一种微型智能断路器及其集成电能计量及远程互动系统的制作方法

本发明属于微型断路器领域，尤其涉及一种集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器。

背景技术：

随着我国城镇化水平的不断提高，每年城乡新建成的住宅面积近20亿平方米，住宅建筑的能源消耗问题已不容忽视。改造现有住宅的配套设施、开展电力需求侧管理，培养用户的节能意识，促进用户与供电企业的供需互动，将有助于降低住宅建筑能耗，是实现全社会绿色环保、节能减排的有效途径。微型断路器是低压配电系统中广泛使用的一种开关电器，承担着终端配电线路，尤其是住宅内用电回路与电器设备的监控与保护重任，可即时接通、分断线路并处理短路、接地、过负荷及过压等电气故障，对供用电的安全、稳定起到十分重要的作用。目前的家用微型断路器虽然能实现多种保护功能，但智能化程度不高，大部分需要手动复位实现用电合闸，尚不能智能识别负荷属性、根据用户需求进行响应。用户想了解自身用电情况时只能通过电网公司安装的智能电能表查询房屋整体的电能消耗，无法实时查询家庭中各分支用电回路的用电情况，也无法方便快捷的远程控制某支用电回路的通断。上述现状表明当前的微型断路器互动体验不完善，不支持建筑内多用电回路的分项电能计量，也不支持远程互动功能，不具备开展电力需求侧管理、合同能源管理等节能降耗措施的技术基础，更无法满足智能用电趋势下用户对用电信息查询、电器自动控制的智能化、实时性需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有房屋建筑中的微型断路器不具备多用电回路的分项电能计量、不支持远程互动的不足，提供一种集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器。

一种微型智能断路器，其特征在于，包括断路器本体，断路器本体内部集成有开关电源模块、主控单元MCU、自动重合闸模块和宽带载波通信模块；

自动重合闸模块包括直流电机、齿轮传动机构，当收到主控单元MCU的触发信号后或在自动控制方式下接收到用户的远程分闸命令信号时，由驱动电路驱动直流电机带动齿轮传动机构运动，推动断路器本体中的脱扣装置实现自动分闸；

断路器本体通过宽带载波通信模块，采用电力线宽带载波通信方式与台区的集中器进行数据通信；

开关电源模块用于提供电源。

主控单元MCU采用HT5019型号的SOC芯片，外挂M24256-BRMN6TP型号的EEPROM芯片进行各类用电数据存储。

宽带载波通信模块通过TTL电平串口与主控单元MCU通信，读取存储的本地用电数据，经调制后发送给集中器，集中器再经光纤、GPRS无线公网的通信方式将数据上传至用电信息采集系统主站。

微型智能断路器的集成电能计量及远程互动系统，其特征在于，微型智能断路器安装在住宅户内配电箱内，由控制总进线电流通断的总开关和其余的控制住宅内各分支用电回路电流通断的分开关构成；

总开关与分开关的MCU均配置RS-485通信接口，总开关采用RS-485总线与分开关进行数据通信及控制命令的下发，接收分开关所在用电回路的电流、电压、有功功率和有功电能量，并经MCU处理获取住宅总进线的电流、电压、有功功率和有功电能量，再一同发送至LCD显示屏显示。

微型智能断路器设置有手动控制方式和自动控制方式，由控制方式选择按键实现手动控制方式和自动控制方式的切换；

当处于自动控制方式时，总开关和分开关响应远程的自动分合闸命令，同时支持手动的分合闸操作；

当处于手动控制方式时，总开关和分开关不响应远程的自动分合闸命令，除非监测到总开关或分开关所在的某支用电回路处于异常状态。

总开关通过宽带载波通信模块，采用电力线宽带载波通信方式与用户住宅所在台区的集中器进行数据通信；集中器通过通信规约的扩展，实现对用户微型智能断路器的数据抄读及控制命令下发。

集中器经以太网、光纤或GPRS无线公网等通信方式连接用电信息采集系统主站，通过开放外部接口，基于采集的微型智能断路器相关数据建立用户服务系统，实现用户与自家住宅微型智能断路器的远程互动。

