一种智能物联量测开关系统的制作方法

1.本实用新型涉及电力传输技术领域，具体来说，涉及一种智能物联量测开关系统。


背景技术：

2.随着电力传输领域的发展，供电企业对电网上电力信号质量、负荷状况、用电安全等信息及其准确性的要求越来越高，而传统的用电计量、测量主要由电表或其他终端来完成，在台区变压器到用户分支段为空白，而这一段恰好安装有各种规格的断路器，因此在断路器上增加相应的测量功能能显著提高供电企业对电网信息的采集，并提高对用户的服务质量，提升供电企业的管理和营销水平。
3.传统的机械断路器功能单一，只能实现短路保护，且短路电流值固定，误差较大，且不能测量电力传输线路上的电压、电流、功率和谐波，在漏电保护方面存在电流采样不准确的问题；另一方面，不能执行远程通讯和控制，分合闸都需手动操作，安全性较差。


技术实现要素：

4.针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提出一种智能物联量测开关系统，能够克服现有技术的上述不足。
5.为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
6.一种智能物联量测开关系统，包括电源整流器、载波通讯模块、计量芯片、flash存储器、分合闸控制、主控芯片、液晶显示、按键、rs485通讯端口、红外线通讯端口、epprom模块、实时时钟，其中，
7.所述电源整流器，分为电力变压整流器和电流互感整流器，电力变压整流器为正常工作时的电子部件提供工作电源，电流互感整流器为在负载测短路时的电子部件提供电源，实现各类保护；
8.所述载波通讯模块，载波通讯模块串口和io连接主控芯片，另一个差分信号连接电力线，包括掉电检测、过零检测和载波耦合，以海思控制器为平台进行电力载波通讯，通讯协议兼容满足dl/t 645及dl/t 698.45；
9.所述计量芯片，计量芯片和主控芯片通过两路spi接口连接，电网的三相电流和零线电流信号通过微型电流互感器接入计量芯片，电压信号通过分压电阻接入计量芯片，计量芯片是对电网上的电流、电压、相位、功率、谐波进行准确测量，并记录和存储各类电能和事件，精准检测短路、剩余电流、过载、过压、欠压、缺零、断相的保护；
10.所述flash存储器，即数据存储，flash存储器芯片通过spi接口与主控芯片通讯连接，各类数据由主控芯片控制存储于flash存储器芯片中，所述各类数据由主控芯片读出；
11.所述分合闸控制，主控芯片通过io信号驱动中间继电器，再由中间继电器驱动合闸电机进行合闸动作，通过另一个io信号直接驱动脱扣器进行分闸动作，主控芯片检测实际的工作状况，根据实际情况发起分合闸动作，进行断路器的通断和各类保护动作，包括通过按键分合闸和远程控制分合闸；
12.所述主控芯片，通过spi通讯接口控制所述计量芯片的工作模式，对芯片的参数进行调整和对测量精度进行校准，正常工作时，计量芯片采集到的数据可通过数据传输总线、原始波形传输总线传送给主控芯片，并进行进一步的处理和利用；
13.所述液晶显示，主控芯片通过spi通讯接口将各类需要显示的数据传输给显示器，这些数据包括电压、电流、功率、功率因数、运行状态、设置和查询菜单、报警信息；
14.所述按键，主控芯片实时检测按键的动作，每个按键对应主控芯片的一个io，主控芯片根据检测到的按键动作执行相应的操作，所述按键动作有分闸、合闸、试验、上翻、下翻、设置、确认和回退；
15.所述rs485通讯端口，主控芯片通过串口连接rs485转换芯片与电网上的其他设备进行通讯、传输数据，通讯协议兼容满足dl/t 645及dl/t 698.45；
16.所述红外线通讯端口，主控芯片通过串口连接光电器件实现红外通讯、传输数据；
17.所述epprom模块，即参数存储，eeprom模块芯片通过iic接口与主控芯片连接，断路器的各类调试参数存储于eeprom模块芯片中；
