一種基于HPLC通信的智能斷路器

袁鳴峰 洪海敏 蔣昌雄 冷安輝

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830000 2.深圳市國電科技通信有限公司 廣東省深圳市 518019）

在實(shí)際的電力傳輸過程中，時(shí)常會(huì)因?yàn)楦鞣N外在因素的影響，會(huì)造成電力傳輸系統(tǒng)的不穩(wěn)定，超負(fù)荷等異常狀態(tài)，傳統(tǒng)的斷路器在檢測到異常時(shí)便會(huì)跳閘，無法判斷跳閘原因以及上報(bào)本地狀態(tài)等信息，給檢修工作帶來了困難。這為開發(fā)一種帶有狀態(tài)感知與上報(bào)功能的智能斷路器帶來了契機(jī)；同時(shí)為了滿足功能多樣化的需求，本文描述的方案是在傳統(tǒng)斷路器基礎(chǔ)上：

（1）增加微處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的保護(hù)功能。

（2）增加計(jì)量功能，可對(duì)現(xiàn)場的各種信息進(jìn)行采樣和處理，并對(duì)其進(jìn)行顯示。

（3）增加通信功能，將斷路器的工作狀況和現(xiàn)場參數(shù)通過HPLC 與其它設(shè)備進(jìn)行通訊。

這些功能的增加一定程度上解決了現(xiàn)有斷路器的自動(dòng)化程度、智能化水平較低、功能單一，不利于維護(hù)缺點(diǎn)。此外，智能斷路器智能化后，通過在線診斷斷路器健康狀況，根據(jù)其狀態(tài)決定是否檢修，可以準(zhǔn)確控制檢修時(shí)間，斷路器運(yùn)行狀態(tài)處于實(shí)時(shí)監(jiān)測下，提高設(shè)備可靠性。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 芯片分析

方案中包含三個(gè)主要的模塊，一是主控模塊，主控芯片我們需要一款綜合性較強(qiáng)的芯片，具有的資源完全需要滿足斷路器自生的需求，特別是處理速率，需要滿足斷路器的在極端情況下的特殊要求。其二是HPLC 模塊，作為一款基于HPLC通信的智能斷路器主控芯片，該芯片需要能夠進(jìn)行HPLC 信號(hào)的接收和處理，包含載波信號(hào)的采集和處理，其中采集精度以及信號(hào)的處理速率是其重要性能指標(biāo)，采集精度一定程度上決定了載波信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，而數(shù)據(jù)的處理速率影響的是斷路器狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)性。其三是采集模塊，由于斷路器作為電力傳輸過程中的核心控制單元，其實(shí)時(shí)性要求較高，不管是采集速率還是信號(hào)傳輸，都要求在極短的時(shí)間內(nèi)完成，這都對(duì)采集芯片提出了較高的要求。

1.2 整體性的硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示。

1.2.1 采集模塊設(shè)計(jì)

采集模塊功能上分為電壓采集和電流采集。由于主路上電流較大，不能直接采集，這里電流的采集使用互感線圈的方式實(shí)現(xiàn)，電路上采用差分的方式減少共模誤差，同時(shí)加入濾波電路濾除高頻雜波的影響。電壓采集利用電阻分壓同時(shí)加入濾波電路的方式實(shí)現(xiàn)。ATT7022 芯片采樣率可以達(dá)到最大28.8KHz，為了保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，采集三個(gè)周波，每個(gè)周波采集1024 個(gè)點(diǎn)。芯片可以采集原始波形用于快速反應(yīng)，這點(diǎn)對(duì)于測試斷路器瞬時(shí)響應(yīng)非常重要。同時(shí)芯片的輸入范圍為±710mV,這里也需要設(shè)計(jì)相關(guān)的采集電路以及相應(yīng)的保護(hù)電路，經(jīng)過互感器的變比，測試發(fā)現(xiàn)，輸入芯片電壓約在2mV 至660mV，這里我們可以得到采樣電阻的大致范圍，在不同使用需求情況下調(diào)整采樣電阻值能得到更加準(zhǔn)確的有效值。

圖1：智能斷路器硬件系統(tǒng)

圖2

圖3

1.2.2 HPLC 模塊

出于對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)水平以及經(jīng)濟(jì)性的考慮，選擇用寬帶載波作為智能斷路器的通行方式，這里我們選擇SC3105 作為寬帶載波芯片，載波通信的帶寬2-12MHz，功率譜密度頻帶內(nèi)：實(shí)測帶內(nèi)-48.24dBm/Hz，帶外不大于-81.45dBm/Hz，滿足使用需求。數(shù)據(jù)通過隔離變壓器YK0603 耦合至電力線上進(jìn)行傳播，抗衰減可以達(dá)到100dB,寬帶載波形通信方式的廣泛應(yīng)用，可以使得斷路器可以與很多設(shè)備進(jìn)行通數(shù)據(jù)交互，如智能配變終端TTU，斷路器可以將采集到的用電信息上報(bào)給TTU 進(jìn)行處理，可以充分發(fā)揮平臺(tái)管理的優(yōu)勢，了解該區(qū)用電信息狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)電力系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，極大提高電力系統(tǒng)的智能化水平。

