一種組合式物聯(lián)網(wǎng)斷路器控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘"要： 為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)斷路器內(nèi)部控制器對(duì)不同相數(shù)斷路器的可復(fù)用，通過硬件上對(duì)斷路器、電源、網(wǎng)關(guān)的組合設(shè)計(jì)，軟件上采用區(qū)別于傳統(tǒng)計(jì)量芯片的方案，提出一種斷路器內(nèi)部控制器直接通過ADC采集電壓、電流來配合軟件算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)提出一種自動(dòng)分配斷路器地址的方法，最后通過試驗(yàn)對(duì)電氣量采集精度進(jìn)行測試。所提方法解決了單相斷路器需要引出中性線，不同相數(shù)斷路器依賴不同類型采集芯片的問題，大大降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)而為生產(chǎn)資料的歸一化管理提供便利。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)斷路器; 可復(fù)用; 生產(chǎn)成本; 計(jì)量芯片

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）03-0042-05

DOI：10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.03.007

Design and Implementation of a Combined IoT Circuit Breaker Controller

LIANG Shanguang，"ZHAO Jie，"YIN Senlin

（Shanghai Hongtan Intelligent Technology Co.，Ltd.， Shanghai 201306， China）

Abstract：

In order to achieve the reusability of the internal controller of IoT circuit breakers for different phase numbers of circuit breakers，a combination design of circuit breakers，power supplies and gateways is adopted in hardware，and a scheme different from traditional measurement chips is adopted in software.A design and implementation method of the circuit breakers internal controller collecting voltage and current values directly through ADC combined with software algorithms is proposed，and a method for automatically allocating circuit breaker addresses is also proposed.And the accuracy of electrical quantity collection is tested through experiments.The proposed method solves the problem of single-phase circuit breakers requiring the introduction of a neutral line and circuit breakers with different numbers of phases relying on different types of acquisition chips，which greatly reduces the production costs and provides the convenience for normalized management of production materials.

Key words：

internet of things （IOT） circuit breaker; reusability; production cost; measurement chip

0"引"言

小型斷路器是配電終端系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品［1］。其中物聯(lián)網(wǎng)斷路器作為電力一二次融合的關(guān)鍵性器件，其功能主要為在統(tǒng)斷路器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的分合，電量信息的采集、計(jì)量，電力保護(hù)、通信;應(yīng)用場景包括各個(gè)園區(qū)、醫(yī)院、分布式監(jiān)控、智能家居。其中遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)報(bào)警、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算、節(jié)能管理與大數(shù)據(jù)分析提供了有益的前期基礎(chǔ)技術(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值［2］。

目前物聯(lián)網(wǎng)斷路器實(shí)現(xiàn)方式主要分為2種：一種是每個(gè)斷路器本體自供電，然后每個(gè)斷路器級(jí)聯(lián)只需要通信線，不需要電源線;另一種是組合式斷路器，由電源模塊統(tǒng)一給每個(gè)斷路器供電，每個(gè)斷路器連接需要電源線與通信線。

自供電的優(yōu)勢是每一個(gè)斷路器都可以獨(dú)立使用，缺點(diǎn)是由于每一個(gè)斷路器都需要同樣的AC轉(zhuǎn)DC電路，成本比組合式高。由于采集單相斷路器電壓時(shí)需要N線回流，就必須在外觀結(jié)構(gòu)上引出一根中性線，增加了裝配時(shí)步驟。

組合斷路器可以采用非隔離電源為每個(gè)斷路器統(tǒng)一提供中性線。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上可以做到統(tǒng)一，單相斷路器也不用引出中性線，方便安裝，電源模塊統(tǒng)一使用一個(gè)從而節(jié)省硬件成本。

斷路器控制器的電氣采集部分主要分為2種形式。一種的是采用專用電量采集芯片［3］，由于不同的相數(shù)對(duì)應(yīng)不同類型的采集芯片，軟件上無法做到統(tǒng)一，生產(chǎn)燒錄時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不同的斷路器燒錄不同程序。另一種是使用MCU的ADC采集電壓電流波形，通過算法計(jì)算電壓、電流的有效值，電量、頻率等電氣量。這種方法的好處是省去了采集芯片的成本，同時(shí)不同相數(shù)的斷路器可以燒錄同樣的程序，大大減少了生產(chǎn)的復(fù)雜度。

組合供電的斷路器通信地址分配一種為上位機(jī)配置或本地按鍵操作。另外一種是通過斷路器之間的級(jí)聯(lián)通信實(shí)現(xiàn)一鍵分配地址。

本文考慮到實(shí)際生產(chǎn)的效率、成本與軟硬件可復(fù)用性，設(shè)計(jì)了一種組合式電源統(tǒng)一供電，ADC采集電壓、電流波形，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)電氣量的計(jì)算。這樣硬件、軟件可以做到不同相數(shù)斷路器的兼容，共用一套硬件、軟件方案，相應(yīng)的成本、生產(chǎn)效率可以達(dá)到最優(yōu)。