18.所述实时时钟，采用高精度时钟芯片，芯片通过iic接口与主控芯片连接，时钟精度0.5s/24h，为系统提供准确的时间基准。
19.进一步地，所述计量芯片工作时，根据输入的电压和电流信号在计量芯片内部进行ad转换、滤波、积分及累加得出电压、电流、相位及功率，从而进一步得出用电量的数据，将采集的原始波形的数据传给主控芯片计算出电网上的各次谐波信号幅度和相位。
20.进一步地，所述计量芯片是对电网上的电流、电压、相位、功率、谐波进行准确测量，得到需要的测量值、功率和电量计量值，是电流信号通过分压电阻将电网上的交流电压转换为幅度小的交流电压信号后，分别接入到计量芯片的相应电流信号的通道，在计量芯片内部进行ad转换和处理，即得到测量值、功率和电量计量值。
21.进一步地，所述两路spi接口，一路用于主控芯片对计量芯片的配置和测量、计量数据的采集。另一路用于向主控芯片传送采集的电网原始波形数据，主控芯片对原始波形数据进行傅立叶变换来分析电网的谐波数据和质量。
22.进一步地，所述分合闸控制，在进行控制合闸时，主控芯片通过cb_close输出高电频，驱动三极管q1导通，中间继电器吸合接通合闸电机电源，控制断路器进行合闸。
23.进一步地，所述分合闸控制，分闸时，主控芯片通过cb_open输出高电频，驱动三极管q2导通，驱动分励脱扣器动作使断路器进行分闸。
24.进一步地，所述远程控制分合闸，远程开合闸信号通过连接器接入到光耦的发光管端，驱动光耦输出电平变化，并将这一变化通过io端口传给主控芯片，主控芯片检测到变化后，输出相应的分合闸驱动信号，接收到信号进行分合闸。
25.进一步地，所述载波通讯模块的过零检测是检测电网电压信号正向过零点，当交流电压处于负半周时，给电容充电，并稳定电压在7.5v，当交流电压在正半周时，光耦导通，输出高电频，电容放完电后，将信号传给载波通信模块的主芯片。
26.进一步地，当主控芯片检测到电压低于一定阈值时，产生掉电信号通知载波通讯模块主芯片，而此时载波通讯模块没有检测到过零信号，载波通讯模块向电网中的集中器发出停电事件。
27.本实用新型的有益效果为：通过在通用机械式断路器的基础上增加电子部件用于
电网电压、电流、功率的测量以及电能计量和记录存储，对电网质量进行分析，并实现剩余电流保护；通过电力载波通讯、红外通讯和rs485通讯功能，实现各类事件、数据记录的远程传输，以及对断路器的远程控制；能够实现短路保护、且短路电流值固定，误差较小，且能测量电力传输线路上的电压、电流、功率和谐波，在漏电保护方面存在电流采样精确；另一方面，还可以执行远程通讯和控制，分合闸自动操作，安全性高；通过电力载波通讯技术，以可减少现场工作的不便，也可减少电网建设的成本。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是根据本实用新型实施例所述的智能物联量测开关系统的系统结构框图。
30.图2是根据本实用新型实施例所述的智能物联量测开关系统的载波模块过零检测原理示意图。
31.图3是根据本实用新型实施例所述的智能物联量测开关系统的载波耦合原理示意图。
32.图4是根据本实用新型实施例所述的智能物联量测开关系统的载波通讯模块原理结构框图。
33.图5是根据本实用新型实施例所述的智能物联量测开关系统的计量芯片原理示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围，为了方便理解本实用新型的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本实用新型的上述技术方案进行详细说明。
35.如图1所示，根据本实用新型实施例所述的一种智能物联量测开关系统，包括电源整流器、载波通讯模块、计量芯片、flash存储器、分合闸控制、主控芯片、液晶显示、按键、rs485通讯端口、红外线通讯端口、epprom模块、实时时钟。
