一种智能断路器通信组网系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及智能断路器领域。本实用新型公开了一种智能断路器通信组网系统，包括远程监控端、RS485/232转换器、Modbus通信模块、Modbus总线和智能断路器，所述RS485/232转换器作为远程监控端与Modbus总线的接口，完成Modbus总线数据电平与RS232接口电平的转换，所述智能断路器包括断路器本体和智能控制器，负责现场线路状态的监测和进行分断或闭合操作，并通过通信接口与所述Modbus通信模块进行数据交互，所述Modbus通信模块通过Modbus总线经RS485/232转换器与远程监控端通信连接。本实用新型通信稳定、数据交互实时性好、抗干扰能力强、通用性广泛。
【专利说明】
一种智能断路器通信组网系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及智能断路器领域，具体地涉及一种基于Modbus总线的智能断路器 通信组网系统。
【背景技术】
[0002] 断路器作为低压配电的基础元件，负责电能的分配、传输以及用电设备的保护控 制等，对电力系统的可靠运行起着举足重轻的作用；随着智能电网及工业自动化应用的深 入，断路器除了具备传统功能之外，还需实现实时电能质量监测、运行状态监控、动态配置 及分级保护等功能，因此对智能断路器通信功能提出了高速、双向、实时、集成的技术要求， 而当前智能断路器在长期的实际运行中表现出传输速度低、实时性差、配置扩展性不好等 缺点，制约了断路器的监控与保护功能及应用范围。
[0003] 智能型电器的通信功能好坏直接关系到整个配电与控制系统能否稳定、可靠运 行，Modbus协议是一种工业控制系统串行通信协议，由于其简单可靠，得到了众多硬件厂商 的支持。虽然现在也出现一些采用Modbus总线进行通信的新型智能断路器，如公开专利： CN202102988U，其可以通过Modbus总线实现多个智能断路器联网通信，组成智能供配电系 统，使低压配电、控制系统的调度、操作和维护实现远程监控。但其通信系统的传输速度、稳 定性、实时性差、配置扩展性还是不够理想，影响了断路器的监控与保护功能及应用范围。
【发明内容】
[0004] 本实用新型目的在于为解决上述问题而提供一种通信稳定、传输速度快、数据交 互实时性好、抗干扰能力强、置扩展性好的智能断路器通信组网系统。
[0005] 为此，本实用新型公开了一种智能断路器通信组网系统，包括远程监控端、RS485/ 232转换器、Modbus通信模块、Modbus总线和智能断路器，所述RS485/232转换器作为远程监 控端与Modbus总线的接口，完成Modbus总线数据电平与RS232接口电平的转换，所述智能断 路器包括断路器本体和智能控制器，负责现场线路状态的监测和进行分断或闭合操作，并 通过通信接口与所述Modbus通信模块进行数据交互，所述Modbus通信模块通过Modbus总线 经RS485/232转换器与远程监控端通信连接。
[0006] 进一步的，所述智能控制器包括微控制器、变换器、模拟信号调理电路、A/D转换 器、数字量测量隔离电路、数字接口电路、时钟电路、人机接口管理单元、键盘电路、显示与 报警电路、打印接口电路、数字输出及驱动与隔离电路和RS232/RS485接口电路，所述变换 器的输入端接电信号，输出端依次通过模拟信号调理电路和A/D转换器与微控制器连接，所 述数字量测量隔离电路的输入端接数字信号，输出端通过数字接口电路与微控制器连接， 所述键盘电路、显示与报警电路和打印接口电路分别通过人机接口管理单元与微控制器连 接，所述时钟电路、数字输出及驱动与隔离电路和RS232/RS485接口电路分别与微控制器连 接，所述数字输出及驱动与隔离电路的输出端接断路器本体的控制输入端。
[0007]进一步的，所述Modbus通信模块与智能控制器的接口采用带屏蔽的RJ45接头，其 接口电路包括RS485收发器、共模扼流圈、TVS二极管D6、D7和D8、电阻R4和电阻R5,所述 RS485收发器的型号为SN65HVD22,所述RS485收发器的端口 A和5通过共模扼流圈与485总 线连接，所述TVS二极管D6、D7和D8接在485总线与地之间，所述RS485收发器的端口 D和R与 智能控制器的微控制器的通信端连接，所述RS485收发器的端口 DE和与智能控制器中 的微控制器的控制输出端连接，所述电阻R4接在RS485收发器的端口 A和电源之间，所述电 阻R5接在RS485收发器的端口身与地之间。
