監控系統，通過NB-IoT 技術實現監控系統與物聯網云平臺的遠程信息交換。用戶可以通過計算機、手機等設備訪問物聯網云平臺，查看斷路器的電壓、電流、溫度、分/合閘狀態和合閘彈簧儲能狀態等信息，并且能夠向監控系統遠程發送斷路器分/合閘命令。本設計迎合了泛在電力物聯網建設的方向，能夠使電力系統更加智能化，具有一定的實用價值。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年2月期）