36.所述电源整流器，分为电力变压整流器和电流互感整流器，电力变压整流器为正常工作时的电子部件提供工作电源，电流互感整流器为在负载测短路时的电子部件提供电源，实现各类保护。
37.如图5所示，所述计量芯片，计量芯片和主控芯片通过两路spi接口连接，电网的三相电流和零线电流信号通过微型电流互感器接入计量芯片，电压信号通过分压电阻接入计量芯片，计量芯片是对电网上的电流、电压、相位、功率、谐波进行准确测量，并记录和存储各类电能和事件，精准检测短路、剩余电流、过载、过压、欠压、缺零、断相的保护，并且，该保护功能都可灵活配置，以满足不同使用需求。所述两路spi接口，一路用于主控芯片对计量
芯片的配置和测量、计量数据的采集。另一路用于向主控芯片传送采集的电网原始波形数据，主控芯片对原始波形数据进行傅立叶变换来分析电网的谐波数据和质量，计量芯片通过引入精度计量数据，保障控制保护动作精确执行。
38.所述计量芯片工作时，根据输入的电压和电流信号在计量芯片内部进行ad转换、滤波、积分及累加得出电压、电流、相位及功率，从而进一步得出用电量的数据，将采集的原始波形的数据传给主控芯片计算出电网上的各次谐波信号幅度和相位。
39.所述计量芯片是对电网上的电流、电压、相位、功率、谐波进行准确测量，需得到需要的测量值、功率和电量计量值。
40.例如：iap、ian、ibp、ibn、icp、icn、inp、inn接各相电流互感器，ua、ub、uc接交流电压输入，a、b、c、n相的电流信号通过电流互感器将电网上的电流转换为幅度较小的电流后，分别接入至ia、ib、ic、in，经过采样电阻得到一个交流电压信号，再接入到计量芯片的ia、ib、ic、in通道上。a、b、c相的电压信号通过分压电阻将电网220v交流电压转换为幅度较小的交流电压信号，分别接入到计量芯片的ua、ub、uc通道，这些总共7路信号接入计量芯片，在芯片内部进行ad转换和处理，得到所需的测量值和功率、电量计量值。
41.对于零线电流的采集，是将a、b、c、n四根电流线同时穿过互感器，在没有漏电发生时，这4路电流信号的矢量和为零，当有漏电发生时，一部分电流由于漏电的发生没有通过互感器，因此采集到的电流不再为零，由此判断是否发生漏电。
42.断路器使用过程中每间隔一段时间，可按下测试键检查漏电保护功能是否正常，断路器根据检测到的试验信号判断漏电是实际发生还是试验。
43.所述主控芯片，通过spi通讯接口控制所述计量芯片的工作模式，对芯片的参数进行调整和对测量精度进行校准，正常工作时，计量芯片采集到的数据可通过数据传输总线、原始波形传输总线传送给主控芯片，并进行进一步的处理和利用。
44.如图2-4所示，所述载波通讯模块，载波通讯模块串口和io连接主控芯片，另一个差分信号连接电力线，包括掉电检测、过零检测和载波耦合，通过引入到断路器产品上，以海思hi3911控制器为平台，进行电力载波通讯，通讯协议兼容满足dl/t 645及dl/t 698.45；用于解决低压电力传输网络中一个台区内断路器与断路器之间、断路器与网络中其他设备之间的通讯和数据传输问题，利用此技术即可减少现场工作的不便，也可减少电网建设的成本。
45.所述载波通讯模块的过零检测，是检测电网电压信号正向过零点，当交流电压处于负半周时，通过d11、r23、r24给电容c15、c16充电，并由d9稳压在7.5v，在交流电压的正半周，d11反向截止，c15、c16通过r25、r28打开三极管q3，光耦q1导通，plc_zero输出高电平，电容放完电后，plc_zero输出重新变低，这个信号传给载波通讯模块主芯片。载波通讯模块根据这个脉冲的时间点，结合电网上其他同类设备的这个时间点，判断个电网台区的拓扑结构，同时，当主控芯片检测到电压低于一定阈值时，产生掉电信号通知载波通讯模块主芯片，而此时载波通讯模块没有检测到过零信号，载波通讯模块向电网中的集中器发出停电事件。