1"總體設(shè)計(jì)

組合式斷路器組合方式如圖1所示。主要包括一體化的電源與網(wǎng)關(guān);各個(gè)不同相數(shù)的斷路器;斷路器與網(wǎng)關(guān)之間的連線包括485通信、12 V的供電;斷路器與斷路器之間串口通信［4］。

485通信上傳各個(gè)斷路器的信息量到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)下發(fā)指令到每個(gè)斷路器。電源通過12 V連線給各個(gè)斷路器供電，同時(shí)12 V的GND提供斷路器采集電壓的回路中性線。串口通信線是斷路器與斷路器之間分配地址的通信線，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵分配地址。

斷路器控制器設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

AD/DC芯片采用非隔離方式給斷路器供電，同時(shí)給單相斷路器/三相斷路器提供電壓采集的中性線。DC/DC隔離模塊的作用是為后級(jí)MCU提供一個(gè)穩(wěn)定的低壓供電，使高壓與低壓系統(tǒng)的供電隔離。信號(hào)采集模塊采用差分隔離運(yùn)放的方法實(shí)現(xiàn)高壓到低壓的采集。串口通信實(shí)現(xiàn)一鍵分配地址的功能。485通信實(shí)現(xiàn)斷路器與網(wǎng)關(guān)的通信［5］。

2"硬件關(guān)鍵技術(shù)

2.1"電量采集前端電路

前端電壓采集電路如圖3所示，采用差分輸入的方式，使交流市電電壓縮小成交流小信號(hào)電壓［6］。

三相同時(shí)輸入時(shí)R2與R3起到平衡電阻的作用。由于MCU的ADC的參考電壓為0 V，所以輸入信號(hào)加上1.6 V的偏移電壓。C1電容起到濾波作用。在產(chǎn)品SMT的過程中，如果是單相斷路器，可以選擇只貼一相的元器件，避免了不同相數(shù)的斷路器對(duì)應(yīng)不同的采集芯片物料以及不同的外圍器件。

2.2"電源電路設(shè)計(jì)

斷路器控制器供電框圖如圖4所示。AC/DC可以采用前端阻容降壓加TI芯片TPS54060解決方案，實(shí)現(xiàn)最大輸出12 V/2 A的電流，提供組合式斷路器的電源。DC/DC隔離變壓器是起到強(qiáng)電與弱電的隔離作用。通過隔離模塊可以使市電的波動(dòng)不直接通過中性線傳導(dǎo)到MCU端，同時(shí)可以防止串口通信的共模電平不穩(wěn)定。Buck電路提供MCU工作的3.3 V電壓，采用Buck電路轉(zhuǎn)換效率更高，發(fā)熱量更低［7］。

3"軟件算法設(shè)計(jì)

3.1"軟件整體流程

斷路器軟件實(shí)現(xiàn)整體流程如圖5所示。

3.2"電壓、電流有效值

對(duì)電壓有效值和電流有效值分別計(jì)算。MCU采用定時(shí)器觸發(fā)模式進(jìn)行ADC采樣，定時(shí)器觸發(fā)的周期為625 μs，一周波采樣32個(gè)點(diǎn)，滿足采樣定理。將得到的ADC值求和取平均以得到直流偏置值，每一個(gè)ADC值減去直流偏置值得到交流ADC值，電壓、電流交流ADC值分別求均方根得到有效值。有效值乘以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸入的特定標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)得到校準(zhǔn)系數(shù)，最終得到精確的有效值。

URMS，ch=Kv，ch∑nSamplen=1uch（n）uch（n）nSample－voffset，ch（1）

IRMS，ch=Ki，ch∑nSamplen=1ich（n）ich（n）nSample－ioffset，ch（2）

式中："URMS，ch——某一相的電壓有效值;

Kv，ch——電壓校準(zhǔn)系數(shù);

nSample——一周波采集點(diǎn)數(shù)，本例為32個(gè)點(diǎn);

uoffset，ch——偏置電壓;

IRMS，ch——某一相的電流有效值;

Ki，ch——電流校準(zhǔn)系數(shù);

ioffset，ch——偏值電流;

uch（n）——電壓采樣點(diǎn)值，電流通道定義與電壓通道相同。

3.3"有功功率、無功功率

對(duì)有功功率、無功功率分別計(jì)算。有功功率是通過電壓、電流采樣點(diǎn)相乘，除以采樣總數(shù)，再乘以功率校準(zhǔn)系數(shù)得到的。無功功率等于循環(huán)移動(dòng)總采樣長度1/4的電壓采樣點(diǎn)乘以對(duì)應(yīng)的電流采樣點(diǎn)，除以采樣總數(shù)，再乘以校準(zhǔn)系數(shù)。