用户通过手机APP或微信公众号的方式访问用户服务系统，查询自家住宅微型智能断路器上传的住宅总及各分支用电回路的历史累计有功电能量和当日累计有功电能量；在微型智能断路器处于自动控制方式时选择切断或闭合任意支用电回路，实现对总开关和分开关的远程分合闸。

LCD显示屏采用轮流显示的方式显示总进线及安装分开关的各分支用电回路的电流、有功功率及有功电能量。

总开关电流输入规格为80A，断路器本体体积为2P，配置有开关电源模块、自动重合闸模块、主控单元、宽带载波通信模块、LCD显示屏、控制方式选择按键及清零按键，总共体积为4P；分开关电流输入规格为40A，断路器本体体积为1P；配置有开关电源模块、自动重合闸模块、采样回路、主控单元，总共体积为2P；

主控单元包括计量模块及微控制单元（Microcontroller Unit，MCU），总开关的MCU直接驱动LCD显示屏，具备对清零及控制方式选择按键的响应功能，提供宽带载波通信模块的接口，并额外加装FLASH存储芯片；

分开关的采样回路包括：集成在断路器本体内的电流采样电路、电压采样电路，以及主控单元内的计量模块，可实现分开关所在用电回路的电流、电压、有功功率、有功电能量（包括历史累计有功电能量和当日累计有功电能量）计量，并生成采样周期为1分钟的负荷曲线。

总开关与分开关的MCU均配置RS-485通信接口，总开关采用RS-485总线与分开关进行数据通信及控制命令的下发，接收分开关所在用电回路的电流、电压、有功功率、有功电能量，并经MCU处理获取住宅总进线的电流、电压、有功功率、有功电能量，再一同发送至LCD显示屏显示。总开关MCU负责存储近30日的住宅总日有功电能量数据、历史累计总有功电能量、近7日的各分开关所在用电回路的负荷曲线数据，负荷曲线数据包括：电流、有功功率；

LCD显示屏采用轮流显示的方式显示住宅总进线及安装分开关的各分支用电回路的电流、有功功率及有功电能量，显示屏刷新周期为5秒，按下清零按钮可以将当日累计有功电能量置零；

自动重合闸模块包括：驱动电路、直流电机和齿轮传动机构，采用内部组件共用开关电源的方式供电，可针对漏电流、短路、线路过热和持续过负荷等用电线路异常情况提供保护，当接收到主控单元MCU分闸命令后，驱动电路将驱动直流电机带动齿轮传动机构，进而推动断路器本体的脱扣装置实现该用电回路开关的自动分闸操作。接收到合闸命令时同理实现对用电回路的自动合闸操作；

控制方式选择按键实现微型智能断路器手动控制和自动控制方式的切换，除非监测到某支用电回路处于异常状态，按键置于“手动”时总开关和分开关将不会响应远程的自动分合闸命令。当按键置于“自动”时，总开关和分开关可以响应远程的自动分合闸命令，同时也支持手动的分合闸操作；

总开关通过MCU配置的宽带载波通信模块，可以采用电力线宽带载波通信方式与用户住宅所在台区的电网公司集中器进行数据通信，集中器通过通信规约的扩展，可实现对用户微型智能断路器的数据抄读及控制命令下发；

集中器经以太网、光纤、GPRS无线公网等通信方式连接电网公司的用电信息采集系统，通过开放外部接口，电网公司可基于采集的微型智能断路器相关数据建立用户服务系统，实现用户与自家住宅微型智能断路器的远程互动；

用户可通过手机APP或微信公众号等方式访问用户服务系统，查询自家住宅微型智能断路器上传的住宅总及各分支用电回路的历史累计有功电能量和当日累计有功电能量，在微型智能断路器处于自动控制方式时也可以选择切断或闭合任意支用电回路，实现对总开关和分开关的远程分合闸。用户可设置与远程通信、控制的相关参数，如是否上传负荷曲线数据、是否自动参加需求侧响应活动、负荷削减优先级（优先切断哪一支用电回路）等。在选择自动参加需求侧响应活动时，用户服务系统会在特定时段自动向用户家的微型智能断路器下发分闸命令，用户家中的一条或多条用电回路将会自动切断，待响应时段结束后用户服务系统会自动向用户家的微型智能断路器下发合闸命令，用户家中的一条或多条用电回路将会自动闭合。