46.载波通讯芯片将要发送的数据转换为差分信号，发送给功率放大器（德州仪器的ths6222）进行功率放大，放大后的差分信号接入耦合变压器的plc+、plc-，通过变压器1：1隔离转换后再经过电容耦合到电网的a、b、c三相上。
47.反之，电力网络上的管理设备通过载波的方式向断路器发出相关指令，载波信号先通过耦合电容将信号传送给耦合变压器，经过1：1隔离转换后将差分信号传送给载波通讯芯片，由通讯芯片进行信号解码。以此完成断路器与网络上其他设备之间的通讯。
48.所述载波通讯模块的掉电检测电路通过r117、r118构成的分压电路监控电源电压，当电压低至一定值时判断电网掉电，这时载波通讯芯片根据是否有过零信号判断是否真正掉电，如果真正发生掉电，则通过载波上报掉电事件。
49.所述flash存储器，即数据存储，flash存储器芯片通过spi接口与主控芯片通讯连接，各类数据由主控芯片控制存储于flash存储器芯片中，所述各类数据由主控芯片读出。
50.所述分合闸控制，主控芯片通过io信号驱动中间继电器，再由中间继电器驱动合闸电机进行合闸动作，通过另一个io信号直接驱动脱扣器进行分闸动作，主控芯片检测实际的工作状况，根据实际情况发起分合闸动作，进行断路器的通断和各类保护动作，包括通过按键分合闸和远程控制分合闸，其安全性高，免除人工操作误触电风险。
51.通过按键在进行控制合闸时，主控芯片通过主控芯片输出的合闸信号cb_close输出高电频，驱动三极管q1导通，中间继电器吸合接通合闸电机电源，控制断路器进行合闸；分闸时，主控芯片通过主控芯片输出的分闸信号cb_open输出高电频，驱动三极管q2导通，驱动分励脱扣器动作使断路器进行分闸。
52.所述远程控制分合闸，远程开合闸信号通过连接器接入到光耦的发光管端，驱动光耦输出电平变化，并将这一变化通过io端口传给主控芯片，主控芯片检测到变化后，输出相应的分合闸驱动信号，接收到信号进行分合闸。
53.所述液晶显示，主控芯片通过spi通讯接口将各类需要显示的数据传输给显示器，这些数据包括电压、电流、功率、功率因数、运行状态、设置和查询菜单、报警信息。
54.所述按键，主控芯片实时检测按键的动作，每个按键对应主控芯片的一个io，主控芯片根据检测到的按键动作执行相应的操作，所述按键动作有分闸、合闸、试验、上翻、下翻、设置、确认和回退。
55.所述rs485通讯端口，主控芯片通过串口连接rs485转换芯片与电网上的其他设备进行通讯、传输数据，通讯协议兼容满足dl/t 645及dl/t 698.45。
56.所述红外线通讯端口，主控芯片通过串口连接光电器件实现红外通讯、传输数据。
57.所述epprom模块，即参数存储，eeprom模块芯片通过iic接口与主控芯片连接，断路器的各类调试参数存储于eeprom模块芯片中。
58.所述实时时钟，采用高精度时钟芯片，芯片通过iic接口与主控芯片连接，时钟精度0.5s/24h，为系统提供准确的时间基准。
59.综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，通过在通用机械式断路器的基础上增加电子部件用于电网电压、电流、功率的测量以及电能计量和记录存储，对电网质量进行分析，并实现剩余电流保护；通过电力载波通讯、红外通讯和rs485通讯功能，实现各类事件、数据记录的远程传输，以及对断路器的远程控制；还可以执行远程通讯和控制，分合闸自动操作，安全性高；通过电力载波通讯技术，以可减少现场工作的不便，也可减少电网建设的成本；本技术技术方案能够实现短路保护、且短路电流值固定，误差较小，且能测量电力传输线路上的电压、电流、功率和谐波，在漏电保护方面存在电流采样精确。
60.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本
实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。