[0008] 更进一步的，所述电阻R4和R5的阻值均为560 Ω。
[0009]进一步的，所述Modbus通信模块包括电源转换电路、RS485通信接口电路、地址编 码器、状态指示灯和Μ⑶处理器，所述电源转换电路实现24V至5V的直流供电转换，为Μ⑶处 理器和其它外围芯片提供稳定的电源，所述地址编码器提供Modbus通信模块硬件地址，所 述MCU处理器通过RS485通信接口电路分别与远程监控端和智能断路器进行通信连接，所述 状态指示灯用于Modbus通信模块的电源、网络通信状态和故障指示。
[0010] 更进一步的，所述RS485通信接口电路包括型号为SN75176AD的通讯片和光电耦合 元器件，所述通讯片的端口 A和t与485总线连接，所述通讯片的端口 D和R分别通过光电耦 合元器件与Μ⑶处理器的通信端连接，所述通讯片的端口 DE和愈通过光电耦合元器件与 MCU处理器的控制输出端连接。
[0011]本实用新型有益技术效果：
[0012]本实用新型采用Modbus总线作为通信网络组成智能断路器通信组网系统，能实现 各个节点智能断路器的分散化，通过与远程监控主机的数据交互，实现对现场智能断路器 的遥测、遥控、遥讯、遥调。本实用新型在小于l〇ms的极限应答时间内能保证90%的可靠信 息交互，在50~200ms应答时间内能保证100 %的可靠通信率，长时间组网测试和试运行表 明，本实用新型通信稳定、传输速度快、数据交互实时性好、抗干扰能力强并具有广泛的通 用性，完全能满足实际应用中对实时性和可靠性的要求。
【附图说明】
[0013] 图1为本实用新型实施例的系统结构框架图；
[0014] 图2为本实用新型实施例的智能控制器的结构示意图；
[0015] 图3为本实用新型实施例的Modbus通信模块与智能控制器的接口电路原理图； [0016]图4为本实用新型实施例的RS485通信接口电路原理图。
【具体实施方式】
[0017] 现结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进一步说明。
[0018] 如图1所示，一种智能断路器通信组网系统，包括远程监控端1(本实施例中，为计 算机）、RS485/232转换器2、Modbus通信模块4、Modbus总线3和智能断路器7,所述远程监控 端1负责对系统各节点智能断路器7整定值的远程设置，实时电力参数和智能断路器7状态 的显示、管理和分析，智能断路器7分断或闭合的控制等，所述RS485/232转换器2作为远程 监控端1与Modbus总线3的接口，完成Modbus总线3数据电平与RS232接口电平的转换，所述 智能断路器7包括断路器本体5和智能控制器6,用于负责现场线路状态的监测和进行分断 或闭合操作，并通过通信接口与Modbus通信模块4进行数据交互，所述Modbus通信模块4通 过Modbus总线3经RS485/232转换器2与远程监控端通信1连接。远程监控端1通过Modbus总 线3与智能控制器6进行数据传输，实现对多个智能控制器节点的集中控制和管理。
[0019] 具体的，如图2所示，智能控制器6包括微控制器61、变换器(本实施例中，包括电流 变换器63和电压变换器64)、模拟信号调理电路65、A/D转换器66、数字量测量隔离电路67、 数字接口电路68、时钟电路62、人机接口管理单元64、键盘电路70、显示与报警电路71、打印 接口电路72、数字输出及驱动与隔离电路73和RS232/RS485接口电路75,电流变换器63和 电压变换器64的输入端分别接采集到的电流信号和电压信号，其输出端依次通过模拟信号 调理电路65和A/D转换器66与微控制器61连接，数字量测量隔离电路67的输入端接数字信 号，输出端通过数字接口电路68与微控制器61连接，数字信号经过隔离、处理后传输给微控 制器61，键盘电路70、显示与报警电路71和打印接口电路72分别通过人机接口管理单元64 与微控制器61连接，所述时钟电路62、数字输出及驱动与隔离电路73和RS232/RS485接口电 路75分别与微控制器61连接，所述数字输出及驱动与隔离电路73的输出端接断路器本体5 的控制输入端。现场线路的电流信号和电压信号经采样后通过电流变换器63和电压变换器 64以及模拟信号调理电路65进行变换、处理后经过A/D转换器66转成数字信号传给微控制 器61，微控制器61对采样数据进行计算处理、分析判断，当出现异常时，输出报警信号给显 示与报警电路71进行报警显示，同时，根据异常的类型，输出相应的预设在微控制器61内的 保护动作信号经数字输出及驱动与隔离电路73给断路器本体5的执行机构，以控制执行机 构执行相应的动作，如闭合或分断等，以保护现场线路和设备不被损坏，微控制器61通过 RS232/RS485接口电路75与Modbus通信模块4保持通信，将接收到的采样数据、处理结果和 智能断路器状态通过Modbus总线传输给远程监控端1，并接收远程监控端1传输过来的控制 信号，时钟电路62提供时钟信号，以实现外部故障和内部故障的记忆或事件记录功能。