PACT，ch=KACT，ch∑nSamplen=1u（n）·i（n）nSample（3）

PREACT，ch=KREACT，ch∑nSamplen=1u90（n）·i（n）nSample（4）

式中："PACT，ch——對(duì)應(yīng)通道的有功功率;

KACT，ch——功率幅值校準(zhǔn)系數(shù);

nSample——采樣的點(diǎn)數(shù);

u（n）——采樣點(diǎn)電壓值;

i（n）——采樣點(diǎn)電流值;

PREACT，ch——對(duì)應(yīng)通道的無功功率;

u90（n）——移動(dòng)90°之后的電壓采樣值。

3.4"有功功率、無功功率校準(zhǔn)

由于電流傳感器的角度誤差，所以有功、無功功率必須進(jìn)行角度校準(zhǔn)，輸入功率因素0.5 L的標(biāo)準(zhǔn)100 V 5 A的信號(hào)，由讀取到的實(shí)際有功、無功功率，就可以求得sinΔ、cosΔ［8］。

有功、無功校準(zhǔn)公式為

P″ACT=P′ACTcosΔ－P′REACTsinΔ（5）

P″REACT=P′REACTcosΔ+P′ACTsinΔ（6）

式中："Δ——電流傳感器角度誤差;

P″ACT——實(shí)際讀取到的有功功率;

P″REACT——實(shí)際讀取到的無功功率;

P′REACT——理論無功功率;

P′ACT——理論有功功率。

3.5"電"能

電能計(jì)算流程如圖6所示。用240 ms對(duì)功率進(jìn)行一次乘積求得240 ms內(nèi)的有功、無功電能，2.4 s寫入E2PROM中，供外部通信讀取。

3.6"頻率計(jì)算過程

頻率計(jì)算流程如圖7所示。把相鄰4個(gè)采樣點(diǎn)作為一組，輪詢每一組的值，若其中一組的數(shù)據(jù)點(diǎn)值滿足第三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值大于0，同時(shí)第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值小于0，或者第三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)值小于0，同時(shí)第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值大于0，則視為有效數(shù)據(jù)組，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間的計(jì)算。

根據(jù)兩個(gè)點(diǎn)的采樣幅值，擬合出過零點(diǎn)的時(shí)間tick，與下一次相同正向或者反向過零點(diǎn)tick相減，得到一周期的時(shí)間tick。

3.7"自動(dòng)分配地址實(shí)現(xiàn)過程

斷路器現(xiàn)場安裝完畢，手動(dòng)長按第一個(gè)斷路器的分合按鈕，觸發(fā)第一個(gè)斷路器進(jìn)入分配地址模式。第一個(gè)斷路器通過串口發(fā)送自身地址1的信息給斷路器二，第二個(gè)斷路器進(jìn)入串口中斷接收到的地址信息加一作為自身的地址，同時(shí)寫入E2PROM。然后把自身地址通過串口發(fā)送到下一個(gè)斷路器。以此類推完成自動(dòng)分配地址。

4"試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上面軟硬件的可行性，進(jìn)行了斷路器精度試驗(yàn)驗(yàn)證。斷路器精度測試現(xiàn)場如圖8所示。實(shí)際產(chǎn)品中，精度是一個(gè)重要的指標(biāo)，也是驗(yàn)證硬件與軟件的配合度的重要方法。一般測量指標(biāo)包括電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率等。電流精確度測量數(shù)據(jù)如表1所示;電壓精確度測量數(shù)據(jù)如表2所示;頻率精確度測量數(shù)據(jù)如表3所示。

給額定電流In為80 A四相斷路器加上不同的電流、不同相角的情況下，讀取電流值，并計(jì)算相對(duì)誤差（I2-I1）/I1×100%［9］。

給額定電壓Ue為220 V四相斷路器加上不同電壓、不同相角的情況下，讀取電壓值，并計(jì)算相對(duì)誤差（U2-U1）/U1×100%。

給額定頻率Fn為50 Hz四相斷路器加上不同頻率的情況下，讀取頻率值，并計(jì)算相對(duì)誤差（F2-F1）/F1×100%。

在一般的產(chǎn)品精確度要求中，電流、電壓、頻率精確度為±0.5%［10］，本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)斷路器控制器能夠滿足一般產(chǎn)品的精確度測試。

5"結(jié)"語

本文通過硬件與軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種組合式物聯(lián)網(wǎng)斷路器控制器對(duì)不同相數(shù)斷路器的復(fù)用性。硬件方面包括前端采集部分，電源供電部分，通信部分。軟件包括ADC采樣、電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、分配地址。通過軟硬件的配合實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同相數(shù)斷路器的兼容，提高了斷路器的生產(chǎn)效率，降低了斷路器的生產(chǎn)成本。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20230825