本发明所达到的有益效果是：

本发明的集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器，在具备传统微型断路器各类保护功能的基础上，以较小体积实现了用户住宅内多用电回路的分项电能量和总电能量的计量、存储、显示，以及负荷曲线数据的上传。用户通过登陆电网公司的用户服务系统可与家庭内的微型智能断路器远程互动，实现家庭内多用电回路用电信息的远程查询。微型智能断路器可接收来自用户或者用户服务系统的远程分合闸命令，自动对一条或多用电回路远程分合闸。此外负荷曲线数据上传功能有助于电网公司进行用户负荷分析，也可作为用户参与了负荷转移/削减等需求响应事件的佐证记录，将有力支撑电力需求侧响应激励机制的实施。本发明实现了较低成本下住宅建筑节能水平的提升，满足了用户对用电信息查询、电器自动控制的智能化、实时性需求，为用户参与电力需求侧响应创造了有利条件，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器的系统结构图；

图2是集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器的开关电源工作框架图；

图3是集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器的自动重合闸模块结构图；

图4 是集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器的远程互动通信方案图；

图5是集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器的软件系统主流程图；

图6是集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器的简易爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和图6所示，集成电能计量及远程互动功能的微型智能断路器包括盖板1、断路器本体2、LCD显示屏3、PCB板组件4和外壳5。外壳5上设置有控制方式选择按键6和清零按键7。断路器本体2内部集成了开关电源模块21、主控单元22、自动重合闸模块23、宽带载波通信模块24等。

本微型智能断路器克服了现有微型断路器不具备住宅内多用电回路的分项电能计量及自动通断控制，也不支持远程互动的不足，以较小体积实现用户对住宅各回路用电信息的远程查询及多用电回路的远程自动拉合闸控制。

作为总开关和分开关的微型智能断路器均具备本地数据处理、存储、通信及自动重合闸功能，区别在于其输入电流规格不同、对应功能不同。总开关最大输入电流定为80A，并具备按键响应、LCD显示、远程通信的功能。由于总开关电流规格大于40A，所以断路器本体必须占2P空间，再考虑自动重合闸模块和宽带载波通信模块，总开关体积需要4P。分开关最大输入电流定为40A，具备电流、电压采样及功率、电能计量功能。由于电流规格较小，断路器本体只占1P，若本地通信只需支持RS-485，在采用隔离型485芯片方案下，附加自动重合闸模块，总体积可控制在2P。

如图2所示，开关电源模块21共分两大路供电。第一路输出电压为12V，为自动重合闸模块的直流电机驱动电路和MCU中的宽带载波通信模块供电；第二路输出电压为5V，为主控单元内的SOC芯片、数据存储模块和RS-485通信模块供电。在电机驱动电路中，直流电机驱动电压为12V，动作电流为200mA，可得驱动功率为2.4W。宽带载波通信模块的工作电压为12V，工作电流需150mA，算得功耗功率为1.8W。主控单元内的SOC芯片直接驱动LCD显示屏，整体SOC芯片功耗不大于0.3W，而数据存储模块和RS-485通信模块合计功耗不大于0.1W。为保障微型智能断路器稳定工作，由上述数据可将开关电源的额定输出功率定为6W。

考虑到微型智能断路器的整体体积及运行效率，主控单元的设计采用了集成计量模块及MCU的片上系统（System-on-Chip，SOC）方案。由于SOC芯片需要兼具数据处理、存储、LCD显示、远程通信等功能，因此本实施例中选用了炬泉公司的HT5019芯片。HT5019 是一颗低功耗、高性能的电能计量芯片，片内集成了 32-bit ARM 内核、128K 闪存、8K静态存储器，支持断相防窃电功能的EMU模块，配置了RS-485、宽带载波通信接口，具备LCD 驱动功能。为实现高密度负荷曲线数据的处理、存储，在总开关的SOC芯片附加了2M FLASH存储器及时钟芯片。