[0020] 具体的，现场线路的电流信号采样时，每周期20ms采样40点，采用0.5ms的定时器， 实现非失真采样，而线路的三段保护，即电流速断、限时电流速断、定时过电流均依据一定 的算法在这些采样点的基础上进行。根据测得的电流信号进行有效值计算(40个采样点采 用加权平滑滤波，取均值），进行热记忆能量累加或消退，先后比较是否达到或超过短路瞬 时电流Ii、短延时脱扣电流整定值Id、长延时电流整定值(额定电流)Ir，判断是否大于整定 的脱扣能量从而发出分断命令，动作时间延时T根据断路器控制器的电流-时间特性曲线决 定(参考断路器行业标准），从而实现对线路中的过载、短路、接地等故障的保护。
[0021] 本实施例中，Modbus通信模块4与智能控制器6的接口采用带屏蔽的RJ45接头，其 接口电路即RS232/RS485接口电路75如图3所示，包括RS485收发器U2、共模扼流圈U3、TVS二 极管D6、D7和D8、电阻R4和电阻R5,所述RS485收发器U2的型号为SN65HVD22,该芯片针对噪 声与失效情况提供保护功能，非常适用于对电气环境要求极为严格的场所和工业环境， RS485收发器U2的端口 A和身通过共模扼流圈U3与485总线的485_D1和485_D0端连接，共模 扼流圈U3用于滤除共模干扰，TVS二极管D6接在485_D1端与地之间，TVS二极管D7接在485_ D0端与地之间，TVS二极管D8接在485_D1和485_D0端之间，用于保护前端RS485总线，避免高 频瞬态干扰(雷击、浪涌）产生的高压损坏RS485收发器U2,将危害性的瞬态能量旁路到大 地，RS485收发器U2的端口 D和R与智能控制器6的微控制器61的通信端（TXD端和RXD端）连 接，RS485收发器U2的端口 DE和_与智能控制器6中的微控制器61的控制输出端连接，电阻 R4接在RS485收发器U2的端口A和电源之间，所述电阻R5接在RS485收发器U2的端口 5与地 之间，电阻R4和R5的阻值均为560 Ω，以保证网络有合适的空闲状态电压。
[0022]具体的，Modbus通信模块4包括电源转换电路、RS485通信接口电路、地址编码器、 状态指示灯和Μ⑶处理器，所述电源转换电路实现24V至5V的直流供电转换，为MCU处理器和 其它外围芯片提供稳定的电源，所述地址编码器提供Modbus通信模块4的硬件地址，所述 Μ⑶处理器通过RS485通信接口电路分别与远程监控端1和底层智能断路器7进行通信连 接，所述状态指示灯用于Modbus通信模块4的电源、网络通信状态和故障指示。
[0023] 本实施例中，RS485通信接口电路如图4所示，包括型号为SN75176AD的通讯片U8和 光电耦合元器件U5、U6和U7,通讯片U8的端口 A和?分别通过磁珠 R51和R52与485总线连接， 通讯片U8的端口 D和R分别通过光电耦合元器件U7和U6与Μ⑶处理器的通信端连接，通讯片 U8的端口 DE和尺￡通过光电耦合元器件U5与MCU处理器的控制输出端连接，本实施例中，光 电耦合元器件U5、U6和U7的型号为TLP181。
[0024]综上，本实用新型采用Modbus总线作为通信网络组成智能断路器通信组网系统， 并通过对各个模块优化设计，能实现各个节点智能断路器的分散化，通过与远程监控主机 的数据交互，实现对现场断路器的遥测、遥控、遥讯、遥调。本实用新型在小于l〇ms的极限应 答时间内能保证90%的可靠信息交互，在50~200ms应答时间内能保证100%的可靠通信 率，长时间组网测试和试运行表明，本实用新型通信稳定、传输速度快、数据交互实时性好、 抗干扰能力强并具有广泛的通用性，完全能满足实际应用中对实时性和可靠性的要求。 [0025] 短路瞬时保护验证：