1.2.3 電源模塊

我們選用TPS54331DR 作為給主板供電的電源芯片，TPS54331DR 最為一款高性能的DC-DC 降壓式電源芯片，該芯片能夠提供3A 的帶載能力，我們選用12V 轉(zhuǎn)5V 的輸出，這樣可以將芯片的轉(zhuǎn)換效率提升到最大(90%以上)，可以為整個(gè)主板提供穩(wěn)定可靠的電源，主板主要的電源為3.3V，分別提供給采集芯片、外置FLASH、顯示屏、藍(lán)牙以及一個(gè)超級(jí)電容。超級(jí)電容主要是為設(shè)備停電時(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1.2.4 安全模塊

在大數(shù)據(jù)的引領(lǐng)下，任何數(shù)據(jù)都是寶貴的，用電信息也不例外。因此我們?cè)跀嗦菲鳟a(chǎn)品上添加了安全芯片SC1161。該芯片與MCU之間采用SPI 的通信方式，芯片電源輸入腳只使用一個(gè)0.1u 的退耦電容，保證芯片VCC 引腳能在100uS 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定工作電壓。同時(shí)芯片的電源輸入也是受控的，滿足不同情況下的使用需求。

表1

2 軟件設(shè)計(jì)

斷路器軟件上主要有三大功能部分，包括數(shù)據(jù)處理、MCU 主控以及人機(jī)交互 。功能框圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理主要包含采集芯片對(duì)于用電信息如電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算以及存儲(chǔ)，同時(shí)包含對(duì)于各個(gè)采集通道以及中斷寄存器相關(guān)參數(shù)配置。MCU 主控部分主要是關(guān)于采集模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊以及顯示模塊的板間控制，邏輯上的優(yōu)化以及整個(gè)板內(nèi)資源的整合，此部分代碼由C 語言編寫。人機(jī)交互部分主要是顯示采集模塊所采集到的用電信息、時(shí)間以及斷路器本身的工作狀態(tài)。按鍵主要負(fù)責(zé)查詢斷路器的相關(guān)信息以及設(shè)置斷路器的相關(guān)參數(shù)。

此外，實(shí)時(shí)時(shí)鐘為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)，使得各部分能夠同一工作步調(diào)。斷路器自身的狀態(tài)信息依靠載波通信模塊完成，為保證信息傳播的實(shí)時(shí)性，斷路器自身的各種狀態(tài)信息都加入標(biāo)志位，當(dāng)檢測標(biāo)志位發(fā)生變化時(shí)，中斷產(chǎn)生，保存相關(guān)事件并上傳給TTU。

軟件邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 通信方式對(duì)比

載波通信技術(shù)的應(yīng)用使得斷路器通信方式更加多樣化，這也使得斷路器在選擇通行方式的時(shí)候顯得更加靈活，下面是對(duì)現(xiàn)有的斷路器通信方式做了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

從表1 可以看出，無線通信雖然通信速率和成本上有一定優(yōu)勢，缺點(diǎn)是受環(huán)境影響較大，穩(wěn)定性大打折扣；藍(lán)牙雖然通信穩(wěn)定且傳輸速率較穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是通信距離不足，不適合居住較分散的地區(qū)使用，485 總線通信方式缺點(diǎn)更為明顯，傳輸速率受距離的限制，而且需要單獨(dú)布線，大大增加了安裝人員的工作量，相比于其他三種通信方式，寬帶載波通信方式是一種較優(yōu)的選擇，這也為載波通信在斷路器上應(yīng)用提供了可行性。

4 結(jié)語

在國家智能電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展的影響下，市場對(duì)于低壓斷路器的需求變得越來越智能化，功能多樣化。本文介紹了一種基于HPLC通信的智能斷路器，為斷路器想著物聯(lián)網(wǎng)的方向提供了一種一種思路。此外，4G，NB-loT 也都是值得考慮的通信方式。智能斷路器智能化后，通過在線診斷斷路器健康狀況，根據(jù)其狀態(tài)決定是否檢修，可以準(zhǔn)確控制檢修時(shí)間，斷路器運(yùn)行狀態(tài)處于實(shí)時(shí)監(jiān)測下，提高設(shè)備可靠性。另外，斷路器也開始向著模塊化的方向發(fā)展，在功能多樣化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模塊化，這都將極大的促進(jìn)斷路器行業(yè)發(fā)展。