（1）MCU

MCU处理器内核基于ARM 32-bit Cortex-M0 CPU设计，外设资源完备，配置有33个GPIO、3路UART、4个外部中断，LCD支持4x18/6x16/8x14段显示；内置硬件AES/GHASH 加密/解密算法；内置按键扫描功能；具有4个定时器，可实现定时、捕获、PWM输出功能。MCU实现了微型智能断路器总开关与分开关的RS-485本地通信（各用电回路计量所得的电流、电压、有功功率、电能量经RS-485总线汇总至总开关主控单元累加，得到住宅当前总电流、功率及电能量）以及与集中器的宽带载波远程通信，并驱动LCD以5s一次的刷新周期轮流显示住宅各分支用电回路及总进线的当前电流、电压、有功功率及当日有功电能量（指当天零点至目前的电能示值）、历史累计有功电能量。MCU还负责响应清零及控制方式选择按键的输入，按下清零键将清空保存的近30天日有功电能量数据；控制方式选择键用于实现微型智能断路器分合闸手动或自动控制方式的切换，手动模式下微型智能断路器将不响应用户的远程控制命令，而自动模式下用户仍可以手动分合闸。微型智能断路器总开关的主控单元加装高精度时钟和FLASH存储卡，经RS-485总线向每个分开关下发带时标的负荷曲线抄读命令，可实现家庭内各分支用电回路负荷曲线数据（电流、有功功率）的带时标存储，存储卡可保存近7天的负荷曲线数据。负荷曲线数据的存储周期为1分钟，采用数据压缩技术每天一次将负荷曲线数据块上传至集中器。

（2）计量模块

SOC芯片中计量模块的有功电能测量误差小于 0.1%，动态范围大于5000；支持 IEC62053-21、IEC62053-22、IEC62053-23多种标准；可同时输出两个计量通道的参数，支持灵活的防窃电功能；可提供高精度有效值、频率、ADC 波形数据等计量参数；提供多种能量累加方式选择；支持掉零线、掉火线的低功耗防窃电计量；支持直流计量、单相三线计量。

（3）数据存储模块

对SOC芯片自带的8K静态存储器进行扩展，满足大容量的数据存储需求。采用了HT5019外挂EEPROM芯片的方案实现各类用电数据存储（EEPROM存储容量大小可根据实际需求调整），这里选用了M24256-BRMN6TP芯片，保证微型智能断路器可存储近30天的日有功电能量及累计的总有功电能量数据。

为节省空间，微型智能断路器内部不使用导轨电能表，而是采用锰铜分流器完成电流采样、分压网络电阻完成电压采样，并将两者集成至断路器本体内。再经SOC芯片的计量模块，构成采样回路，实现用电回路的电流、电压、瞬时功率、电能量计量。

如图3所示，自动重合闸模块23包括驱动电路231、直流电机232、齿轮传动机构233等几部分，采用内部组件共用开关电源的方式供电，并去除了重合闸控制芯片与反馈电路，改为集成到主控单元统一控制，有效压缩了模块体积。某路开关合闸时，主控单元MCU将根据计量模块采集、计算所得的各类电参数，分析判断该用电回路是否存在用电异常，当监测到该路电流过载、电压过大、短路、漏电流等异常或在自动控制方式下接收到用户的远程分闸命令时，MCU将向自动重合闸模块的驱动电路发送控制脉冲，驱动直流电机带动齿轮传动机构，进而推动断路器本体中的脱扣装置实现该回路开关的自动分闸。自动控制方式下的远程合闸方式与之同理，不再叙述。

图4为用户与微型智能断路器远程互动的通信方案图。微型智能断路器的分开关经RS-485总线将存储的相关数据上传至总开关（微型智能断路器）的数据存储模块，再通过为微型智能断路器的MCU配置宽带载波通信模块，实现集中器对微型智能断路器总开关存储的本地数据的直接抄读和控制命令下发。宽带载波通信模块通过TTL电平串口与主控单元MCU通信，读取微型智能断路器存储的本地用电数据，经调制后发送给集中器，集中器再经光纤、GPRS无线公网等通信方式将数据上传至电网公司的用电信息采集系统主站。用电信息采集系统主站可扩展一个子模块专门用于存放与用户微型智能断路器相关的各类数据，再提供一个外部接口至事先建立的用户服务系统。用户服务系统可以采用手机APP、微信公众号等方式供微型智能断路器的所有者注册完家庭信息后登录，用户将具备查询、设置、控制三种功能权限。