[0026]通常，短路瞬时保护功能可选择性开通，它要求在电流急剧增大状态下瞬时切断 电路，动作时间要求越短越好，以尽可能减少损失。因而短路判断直接根据采样电流的即时 有效值，若连续四个样本值大于等于瞬动电流设置阈值，则判定为瞬时短路故障，控制器立 即给出动作指令:若检测的有效值不能满足连续条件，则认为是尖峰干扰信号。短路瞬时测 试时，短路瞬时电流I i通过对整定倍数η和长延时电流整定值(额定电流）Ir的设置实现（I i =11\1〇，其中整定倍数11通过智能控制器的键盘设置，11分别为2、4、5、8、10、12和14可选， 瞬时测试结果见表1，测试结果分析短路瞬时动作的时间要求小于0.2S。从表中数据可知， 瞬时保护的分断时间都控制在200ms以内，完全满足设计要求。
[0027]表1瞬时测试数据 [0028]
[0029]尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应 该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节 上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种智能断路器通信组网系统，包括远程监控端、RS485/232转换器、Modbus通信模 块、Modbus总线和智能断路器，其特征在于：所述RS485/232转换器作为远程监控端与 Modbus总线的接口，完成Modbus总线数据电平与RS232接口电平的转换，所述智能断路器包 括断路器本体和智能控制器，负责现场线路状态的监测和进行分断或闭合操作，并通过通 信接口与所述Modbus通信模块进行数据交互，所述Modbus通信模块通过Modbus总线经 RS485/232转换器与远程监控端通信连接。2. 根据权利要求1所述的智能断路器通信组网系统，其特征在于:所述智能控制器包括 微控制器、变换器、模拟信号调理电路、A/D转换器、数字量测量隔离电路、数字接口电路、时 钟电路、人机接口管理单元、键盘电路、显示与报警电路、打印接口电路、数字输出及驱动与 隔离电路和RS232/RS485接口电路，所述变换器的输入端接电信号，输出端依次通过模拟信 号调理电路和A/D转换器与微控制器连接，所述数字量测量隔离电路的输入端接数字信号， 输出端通过数字接口电路与微控制器连接，所述键盘电路、显示与报警电路和打印接口电 路分别通过人机接口管理单元与微控制器连接，所述时钟电路、数字输出及驱动与隔离电 路和RS232/RS485接口电路分别与微控制器连接，所述数字输出及驱动与隔离电路的输出 端接断路器本体的控制输入端。3. 根据权利要求1或2所述的智能断路器通信组网系统，其特征在于:所述Modbus通信 模块与智能控制器的接口采用带屏蔽的RJ45接头，其接口电路包括RS485收发器、共模扼流 圈、TVS二极管D6、D7和D8、电阻R4和电阻R5,所述RS485收发器的型号为SN65HVD22,所述 RS485收发器的端口 A和5通过共模扼流圈与485总线连接，所述TVS二极管D6、D7和D8接在 485总线与地之间，所述RS485收发器的端口D和R与智能控制器的微控制器的通信端连接， 所述RS485收发器的端口 DE和愈与智能控制器中的微控制器的控制输出端连接，所述电阻 R4接在RS485收发器的端口A和电源之间，所述电阻R5接在RS485收发器的端口 J与地之间。4. 根据权利要求3所述的智能断路器通信组网系统，其特征在于:所述电阻R4和R5的阻 值均为560 Ω。5. 根据权利要求1或2所述的智能断路器通信组网系统，其特征在于:所述Modbus通信 模块包括电源转换电路、RS485通信接口电路、地址编码器、状态指示灯和M⑶处理器，所述 电源转换电路实现24V至5V的直流供电转换，为MCU处理器和其它外围芯片提供稳定的电 源，所述地址编码器提供Modbus通信模块硬件地址，所述M⑶处理器通过RS485通信接口电 路分别与远程监控端和智能断路器进行通信连接，所述状态指示灯用于Modbus通信模块的 电源、网络通信状态和故障指示。6. 根据权利要求5所述的智能断路器通信组网系统，其特征在于:所述RS485通信接口 电路包括型号为SN75176AD的通讯片和光电耦合元器件，所述通讯片的端口 A和舍与485总 线连接，所述通讯片的端口 D和R分别通过光电耦合元器件与MCU处理器的通信端连接，所述 通讯片的端口 DE和_通过光电耦合元器件与MCU处理器的控制输出端连接。
【文档编号】H04L29/08GK205565900SQ201620379657
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】刘美俊
【申请人】厦门理工学院