在查询功能下，用户可查看自家住宅总体及安装分开关的各用电回路的电流、功率、累计有功电能量、当前有功电能量情况；在设置功能下，用户可选择是否上传负荷曲线数据、是否自动参加需求侧响应活动、负荷削减优先级（优先切断哪一支用电回路）等。若用户开启上述选项且微型智能断路器处于自动控制方式，则用户家中的一条或多条用电回路将会在特定时段自动断开，待响应时段结束后自动重合；在控制功能下，若微型智能断路器处于自动控制方式，用户可自行选择住宅内任意条用电回路接通或关断，实现多回路远程分合闸。

为使微型智能断路器成为可被集中器识别，需预先定义两者之间的通信规约。因当前智能电能表上行通信规约《DL\T 645-2007 多功能电能表通信协议》（以下简称DL/T 645）已与用电信息采集系统深度兼容，考虑到智能微型智能断路器与电能表在整个通信架构中位置类似，可参照上述规约编写MCU的上行通信程序，实现微型智能断路器与集中器之间的数据通信。

由于集中器属于电网公司资产，因此需提出主站与集中器通信规约的扩展方案，使之能识别来自不同用户微型智能断路器的多类型用电数据，并标识出同一断路器下各类数据对应的分支用电回路。

在当前集中器的上行通讯协议《Q/GDW 1376.1-2013 电力用户用电信息采集系统通信协议 第1部分：主站与采集终端通信协议》（以下简称Q/GDW 1376.1）中，以应用层功能码AFN定义命令类型，信息点标识pn定义不同操作对象，信息类标识Fn定义不同信息类型。为满足需求，需对设置参数命令（AFN=04H） 中的“终端电能表/交流采样装置配置参数”（F10）进行定义扩展。可“通信速率及端口号”中定义常数值用于申明该测量点为微型智能断路器；在“通信地址”中定义断路器总开关及所有分开关的的6字节通信地址；在“所属采集器通信地址”定义不同值以区别不同用户；在“用户大类号及用户小类号”中定义0为总开关，其他值依次表示各分支用电回路的分开关。这样就在集中器层面实现了对不同用户微型智能断路器及同一用户断路器总开关下不同分开关的统一管理。

由于电流、电压、功率、电能量、负荷曲线数据等均已在Q/GDW 1376.1中有对应的Fn明确标识，故无需再对电能数据类型进行通信规约扩展。而分合闸等控制类操作在DL/T 645中已有定义，因此主站只需对集中器执行数据转发命令（AFN=10H）中的“透明转发”（F1），即可实现微型智能断路器自行响应远程控制。

如图5所示是微型智能断路器软件系统的主流程图。软件系统分为系统初始化程序，控制模式判别程序、分合闸控制程序、数据采样程序，数据处理程序，数据显示程序、通信程序等几部分。

在系统上电初始化后，软件系统首先判断断路器开关是否处于合闸状态，若处于分闸状态，则在转为合闸之前不会运行其余程序。在断路器合闸后，系统将自动执行数据采样、处理、显示及通信等程序，并实时监测用电回路是否出现异常，一旦判定为异常，将会立即执行分合闸控制程序切断问题线路。在正常情况下，以用户的手动分合闸操作为最高优先级，用户的手动分闸将会中断所有程序的执行；在用户未进行人工操作时，控制模式判别程序将会判断断路器是否在自动模式。若为自动模式，则结合用户在服务网站设置的远程控制参数，一旦接收到远程的分合闸命令，断路器将会执行分合闸控制程序自动分合定的用电线路；若为手动模式，则断路器正常执行除分合闸外的其余程序，但不响应任何远程控制命令。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。